第四节　肿瘤微环境的代谢

代谢是细胞维持能量平衡、结构功能和信号交流的重要基础。CRC在发生发展过程中，不仅肿瘤细胞自身会发生代谢重编程，表现出与正常细胞不一样的代谢特征。肿瘤微环境内的其他细胞，如各种免疫细胞和基质细胞等，也会受到各类信号如缺氧和低pH的调节，代谢途径发生改变并影响这些细胞的生物学功能，进而影响CRC的发生发展。

一、CRC肿瘤微环境的整体代谢特征

CRC肿瘤微环境的代谢特征由肿瘤细胞自身和肿瘤微环境内其他各种细胞的相互作用联合驱动。一方面，肿瘤细胞通过内在机制激活信号分子，这些信号分子直接调节代谢酶的活性和代谢物的产生，从而改变微环境内其他细胞的代谢过程。另一方面，各种外源性信号包括微环境内各种因子或代谢物，可以反过来进一步调控肿瘤细胞的代谢途径。了解肿瘤微环境内驱动细胞代谢的内在和外在机制对于肿瘤的防治非常重要。下面主要介绍CRC肿瘤微环境的整体代谢特征和形成原因（图4-4-1）。

（一）缺氧

众所周知，氧气是生命活动不可或缺的，组织细胞长期暴露在缺氧环境时，会产生不可逆的损伤。在实体肿瘤中，由于肿瘤细胞的快速分裂、血管生成不足和血液流动异常等原因，肿瘤组织内不同区域氧浓度差异很大，很多区域处于缺氧状态。缺氧与肿瘤的恶化、不良预后、放疗和化疗的耐药性等相关。缺氧是肿瘤微环境的一个重要特征，通过激活HIF-1的合成，促进癌细胞合成VEGF、碱性成纤维细胞生长因子等，最终促进肿瘤血管的形成及肿瘤发展和恶化。在结直肠炎患者中发现NAIL基因通过核转录因子-κB（nuclear factor-κB，NF-κB）调节炎症，并且NF-κB和HIF信号通路在介导炎症发生过程中相互作用。另外有研究显示，缺氧会导致CRC对5-氟尿嘧啶的化疗敏感性降低。在缺氧条件下CRC细胞也会发生氨基酸代谢的改变。miR-210作为一种缺氧生物标志物，靶向miR-21和氨基酸代谢途径可能提供CRC的治疗策略。

（二）低pH

由于肿瘤细胞会优先利用糖酵解而不是氧化磷酸化来获得能量，因此肿瘤微环境呈现酸性（低pH）状态。肿瘤细胞以葡萄糖作为底物，诱导葡萄糖受体启动糖酵解级联反应，称为厌氧糖酵解。这种代谢变化导致肿瘤细胞内乳酸增加，与此同时细胞内的H+扩散转运至细胞间质，引起肿瘤微环境内pH降低。低pH环境促进免疫抑制性微环境的形成，帮助肿瘤细胞产生免疫逃逸。目前科学家基于肿瘤微环境呈现酸性的特点，开发了选择性抗体及CAR-T细胞治疗技术，可以增加抗体和CAR-T对肿瘤组织的靶向性，降低对正常组织的毒性。

（三）营养物质（葡萄糖、氨基酸等）缺乏

肿瘤细胞快速消耗大量葡萄糖和氨基酸等，导致细胞外营养物质含量降低，并进而影响肿瘤微环境内其他细胞的代谢和功能。例如，肿瘤微环境内营养物质缺乏会抑制细胞毒性T细胞的mTOR活性、糖酵解能力和IFN-γ的产生，从而削弱其抗肿瘤活性。在CRC细胞中，利用抗体封锁免疫检查点，能够下调糖酵解代谢酶和糖酵解反应，从而增加肿瘤微环境中葡萄糖的可利用性并协助细胞毒性T细胞发挥作用。因此，通过阻断癌细胞对葡萄糖的摄取，并将更多的葡萄糖供给浸润的T细胞，可以恢复抗肿瘤T细胞的抗肿瘤反应。另外，Treg细胞为了在肿瘤微环境的低糖条件下存活，也会发生代谢重编程，能够依赖叶酸氧化和氧化磷酸化。

