肥胖通过STAT3激活的脂肪酸氧化抑制CD8+ T细胞功能促进乳腺癌发展的机制研究

作者及发表信息

本研究由美国希望之城国家医疗中心（City of Hope Comprehensive Cancer Center）免疫肿瘤学系的Chunyan Zhang、Chanyu Yue和Hua Yu（通讯作者）领衔，联合来自Sorrento Therapeutics、约翰·韦恩癌症研究所（John Wayne Cancer Institute）等机构的共21位作者共同完成。研究成果于2020年1月7日发表在代谢领域顶级期刊《Cell Metabolism》（影响因子27.287），论文标题为《STAT3 activation-induced fatty acid oxidation in CD8+ T effector cells is critical for obesity-promoted breast tumor growth》。

学术背景

研究领域：该研究横跨肿瘤免疫学、代谢重编程和肥胖相关癌症三大领域，聚焦肥胖微环境中CD8+ T细胞功能抑制的分子机制。

科学问题：尽管肥胖已被确认为乳腺癌的风险因素，但其如何通过免疫代谢途径促进肿瘤发展的机制尚不明确。既往研究发现：
1. 肥胖微环境中脂肪酸（Fatty Acids, FAs）过量积累；
2. CD8+ T效应细胞（Teff）依赖糖酵解（Glycolysis）发挥抗肿瘤功能；
3. 转录因子STAT3在肿瘤和免疫细胞中具有促癌作用。
然而，STAT3是否通过调控Teff细胞的代谢重编程（Metabolic Reprogramming）介导肥胖相关乳腺癌进展，仍是未解之谜。

研究目标：揭示肥胖微环境中STAT3-脂肪酸氧化（Fatty Acid Oxidation, FAO）通路如何抑制CD8+ Teff细胞的糖酵解功能，从而促进乳腺癌发展。

研究流程与方法

1. 肥胖与乳腺癌的临床前模型构建

• 研究对象：
  
  • 转基因小鼠：MMTV-PyMT（PyMT）自发乳腺癌模型（模拟人类乳腺癌进展）；
    
  • 饮食干预：高脂饮食（HFD, 60%脂肪）诱导肥胖 vs 低脂饮食（LFD）对照（n=10/组）。
    
• 关键实验：
  
  • 监测肿瘤发生时间、体积及肺转移；
    
  • 流式细胞术分析肿瘤浸润CD8+ T细胞中IFNγ、颗粒酶B（GZMB）等效应分子表达。
    
• 创新方法：
  
  • 使用PyMT-OVA转基因小鼠验证肿瘤抗原特异性T细胞功能。
    

2. STAT3在T细胞中的功能验证

• 基因工程小鼠：
  
  • 构建T细胞特异性STAT3敲除（STAT3−/−）的PyMT小鼠；
    
  • 采用CTLA4-aptamer-STAT3 siRNA体内递送系统靶向沉默T细胞STAT3（新型核酸药物递送技术）。
    
• 实验设计：
  
  • 比较STAT3+/+与STAT3−/−小鼠的肿瘤负荷及CD8+ Teff细胞功能；
    
  • 通过染色质免疫沉淀（ChIP）验证STAT3直接调控CPT1b（FAO限速酶）启动子。
    

3. 代谢重编程机制解析

• 关键实验：
  
  • FAO检测：3H标记棕榈酸测定CD8+ T细胞的β-氧化活性；
    
  • 糖酵解分析：Seahorse细胞能量代谢仪检测细胞外酸化率（ECAR）；
    
  • 分子机制：qPCR和Western blot检测CPT1b、HK2（己糖激酶II）、GAPDH等代谢酶表达。
    
• 临床样本验证：
  
  • 分析肥胖（BMI>32.5）与瘦型（BMI<25）乳腺癌患者的肿瘤组织CD8+ T细胞中CPT1b与STAT3磷酸化水平。
    

4. PD-1/Leptin-STAT3通路研究

• 体外实验：
  
  • PD-L1或Leptin刺激CD8+ T细胞，验证STAT3依赖性FAO激活；
    
  • 使用STAT3抑制剂（Stattic）和FAO抑制剂（Etomoxir/Perhexiline）干预。
    
• 体内实验：
  
  • 抗Leptin抗体处理肥胖PyMT小鼠，评估肿瘤生长与T细胞代谢变化。
    

主要研究结果

1. 肥胖通过抑制CD8+ Teff细胞功能促进乳腺癌

• HFD小鼠肿瘤发生更早、体积更大（p<0.01），且肺转移增加（图1B-D）；
  
• 肿瘤浸润CD8+ T细胞的IFNγ和GZMB表达显著降低（图1E），临床样本中肥胖患者同样显示CD8+ T细胞功能衰竭（图1F-G）。
  

2. STAT3是T细胞代谢重编程的关键调控因子

• STAT3−/−小鼠的肿瘤生长被显著抑制（图2A），且CD8+ Teff细胞功能恢复（图2C）；
  
• STAT3直接结合CPT1b启动子，促进FAO（图3A），同时抑制糖酵解基因（GAPDH/HK2）（图3D-E）；
  
• 临床数据：肥胖患者CD8+ T细胞中p-STAT3和CPT1b表达升高（图S3A, S4F）。
  

3. PD-1/Leptin通过STAT3激活FAO

• PD-L1或Leptin刺激依赖STAT3上调FAO（图6A-B），且此效应在STAT3−/− T细胞中消失；
  
• 抗Leptin抗体治疗可逆转肥胖小鼠的T细胞功能障碍（图7A-D）。
  

4. FAO抑制恢复Teff细胞抗肿瘤功能

• CPT1抑制剂（Etomoxir/Perhexiline）处理：
  
  • 降低FAO（图5A），提升糖酵解（图5B）；
    
  • 增强CD8+ T细胞的IFNγ分泌（图5D），抑制肿瘤生长（图5C）。
    

结论与意义

科学价值：
1. 首次揭示肥胖微环境中Leptin-PD-1-STAT3-FAO轴是CD8+ T细胞功能衰竭的核心机制；
2. 提出“代谢竞争”新假说：过量脂肪酸通过STAT3驱动FAO，剥夺Teff细胞的糖酵解能力；
3. 为肥胖相关乳腺癌的免疫治疗提供新靶点（如STAT3/CPT1b抑制剂联合抗PD-1疗法）。

应用潜力：
- STAT3靶向疗法：CTLA4-aptamer-siRNA递送系统具有临床转化前景；
- 代谢干预策略：FAO抑制剂（如Perhexiline）或可逆转T细胞功能障碍。

研究亮点

1. 多维度验证：从转基因小鼠、临床样本到分子机制，形成完整证据链；
   
2. 技术创新：
   
   • 开发CTLA4-aptamer-siRNA体内靶向递送技术；
     
   • 整合Seahorse代谢分析、ChIP-qPCR等前沿方法；
     
3. 跨界融合：将肥胖、免疫代谢与肿瘤微环境研究有机结合，开辟新研究方向。
   

局限性：
- CPT1b siRNA体内敲除效率不足（图S6A），需优化递送系统；
- 未完全排除Leptin受体缺陷小鼠的发育性免疫异常对结果的潜在影响。

（全文共计约2000字，涵盖研究全貌及深度解析）