《Cell》揭秘：高脂飲食引起的肥胖，如何影響腫瘤生長

文獻(xiàn)精讀

通過對5周齡的C57BL/6J進(jìn)行高脂飲食飼養(yǎng)，與正常飲食的對照組（CD）進(jìn)行對比。

高脂飲食組的小鼠，體重明顯增加，并表現(xiàn)出與肥胖相關(guān)的系統(tǒng)性代謝變化。

隨后，對HFD和CD小鼠注射了MC38結(jié)直腸腺癌細(xì)胞，以建立結(jié)直腸腺癌細(xì)胞。同時研究了其他三種腫瘤模型生長動力學(xué)：B16黑色素瘤、肺癌細(xì)胞（LLC）、E0771乳腺腫瘤。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

• 高免疫原性原位E0771乳腺腫瘤在HFD動物中生長較快；

• 而中等免疫原性B16黑色素瘤腫瘤在HFD動物中生長速度適度增加；

• 免疫原性較差的LLC腫瘤生長速度不隨飲食而改變。

為了探究 CD 動物腫瘤生長速度的降低是否是由于 T 細(xì)胞的控制，研究人員將 MC38 腫瘤植入 T 細(xì)胞受體 a 鏈敲除 (TCRa-KO) 小鼠中。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

• HFD與CD 的 TCRa-KO 小鼠中 ，MC38 腫瘤的生長速率沒有差異。

• 腫瘤生長速率沒有發(fā)生飲食依賴性的變化。

綜上所述：

HFD誘導(dǎo)的代謝改變通過限制抗腫瘤CD8+ T細(xì)胞的反應(yīng)來增加MC38腫瘤的生長。

為了搞清楚HFD喂養(yǎng)是如何改變MC38腫瘤的免疫格局的，研究人員使用流式細(xì)胞術(shù)對植入后10-14天腫瘤中腫瘤浸潤的免疫細(xì)胞群進(jìn)行了分析，此時腫瘤體積相似。

結(jié)果：

• 在HFD腫瘤中，我們觀察到淋巴細(xì)胞室的巨大變化：HFD MC38腫瘤中CD8+ T細(xì)胞占CD45+白細(xì)胞浸潤的比例更低。

• 計數(shù)CD45+白細(xì)胞和CD8+T細(xì)胞相對于腫瘤細(xì)胞的數(shù)量：HFD小鼠白細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的比值降低，CD8+ T細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的比值降低。

為了研究HFD對腫瘤中CD8+ T細(xì)胞活性和功能的影響，實(shí)驗(yàn)人員還檢測了T細(xì)胞功能的標(biāo)志物。

結(jié)果：

• HFD小鼠的CD8+腫瘤浸潤淋巴細(xì)胞(TILs)增殖較低。

• HFD CD8+ TILs中表達(dá)共刺激受體ICOS的比例較小。

• HFD中表達(dá)PD-1的CD8+ TILs較少。

• CD8+ TILs表達(dá)的共刺激受體和共抑制受體水平都降低了，這與活化降低相一致。

• 與CD相比，CD8+ TILs在HFD時表達(dá)的細(xì)胞溶解分子顆粒酶B (GZMB)更少，表明功能降低。

• HFD并沒有改變CD8+ T細(xì)胞產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子干擾素γ (IFNg)和腫瘤壞死因子α (TNF-a)的能力，但增加了IL-2的產(chǎn)生。

研究人員分析了飲食敏感的E0771乳腺腫瘤和B16-RFP-OVA黑色素瘤模型中，關(guān)鍵T細(xì)胞功能標(biāo)記物的表達(dá)。

結(jié)果：

• 發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)T細(xì)胞存在類似的功能缺陷。HFD腫瘤中CD8+ T細(xì)胞GZMB和PD-1的表達(dá)明顯降低，而B16-OVA中CD8+ T細(xì)胞浸潤減少，E0771腫瘤中CD8+ T細(xì)胞浸潤減少，但E0771腫瘤中CD8+ T細(xì)胞浸潤減少

• 相比之下，在BALB/cJ小鼠的CT26腫瘤中，CD8+ T細(xì)胞浸潤和功能沒有隨HFD改變。因此，在許多(但不是所有)飲食敏感的腫瘤模型中，HFD降低了腫瘤T細(xì)胞的功能。