肿瘤细胞对精氨酸的利用也会增加，导致微环境内精氨酸的含量减少。充足的精氨酸诱导整体代谢的变化，促进中央记忆T细胞的产生，而精氨酸的限制则抑制效应T细胞的功能。补充精氨酸和抑制精氨酸降解是恢复效应T细胞功能的有效策略。正常细胞可通过自身合成产生谷氨酰胺，但肿瘤细胞依靠自身合成的谷氨酰胺不能满足其快速增殖的需要，需要通过膜上转运体从胞外摄入谷氨酰胺或增强谷氨酰胺代谢通路中关键代谢酶的表达与活性，以维持细胞快速增殖的需要。抑制谷氨酰胺代谢的中间产物对信号转导通路的调节或抑制谷氨酰胺的摄入，可以作为肿瘤治疗的潜在方式。

二、CRC肿瘤微环境内主要细胞群的代谢特征及功能变化

由于肿瘤微环境代谢状态的改变，微环境内的肿瘤细胞和其他细胞既存在营养竞争，又有代谢途径之间的互相调控，例如免疫细胞可以利用多条代谢途径促进肿瘤细胞的生长。另外科学家也发现，肿瘤细胞与免疫细胞的代谢途径之间以及不同免疫细胞的代谢途径之间，既存在相似处又存在很大差异，深入了解这些差异可以特异地针对肿瘤细胞的代谢开展肿瘤治疗。下面主要介绍CRC肿瘤微环境内主要细胞群的代谢特征及由此引起的功能变化（图4-4-2）。

（一）MDSC的代谢

骨髓来源的造血干细胞可分化为未成熟的髓样细胞，然后分化为单核细胞和粒细胞。但是在肿瘤等病理情况下，持续的炎症信号使未成熟的髓样细胞偏离正常分化，与生理分化的髓样细胞相比，这些细胞具有表型和形态不成熟，吞噬功能较弱，以及抗炎和免疫抑制等特点，这种异质细胞群体称为MDSC。越来越多的证据表明，MDSC是恶性肿瘤的基本特征之一，也是肿瘤治疗的潜在靶点。在人类和小鼠中主要存在两大类MDSC，即前述的PMN-MDSC和M-MDSC。CRC患者血液和肿瘤组织中MDSC的数量均高于健康个体，这种升高与CRC的肿瘤分期及其恶性转移有关。MDSC能够抑制自体T细胞的体外增殖。将MDSC阻断后，会促进T细胞功能恢复和IFN-γ分泌，抑制肿瘤进展。

肿瘤微环境中营养物质和氧气的缺乏迫使免疫细胞改变其代谢，以适应这种环境。MDSC通过选择最有效的代谢途径来感知环境并做出反应，以维持其免疫抑制和促肿瘤功能。PMN-MDSC内脂肪酸转运蛋白2（fatty acid transport protein 2，FATP2）调控脂肪酸的摄取和PGE2的合成。通过抑制FATP2的活性能够降低PMN-MDSC的免疫抑制功能。M-1α是肿瘤微环境中MDSC分化和功能调节的关键因子，激活HIF-1α诱导MDSC从氧化磷酸化向糖酵解转变。另外，MDSC可以通过从微环境中去除精氨酸、色氨酸和半胱氨酸等必需代谢产物来调节T细胞功能。通过一氧化氮合酶2（nitric oxide synthase 2，NOS2）介导的精氨酸分解代谢是MDSC的一个关键抑制机制，其释放的过氧亚硝酸盐可诱导T细胞凋亡以及抑制T细胞功能。吲哚胺2，3-双加氧酶（indoleamine-2，3-dioxygenase，IDO）依赖的色氨酸代谢是MDSC抑制免疫应答的另一个途径。MDSC通过IDO将色氨酸分解为N-甲酰基犬尿氨酸，从而降低微环境内色氨酸的水平。

