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【Cell Metabolism】联合免疫治疗的负面作用:降低CD8 T细胞活性-其他-智连星医
2022年6月,来自澳大利亚沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所的Kate D. Sutherland团队在Cell Metabolism发表题为 Glutaminase inhibition impairs CD8 T cell activation in STK11-/Lkb1-deficient lung cancer 的文章,该团队利用KEAP1和LKB1共突变小鼠模型研究了KRAS突变型肺腺癌的代谢,发现KRAS/LKB1共突变(KL)会导致谷氨酸和谷氨酰胺酶增加。并且在KL模型中,谷氨酰胺酶抑制剂(CB-839)联合免疫治疗(PD-1/PD-L1)可导致CD8 T细胞克隆扩增减少以及细胞毒性降低。

肿瘤微环境 (TME)含有丰富的营养物质,可支持细胞生长和促进肿瘤的发展。TME中的葡萄糖和谷氨酰胺 (Gln)对发挥抗肿瘤功能的效应性T细胞的发育和激活是必不可少的。诸如免疫检查点抑制的免疫疗法可以释放T细胞抗肿瘤功能,尽管许多实体肿瘤对其反应良好,但相当大比例的患者并未受益。其中就包括一些肺腺癌患者。KRAS是肺腺癌中最常见的突变基因,为了更好地了解KRAS突变的肺腺癌,人们研究了频繁共突变的肿瘤抑制基因TP53 (KRAS/TP53)、CDKN2A (KRAS/CDKN2A)、KEAP1(KRAS/KEAP1)、LKB1 (KRAS/LKB1),鉴定了KRAS突变疾病的不同亚群。在KRAS突变肺腺癌患者中,KEAP1和LKB1共突变与免疫治疗反应减弱有关。为了研究KRAS突变肺腺癌的代谢和免疫微环境,该团队建立了反映这些患者的KEAP1和LKB1共突变格局的小鼠模型,并发现LKB1缺乏的TME中谷氨酸丰度的增加与CD8 T细胞抗PD-1的反应有关。联合应用谷氨酰胺酶抑制剂CB-839可抑制CD8 T细胞的克隆性增殖和活化。因此,谷氨酰胺酶抑制对抗PD-1免疫治疗激活的CD8 T细胞产生负面影响。
为了研究KRAS共突变KEAP1和LKB1对肺腺癌代谢和TME的影响,该团队在KRAS突变的背景下构建了一组转基因小鼠模型,包括LKB1/KEAP1联合缺失(KKL),LKB1缺失(KL)以及KEAP1缺失(KK),来反映不同患者的肿瘤基因突变情况。三种缺失均能缩短KRAS突变小鼠的生存时间(图一A)。但是KEAP1和LKB1都是细胞关键代谢通路的上游,因此为了研究三种肿瘤的相关代谢物,该团队又对肿瘤组织进行了代谢组学研究,主成分分析显示,这三类基因型的肿瘤代谢物是不同的,并且可以进行聚类(图一B),其中KL肿瘤和KK肿瘤中检测到的代谢物明显不同。重要的是,只有KL肿瘤中谷氨酸(Glu)显著升高,这意味着KL肿瘤可能对Glu有特定依赖性。该团队进一步发现KL肿瘤中谷氨酰胺酶(GLS1)活性增加(图二)。这说明Gln被迅速利用以产生Glu以满足柠檬酸循环。


图一A:针对不同突变体的生存分析图。B: 在不同突变体中通过主成分分析(PCA)比较稳定代谢物。C: 三种突变体中差异丰度前200的代谢物。

图二: GLS1的mRNA在KK、KL和KKL肿瘤中的表达。

葡萄糖和Gln的利用率对于静息T细胞的激活至关重要。为了研究不同Gln对TME中的免疫细胞浸润和激活的影响,该团队对在指定时间点收集的肺肿瘤进行了免疫分析。尽管KEAP1/LKB1突变型肿瘤被认为是免疫冷肿瘤(指免疫浸润较少),但在KK,KL缺陷型肿瘤中免疫细胞的相对丰度增加,表明有免疫反应发生(图三)。另外与其他肿瘤模型相比,KL肿瘤中颗粒酶和干扰素基因表达增加,表明高Glu的 TME中CD8 T细胞的活化可能增加。