• CD8+ T細(xì)胞增殖和狀態(tài)的變化是體內(nèi)HFD環(huán)境特有的，似乎不涉及T細(xì)胞激活的內(nèi)在缺陷。

接下來，使用CD和HFD MC38腫瘤中腫瘤浸潤C(jī)D45+白細(xì)胞的單細(xì)胞RNA-seq，繪制腫瘤免疫轉(zhuǎn)錄圖。

這確定了16個不同的細(xì)胞群，HFD組小鼠淋巴細(xì)胞顯著減少，而免疫抑制髓細(xì)胞群體的相對比例沒有變化。

結(jié)果：

• CD腫瘤白細(xì)胞中富集的KEGG特征包括糖代謝(果糖/甘露糖代謝、糖酵解/糖異生、半乳糖代謝和肌糖磷酸鹽代謝)以及氧化還原途徑(半胱氨酸和蛋氨酸代謝和磷酸戊糖途徑)。

• 來自HFD腫瘤的白細(xì)胞富含參與脂肪和膽固醇代謝(糖鞘磷脂生物合成、類固醇生物合成、脂肪酸代謝和TCA循環(huán))、葉酸生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸相互轉(zhuǎn)化的多種途徑。

• 在HFD中CD8+ til表達(dá)PD-1的減少，在16個簇中有9個簇中CD顯著富集了糖異生，并且在多個簇中HFD顯著富集了脂肪酸代謝。

綜上所述：

單細(xì)胞圖譜顯示，TME中的免疫細(xì)胞在對HFD的反應(yīng)中經(jīng)歷了獨(dú)特的代謝適應(yīng)，而T細(xì)胞的差異是獨(dú)特的，它們顯示了主要中央碳代謝途徑的表達(dá)改變。

對于腫瘤細(xì)胞殺傷，CD8+ T細(xì)胞需要直接的細(xì)胞-細(xì)胞接觸和充足的代謝資源。

因此，研究人員試圖了解肥胖是否會影響TME中TILs的位置，以及腫瘤中T細(xì)胞的位置是否與腫瘤內(nèi)代謝生態(tài)位的變化有關(guān)。

使用循環(huán)免疫熒光技術(shù)(CyCIF)繪制了TME中細(xì)胞的位置和狀態(tài)。

結(jié)果：

• HFD腫瘤中CD8+ T細(xì)胞的含量較少，并進(jìn)一步揭示T細(xì)胞不集中于腫瘤邊緣，這是T細(xì)胞排斥的標(biāo)志。

• 代謝標(biāo)志物和細(xì)胞狀態(tài)標(biāo)志物的表達(dá)隨細(xì)胞類型和整個TME的變化。糖酵解標(biāo)志物(GLUT1, PKM2和LDH)的表達(dá)在腫瘤中是不均勻的。

• 免疫細(xì)胞群和GLUT1或ACO2高表達(dá)腫瘤區(qū)域之間的重疊區(qū)域測量結(jié)果顯示：GLUT1-和aco2高區(qū)由蛋白表達(dá)確定，與任何特定的細(xì)胞類型無關(guān)。

• CD8+ T細(xì)胞和CD4+ T細(xì)胞與GLUT1的歸一化重疊在HFD腫瘤中減少。與CD相比，CD8+ T細(xì)胞在HFD腫瘤中明顯被排除在GLUT1高區(qū)域之外。

綜上所述：

盡管CD8+ T細(xì)胞在HFD腫瘤中存在，數(shù)據(jù)表明，高脂飲食改變了腫瘤內(nèi)代謝生態(tài)位的相互作用，并影響了局部T細(xì)胞浸潤模式。

CD8+ T細(xì)胞依賴于許多與腫瘤細(xì)胞相同的燃料來源和代謝途徑來支持增殖、生存和效應(yīng)功能。

為了研究飲食如何影響腫瘤內(nèi)不同類型細(xì)胞的代謝重編程，科研人員從CD或HFD喂養(yǎng)的小鼠第12天起，對在dLN中的GFP+ MC38腫瘤細(xì)胞、CD8+ tilTIL和CD8+ T細(xì)胞進(jìn)行了大量RNA-seq測序。通過比較來自腫瘤和dLN的CD8+ T細(xì)胞，確定了TME特異性的基因表達(dá)模式。