（二）TAM的代谢

TAM是CRC肿瘤微环境中最具代表性的炎症细胞之一，TAM的高度浸润与CRC患者生存率有关。TAM还分泌支持肿瘤生长的抗炎细胞因子和生长因子，以及调节组织重塑和肿瘤扩张的蛋白水解酶。M1TAM和M2型TAM的精氨酸代谢方式不同，M1型TAM通过上调NOS2表达以产生瓜氨酸和一氧化氮来实现精氨酸代谢。M2型TAM通过精氨酸酶1（arginase 1，Arg1）产生尿素、多胺和鸟氨酸。

TAM能够被肿瘤微环境所影响，获得不同的代谢和功能特征，从促炎（M1型）状态转变为抗炎（M2型）状态。M1型TAM通过AKT/mTOR/HIF途径诱导糖酵解，产生MAPK介导的ROS以杀伤肿瘤细胞。另一方面，肿瘤细胞利用有氧糖酵解，将葡萄糖分解并分泌乳酸，诱导TAM中的VEGF和Arg1表达，使其向M2型TAM极化。活化的M2型TAM通过提取、分解或储存脂肪细胞释放的游离脂肪酸以合成甘油三酯并发生脂质代谢重编程。此外，TAM中过氧化物酶体增殖体激活受体γ通路的下调导致衣康酸盐分泌增加，衣康酸盐可调节M2巨噬细胞并促进肿瘤进展。

（三）T细胞的代谢

CD4+和CD8+效应T细胞形成了抗肿瘤免疫反应的关键细胞群。幼稚T细胞在识别抗原提呈和共刺激因子的信号后，进行增殖及代谢重塑反应。很早的研究已经发现有氧糖酵解的上调是T细胞活化的标志，最近也有研究发现三羧酸循环代谢和氧化磷酸化上调也是CD4+和CD8+T细胞活化的关键。三羧酸循环代谢在T细胞激活后的24小时内被上调，有氧糖酵解的上调更为迅速，发生在激活后6小时内。

HIF-1的转录活性均在T细胞的活化过程中上调，进而引起糖代谢重编程。HIF-1通过转录调控，促进糖酵解相关酶（如丙酮酸激酶、己糖激酶2和葡萄糖转运蛋白1）的表达上调。糖酵解途径中来自近端代谢产物的途径也是T细胞活化和功能的组成部分。磷酸戊糖途径代谢促进6-磷酸葡萄糖生成NADPH和5-核糖。在CD4+T细胞激活后，进入磷酸戊糖途径的葡萄糖显著增加。磷酸戊糖途径是NADPH的主要来源途径，也是新激活的CD8+T细胞中脂肪酸和质膜生成所必需。NADPH对于T细胞内的氧化还原稳态的维持也至关重要。激活的T细胞内的ROS水平需要精细调控，ROS在效应T细胞的活化中起着重要作用，已被证明可促进CD4+和CD8+T细胞中活化T细胞核因子依赖性的IL-2表达。另一条起源于早期糖酵解反应的途径是己糖胺生物合成途径（hexosamine-biosynthesis pathway，HBP），是糖基化底物的主要细胞来源，HBP依赖于葡萄糖和谷氨酰胺的代谢，并且对它们发生反应。HBP的主要底物UDP-N-乙酰基葡萄糖胺对于效应CD4+和CD8+T细胞的扩增和功能至关重要。

活化的T细胞也依赖于氨基酸代谢来支持蛋白质和核苷酸的合成。氨基酸转运蛋白，包括SLC7A5、SLC38A1、SLC38A2和SLC1A5等在T细胞激活后被明显上调。氨基酸代谢可以直接调控T细胞的功能，例如，亮氨酸是效应CD8+和CD4+ T细胞中mTORC1信号转导、效应功能和分化所必需。活化的T细胞还可以快速代谢精氨酸，外源性精氨酸的补充改善T细胞的适应性并增加记忆T细胞的生成。丝氨酸、色氨酸和半胱氨酸也是T细胞反应的重要营养成分，是抗肿瘤免疫反应的重要介质。色氨酸是一种必需氨基酸，在肿瘤微环境中是决定T细胞反应强度和有效性的重要因素。与正常培养基相比，在不含色氨酸的培养基中，T细胞的增殖和活化受到强烈抑制。