图三A:KK、KL和KKL肿瘤小鼠肺组织中CD45+免疫细胞的定量。B:流式细胞术定量检测WT、KK、KL、KKL肿瘤小鼠肺CD8 T细胞上PD-1的表达。

研究人员对KL小鼠进行了谷氨酰胺酶抑制剂(CB-839)和抗-PD-1免疫治疗的联合治疗。结果发现,在单独使用抗PD-1的KL小鼠的肺中发现了显著的CD8 T细胞克隆型扩张,而CB-839的联用反而阻断了活化诱导的CD8 T细胞的扩增,克隆型多样性的改变也几乎不存在(图四)这表明谷氨酰胺酶的抑制损害了TME中CD8 T细胞的活化和克隆型扩增。

图四:KL小鼠肺浸润性CD8 T细胞的TCR克隆分析(克隆型频率是TME中抗原识别和CD8 T细胞增殖的有力指标,克隆型频率越高,代表T细胞活化程度越高)

总而言之,KL突变的肺腺癌中谷氨酸和谷氨酰胺酶升高。在KL模型中,谷氨酰胺酶抑制联合免疫治疗在体内无效,导致CD8 T细胞细胞毒性作用和克隆性增殖能力降低。


2019年1月,来自美国Dana-Farber 癌症研究所肿瘤内科的David A. Barbie团队在Cancer Discovery上发表题为Suppression of STING Associated with LKB1 Loss in KRAS-Driven Lung Cancer的研究性论文。该团队发现,KRAS驱动的肺癌经常使TP53和/或LKB1失活,定义了具有新兴临床意义的肿瘤亚类。具体来说,KL突变的肺癌特别具有侵略性,缺乏PD-L1,并且对免疫检查点阻断治疗的反应很差。而LKB1的缺失导致了STING表达明显沉默,对胞浆DNA传感通路不敏感,进而促进了免疫逃逸和肿瘤微环境的形成。这种影响至少部分是由与S-腺苷酸(SAM)水平升高有关的DNMT1和EZH2活性过度激活所介导的,并由DNMT1上调所加强。STING在KL细胞中的异位表达使TBK1下游的IRF3和STAT1信号参与进来,并损害了细胞的健康。

简评 

     肺癌中可以经常观察到高突变负荷和较强的免疫渗透,理应对免疫检查点治疗反应良好,但只有20%的非小细胞肺癌患者可以从中受益,这说明探索非小细胞肺癌新机理和应用到治疗上的必要性。KL肿瘤因为缺少STING,因此PD-L1表达量较少,对抗PD-1/PD-L1治疗有抵抗性。且KL肺腺癌的TME中富含谷氨酰胺酶和谷氨酸。尽管谷氨酰胺酶过表达导致的代谢异常是某些癌症(如肾癌)的主要标志之一,但由于CD8 T细胞效应功能的损害,联合谷氨酰胺酶抑制剂与抗PD-1治疗被证明在KL肿瘤中是无效的。这为以后评估谷氨酰胺酶抑制剂联合疗法的应用提供了新的见解。

---Lu Jianzhang


原文链接:

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35504291/

参考文献: 

1. Best, S. A., Gubser, P. M., Sethumadhavan, S., Kersbergen, A., Negrón Abril, Y. L., Goldford, J., Sellers, K., Abeysekera, W., Garnham, A. L., McDonald, J. A., Weeden, C. E., Anderson, D., Pirman, D., Roddy, T. P., Creek, D. J., Kallies, A., Kingsbury, G., & Sutherland, K. D. (2022). Cell Metabolism, Glutaminase inhibition impairs CD8 T cell activation in STK11-/Lkb1-deficient lung cancer. Cell metabolism, 34(6), 874–887.e6.

2. Kitajima, S., Ivanova, E., Guo, S., Yoshida, R., Campisi, M., Sundararaman, S. K., Tange, S., Mitsuishi, Y., Thai, T. C., Masuda, S., Piel, B. P., Sholl, L. M., Kirschmeier, P. T., Paweletz, C. P., Watanabe, H., Yajima, M., & Barbie, D. A. (2019). Cancer Discovery, Suppression of STING Associated with LKB1 Loss in KRAS-Driven Lung Cancer.

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