結(jié)果：

• 只有4個基因統(tǒng)計學(xué)意義的差異表達(dá)，其中3個基因參與脂肪合成或膽固醇代謝:ELOVL6、DGAT1和LDLRAP1。

• Phd3(脯氨酸羥化酶-3，也稱為Egln3)和Nmnat2在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)顯著降低，這是飲食誘導(dǎo)肥胖的基因發(fā)生顯著變化的最主要原因。

• 通過qPCR證實(shí)，在晚期(第23天)的腫瘤裂解液中，Phd3 mRNA的表達(dá)隨HFD降低。相比之下，CD8+TIL中Phd3的表達(dá)沒有變化。

• HFD腫瘤細(xì)胞整體表現(xiàn)出促進(jìn)FAO的基因表達(dá)的變化(圖5G)，但CD8+TIL中不存在這些變化。HFD可能以犧牲局部CD8+ T細(xì)胞為代價，重新編程腫瘤細(xì)胞的代謝。

• 與CD8+TIL相比，在MC38腫瘤細(xì)胞中，糖酵解基因的轉(zhuǎn)錄水平隨著HFD的降低趨向于更大程度的降低。

• 腫瘤細(xì)胞和CD8+TIL對高脂代謝系統(tǒng)應(yīng)激的代謝適應(yīng)(包括脂肪代謝的改變)存在差異。

為了監(jiān)測CD8+ til和腫瘤細(xì)胞的脂質(zhì)儲存情況，使用LipidTOX染色檢測中性脂質(zhì)積累。

結(jié)果：

• D8+ til和MC38腫瘤細(xì)胞在兩種飲食中含有相似水平的中性脂質(zhì)。

  
  

為了測試飲食是否會改變脂肪酸攝取，使用bodipy標(biāo)記的棕櫚酸酯(C16-BODIPY)測量了體內(nèi)棕櫚酸酯內(nèi)流。

結(jié)果：

• 來自HFD小鼠的腫瘤細(xì)胞比CD腫瘤細(xì)胞攝入更多的脂肪酸。

• 推斷腫瘤固有脂肪利用的改變可能會影響CD8+ T細(xì)胞在相同微環(huán)境下的脂肪攝取。

• 飲食并沒有改變dLN中CD8+ T細(xì)胞的基線棕櫚酸鹽攝取，來自HFD喂養(yǎng)的小鼠的CD44+ CD8+TIL從培養(yǎng)基中獲得的棕櫚酸鹽少于CD小鼠。B16-OVA-RFP和E0771腫瘤也是如此。

• 腫瘤和CD8+ T細(xì)胞似乎以不同的方式重組它們的代謝:腫瘤細(xì)胞適應(yīng)并增加脂肪酸的利用，而CD8+ T細(xì)胞則不會。

綜上所述：

腫瘤細(xì)胞對脂肪酸攝取的增強(qiáng)可能使T細(xì)胞在TME中失去脂肪酸。

為了獲得對腫瘤細(xì)胞適應(yīng)HFD的更深入的分子理解，使用基于串聯(lián)質(zhì)量標(biāo)記(TMT)的定量蛋白質(zhì)組學(xué)方法，比較了從CD或HFD腫瘤中分離出來的GFP+腫瘤細(xì)胞的蛋白質(zhì)組學(xué)。

結(jié)果：

• 脂肪酸代謝和氧化磷酸化是HFD腫瘤細(xì)胞中最豐富的途徑之一。

• 與CD相比，HFD患者IFNg反應(yīng)降低，這可能與CD8+ T細(xì)胞浸潤減少有關(guān)。

• HFD通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SLC27A1)、脂肪酸結(jié)合蛋白(FABP5)和參與線粒體β -氧化的蛋白(CPT1A、ACSM3、ACADVL、ETFB和ECHS1)支持腫瘤中脂肪利用的其他機(jī)制。

綜上所述：

HFD MC38腫瘤細(xì)胞重組代謝以增加脂肪酸攝取和氧化。

由于脂肪氧化信號在HFD腫瘤細(xì)胞中高度富集，我們進(jìn)行了靶向脂質(zhì)組學(xué)來測量HFD對循環(huán)和TME中脂質(zhì)水平的影響。