活化的T细胞还可以重新编程脂质代谢，促进脂质合成和胆固醇摄取，这对细胞膜的合成至关重要，这一过程分别由固醇调节元件结合蛋白1（sterol regulatory element-binding protein 1，SREBP1）和SREBP2介导。缺少SREBP1和SREBP2活性的小鼠中，CD8+ T细胞的增殖、代谢重编程和抗病毒活性都被抑制。此外，在CD8+ T细胞体外活化和扩增过程中，细胞膜中的胆固醇含量受乙酰辅酶A乙酰转移酶1（acetyl coenzyme A acetyltransferase 1，ACAT1）调节。在过继转移小鼠肿瘤模型中，ACAT1基因敲除的CD8+ T细胞中细胞质膜胆固醇增加，改善了T细胞受体聚集和信号转导，从而促进细胞增殖，增强对肿瘤的杀伤力，通过抑制ACAT1的活性可以增强小鼠的抗肿瘤作用。

（四）CAF的代谢

不同于正常成纤维细胞，CAF能够通过调节细胞外基质和产生促肿瘤信号分子，促进肿瘤生长、侵袭和转移。抑制异柠檬酸脱氢酶3复合物α亚基（isocitrate dehydrogenase 3α，IDH3α）能够使细胞从氧化磷酸化代谢途径转变到糖酵解代谢途径。与正常成纤维细胞相比，CRC肿瘤内CAF的IDH3α表达显著降低。IDH3α的下调减少α-酮戊二酸的生成，从而减少向延胡索酸盐和琥珀酸盐的转化并抑制脯氨酰羟化酶2，稳定HIF-1α和驱动糖酵解途径，因此增加CAF中乳酸的产生。

此外，研究发现某些代谢途径在CAF和肿瘤细胞中不同。例如，在癌细胞中，谷氨酰胺抑制细胞凋亡和自噬，同时线粒体活性增加，而在CAF中观察到较低的线粒体活性依赖的自噬增加。CAF中的脂质代谢重编程还促进CRC细胞的迁移。研究发现，与正常成纤维细胞相比，CAF中的脂肪酸、甘油二酯、磷脂酸、磷脂酰肌醇、溶血磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺显著上调，伴有较高的脂肪酸和磷脂代谢水平。CAF代谢重编程使脂肪酸合成增加，促进CRC细胞中脂肪酸摄取并增强上皮-间充质转换和肿瘤转移。总之，癌细胞和CAF之间的代谢途径存在紧密的相互调控。

三、肿瘤微环境的代谢对CRC发生和进展的影响

CRC属于实体恶性肿瘤，肿瘤内部不仅包含CRC细胞，还包含基质细胞、免疫细胞、内皮细胞及细胞外基质和信号分子，如趋化因子、细胞因子和外泌体等。CRC细胞的新陈代谢受到它们所处微环境的高度影响，因此需要将研究重点从“仅肿瘤细胞”转变到更复杂的网络系统，包括微环境内不同类型的细胞和非细胞成分等。下面主要介绍肿瘤微环境的代谢对CRC发生和进展的影响。

（一）肿瘤微环境的代谢状态影响CRC进展

肿瘤微环境由不同类型的细胞组成并且调控肿瘤进展。例如，内皮细胞和基质细胞可帮助维持肿瘤生长，而细胞毒性T细胞抑制肿瘤进展，Treg细胞又通过抑制细胞毒性T细胞以维持肿瘤生长。一碳代谢、糖酵解和TCA循环等通路不仅对肿瘤细胞的增殖非常重要，而且对肿瘤微环境中内皮细胞、基质细胞、免疫细胞生存和功能发挥也至关重要。因此，肿瘤细胞与肿瘤微环境内的其他类型细胞存在营养竞争。例如，肿瘤微环境内某些氨基酸代谢可能被限制，包括精氨酸、色氨酸、丙氨酸、丝氨酸和甘氨酸，它们不仅是肿瘤细胞增殖所必需的，也是细胞毒性T细胞功能维持所必需的。另外，营养匮乏引起肿瘤细胞自噬增加，自噬除了帮助肿瘤细胞在营养缺乏时生存，还帮助增加肿瘤微环境的免疫抑制作用。

