2021-02-22 21:42:48, APT-MKT 上海中科新生命生物科技有限公司
肥胖,作为一种全世界范围的“流行病“,其本质是一种慢性代谢性疾病。研究显示,肥胖除可造成心血管负担外,还被证实至少是13种癌症(肺癌、肝癌、胰腺癌、甲状腺癌、黑色素瘤、结直肠癌、乳腺癌等)的危险因素。以往研究多集中在肿瘤细胞本身及内分泌系统肿瘤细胞调节轴上。然而,肥胖引起的全身性代谢变化如何影响局部肿瘤微环境(TME)中免疫细胞,如何进一步影响肿瘤生长的内在机制尚不清楚。
2020年12月,来自哈佛医学院的研究团队在CELL(IF=38.637)上在线发表了题为“Obesity Shapes Metabolism in the Tumor Microenvironment to Suppress Anti-Tumor Immunity”的研究论文。作者利用代谢组学、蛋白组学和基因组学技术对高脂饮食(HFD)小鼠肿瘤组织进行分析,揭示肥胖损害小鼠肿瘤微环境中CD8+T细胞数量和抗肿瘤活性,进而加速肿瘤生长。
研究材料
CD、HFD小鼠MC38肿瘤模型 血浆和肿瘤组织(肿瘤细胞和间质液)
技术方法
蛋白组学、代谢组学(靶向脂质组学、靶向代谢组学)、基因组学
实验方法简介
步骤1:构建HFD模型,揭示HFD影响肿瘤生长
步骤2:单细胞测序,绘制肿瘤免疫浸润的整体代谢变化谱
步骤3:多种组织成像揭示HFD组肿瘤独特代谢重塑过程
步骤4:多组学揭示HFD肿瘤细胞对脂肪酸的摄取和氧化特征,并筛选潜在干预靶点
步骤5:动物实验证实PHD3的作用机制及其作为治疗靶点的潜在可行性
主要研究结果
表型分析:HFD以CD8+T细胞依赖性方式加速MC38肿瘤生长
首先,作者利用C57野生小鼠构建随意控制饮食(CD)和高脂饮食(HFD)模型,喂食8-10周后观察到明显肥胖相关代谢变化。接着,作者对模型小鼠注射同系MC38大肠癌细胞,建立高度免疫原性大肠癌肿瘤模型。结果显示,HFD组肿瘤生长较快,且饮食相关的肿瘤生长差异依赖CD8+T细胞存在,当清除体内CD8+T细胞后,不同饮食组肿瘤生长无差异。
图1. 高脂饮食抑制肿瘤内CD8+T细胞数量和功能
令人惊讶的是,HFD单纯影响了肿瘤微环境中CD8+T细胞数量,而机体其他部位的CD8+T细胞并未受到影响。此外,肿瘤微环境(TME)中活性减低的残存CD8+T细胞离体培养后活性恢复,提示肿瘤中某些成分损害了CD8+ T细胞功能。
单细胞测序:绘制肿瘤免疫浸润的整体代谢变化谱
接着,作者对不同组肿瘤浸润的CD45+白细胞进行单细胞RNA-seq,通过无监督聚类分析发现16个不同集群。其中,HFD组淋巴细胞明显减少,而免疫抑制性骨髓细胞群比例无明显变化。为进一步确定HFD引起的整体代谢变化,作者对所有细胞进行基因注释(61个KEGG代谢基因),发现HFD组肿瘤中白细胞富集了脂肪和胆固醇代谢的多种途径。HFD组肿瘤TME中免疫细胞出现独特代谢适应过程(T细胞差异显著),表明重要碳代谢途径发生显著变化。
图2. 单细胞测序显示肿瘤免疫浸润的整体代谢重塑
多重成像揭示HFD组肿瘤独特代谢重塑过程
为确定肥胖是否影响肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)在TME中位置,及其是否与肿瘤内代谢生态位变化相关。作者利用循环免疫荧光技术(CyCIF)对TME中细胞位置和形态进行绘制。结果显示,HFD组肿瘤中CD8+和CD4+T细胞与糖酵解标记物GLUT1之间重叠减少,换言之,CD8+T细胞可能被排除在GLUT1高表达区域之外。以上提示HFD改变了肿瘤内的代谢生态位互作,影响了局部T细胞浸润模式。
图3. 多重成像揭示HFD肿瘤的代谢重塑
多组学揭示HFD肿瘤细胞对脂肪酸的摄取和氧化特征
作者利用TMT蛋白组学对不同组肿瘤中分选的GFP+细胞进行分析,共鉴定到7178种蛋白质。结果显示,相比于CD组,HFD组脂肪酸代谢和氧化磷酸化途径富集;IFNg反应降低,这可能因为CD8+T细胞浸润减少导致。进一步分析显示,HFD通过诱导转运蛋白(SCL27A1)、脂肪酸合成蛋白(FABP5)和线粒体β氧化涉及蛋白(CPT1A、ACSM3、ACADVL、ETFB和ECHS1)来增加脂肪酸利用。而催化不可逆/或限速步骤的糖酵解酶明显下调。
作者利用靶向脂质组学分析小鼠血浆和肿瘤区室(GFP+MC38肿瘤细胞和肿瘤间质液TIF)内脂质组成,发现HFD组血浆和TIF中脂质利用率显著变化、且两者存在正相关,表明TIF成分主要反映了循环内脂质水平。进一步分析发现,甘油三酯(TAG)和甘油二脂(DAG)在TIF显著富集,而在血浆中无富集。接着,作者测量了肿瘤裂解液和心脏中脂蛋白脂肪酶(LPL)活性,发现其在肿瘤微环境中活性升高。以上提示HFD肿瘤富含脂质微环境,具有局部脂肪酶活性,促进肿瘤细胞摄取。
图4. 蛋白水平分析证实HFD肿瘤细胞增强了脂肪酸的摄取和氧化
为检验肿瘤细胞中PHD3(肥胖组癌细胞中表达降低)表达是否调节游离脂肪酸(FFA)的局部可用性,作者利用靶向代谢组学测量MC38肿瘤血浆和TIF中FFA。结果显示FHD增加了包括棕榈酸和油酸(C16:0和C18:1)在内的许多FFA循环水平,且TIF中局部FFA水平发生下降。提示FFA在HFD肿瘤TME中具有独特作用,局部的代谢重编程会影响FFA利用率。
动物实验:肿瘤细胞PDH3过表达促进CD8+T细胞增殖
PHD3,被证实在正常细胞中抑制脂肪过度活化的蛋白质。为确定改变MC38肿瘤细胞中PHD3表达是否影响CD8+ T细胞对肿瘤控制,作者对CD或HFD小鼠注射了EV转导的PHD3-OE MC38肿瘤细胞。结果显示,PHD3过表达降低了HFD组肿瘤吸收脂肪的能力,恢复了TME中关键游离脂肪酸的可用性。此外,PHD3过表达显著增加了HFD组肿瘤组织中CD8+ T细胞浸润,进而影响肿瘤生长。然而,在CD8+T细胞缺失小鼠中,PHD3过表达对肿瘤生长无显著影响。随后,作者进一步又分析了人类肿瘤数据库,发现PHD3的低表达与“冷”肿瘤(免疫细胞减少)相关。进一步证明,肿瘤脂肪代谢的重要性,即肥胖降低了机体对多种癌症的肿瘤免疫反应。
图5. 调节Phd3表达增加HFD期间CD8+T细胞的浸润并降低肿瘤生长动力学
小编小结
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