結(jié)果：

• 所有脂質(zhì)分析的CD和HFD中TIF與血漿的比值之間都存在很強(qiáng)的正相關(guān)，表明TIF的組成主要反映了循環(huán)中的脂質(zhì)水平

• DAG和TAG水平是CD和HFD小鼠TME的主要差異。

• HFD腫瘤含有富含脂質(zhì)的微環(huán)境，具有促進(jìn)細(xì)胞攝取的局部脂肪酶活性。
  

利用基于串聯(lián)質(zhì)粒標(biāo)記(TMT)的定量蛋白質(zhì)組學(xué)方法，比較了從CD和HFD中分離的GFP+腫瘤細(xì)胞。

結(jié)果：

• 脂肪酸代謝和氧化磷酸化是HFD腫瘤細(xì)胞中最豐富的途徑之一。

• 與CD相比，HFD患者IFNγ反應(yīng)降低，可能與CD8+ T細(xì)胞浸潤減少有關(guān)。

• 揭示了HFD通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SLC27A1)、脂肪酸結(jié)合蛋白(FABP5)和參與線粒體-氧化的蛋白(CPT1A、ACSM3、ACADVL、ETFB和ECHS1)在腫瘤中支持脂肪利用的其他機(jī)制。

• 相比之下，HFD下調(diào)了催化不可逆和/或限速步驟的糖酵解酶。

• 與脂肪合成相關(guān)的蛋白沒有明顯的變化，而幾種TCA循環(huán)蛋白的表達(dá)隨著HFD的增加而增加。

• HFD MC38腫瘤細(xì)胞重組代謝以增加脂肪酸攝取和氧化。

科研人員測試了改變MC38細(xì)胞中PHD3的表達(dá)是否會影響CD8+ T細(xì)胞對腫瘤的控制。

結(jié)果：

• HFD中CD8+T細(xì)胞缺失，腫瘤周圍或腫瘤內(nèi)CD8+T細(xì)胞定位無明顯變化。PHD3在HFD中過表達(dá)顯著增加了CD8+ T細(xì)胞浸潤。

科研人員還研究了PHD3過表達(dá)對體內(nèi)腫瘤生長的影響。

結(jié)果：

• 在CD小鼠中，PHD3的異位表達(dá)不會改變腫瘤生長動力學(xué)；在HFD中，與EV對照組相比，MC38 PHD3-OE腫瘤生長減少。

• PHD3-OE對TCRa - ko小鼠在HFD上的腫瘤生長沒有影響，這表明PHD3-OE MC38細(xì)胞并沒有比對照MC38細(xì)胞有內(nèi)在的生長減少。

• 雖然PHD3- oe降低了用同型對照抗體治療的HFD小鼠的腫瘤生長速度，但PHD3表達(dá)狀態(tài)對CD8+ T細(xì)胞耗盡小鼠的腫瘤生長速度沒有影響。

綜上所述：

維持MC38腫瘤細(xì)胞中PHD3的高表達(dá)可改善HFD小鼠的抗腫瘤T細(xì)胞反應(yīng)，并減輕HFD對抗腫瘤免疫的影響。多項(xiàng)證據(jù)表明hfd誘導(dǎo)的腫瘤局部代謝重組改變了燃料分配，并降低了TME中的抗腫瘤免疫。

為了探索肥胖是否會改變?nèi)祟惢颊叩哪[瘤代謝狀況，我們分析了在公共領(lǐng)域的癌癥基因組圖譜(TCGA)上可用的結(jié)腸腺癌(COAD) RNA seq數(shù)據(jù)集和相應(yīng)的BMI數(shù)據(jù)。

結(jié)果：

• 在BMI為R30 kg/m2的肥胖患者腫瘤中，PHD3的表達(dá)顯著降低(圖7N和S7K)，而PHD1和PHD2的表達(dá)則不顯著。

• 與COAD患者的正常組織相比，癌組織中PHD3的表達(dá)降低。

• 嚴(yán)重肥胖患者的腫瘤中CD8+ T細(xì)胞浸潤減少。

• PHD3下調(diào)發(fā)生在人類癌癥中，并與免疫力下降相關(guān)。