此外，肿瘤微环境中不同类型细胞之间也存在代谢相互调控，这是肿瘤细胞在不利条件下持续生长的策略。脂质作为细胞膜的结构成分、信号分子和能量提供者，是细胞生命活动所必需的。在侵袭性CRC细胞中检测到大量脂质，这与CRC细胞中脂肪生成上调一致。据报道，脂肪酸代谢途径异常可推动肿瘤的发展和进展，与CRC患者的预后不良相关。目前有研究表明，由MPC1和MPC2基因产物组成的线粒体丙酮酸载体（mitochondrial pyruvate carrier，MPC）调节丙酮酸氧化。MPC1在多种癌症中缺失或表达不足，与癌症预后不良相关。重新表达MPC1和MPC2的癌细胞线粒体丙酮酸氧化增加，而重新表达MPC会增加线粒体丙酮酸氧化，并损害CRC细胞的非锚定生长。CRC细胞在肿瘤微环境中表现出代谢异质性，即一些癌细胞表现出低MPC的厌氧糖酵解，而其他癌细胞则使用高MPC的氧化磷酸化产生腺嘌呤核苷三磷酸。这种异质性使得肿瘤生态系统中癌细胞和宿主细胞之间的共生代谢交换成为可能。

（二）通过改变肿瘤微环境的代谢来防治CRC的研究进展

CRC细胞通过肿瘤微环境成分的活化及信号通路和代谢物的改变来支持其不受控制的增殖、转移和耐药性。靶向肿瘤微环境中失调的代谢状态并干预其串扰可能为CRC提供治疗机会。

在“反向瓦尔堡效应”中，CAF是肿瘤微环境中最重要的基质细胞，它们进行有氧糖酵解，产生乳酸盐并将其释放到肿瘤微环境中以促进肿瘤细胞的氧化磷酸化。这种CAF供给肿瘤细胞乳酸的方式可以被单羧酸转运蛋白MCT1/MCT4抑制剂来抑制。CAF对肿瘤细胞谷氨酰胺的供给，也可以通过抑制谷氨酰胺合成酶作为靶向治疗的一种方式。

肿瘤微环境中免疫细胞的功能在很大程度上受到肿瘤发展过程中代谢重编程的影响，导致抗肿瘤免疫反应受损，因此修复受损的免疫系统可以成为靶向治疗的策略。免疫检查点蛋白PD-1和CTLA-4是T细胞抗肿瘤活性的负调节因子。PD-1与其配体PD-L1之间的相互作用影响代谢途径，导致肿瘤微环境中T细胞衰竭。在CRC动物模型中发现，使用针对CTLA-4的单克隆抗体阻断CTLA-4可以增强抗肿瘤免疫力。通过基因工程和抗体治疗阻断PD-1不仅抑制CRC细胞的生长，还抑制了它们向肺部的转移。几种靶向PD-1的单克隆抗体，如哌姆单抗（pembrolizumab）和纳武单抗（nivolumab）被FDA批准用于治疗具有转移性的CRC。然而，免疫检查点治疗的效率可能受到肿瘤微环境中代谢失调的限制。因此，将靶向免疫检查点与肿瘤微环境的代谢相结合，可以改善治疗效果。例如，组合谷氨酰胺酶1（glutaminase 1，GLS1）抑制剂与PD-1和PD-L1抗体，能够通过抑制CRC中代谢检查点，逆转T细胞衰竭，从而增强抗肿瘤的效果。目前已有初步研究表明，谷氨酰胺酶抑制剂CB-839和免疫检查点抑制剂纳武单抗（nivolumab）的组合效果良好。因此，代谢调控与免疫治疗相结合，可能会为CRC患者提供新的治疗机会。

（李培山）