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癌症「代谢检查点」抑制剂横空出世!

作者:小D|2020年07月16日| 浏览:2554

癌症免疫治疗又取得重大突破。

只不过这一次,让免疫治疗飞的是一个小分子化合物。

今天,约翰霍普金斯大学医学院Jonathan D. Powell团队,在顶级期刊《科学》杂志发表重要研究成果[1]。

他们发现,阻断谷氨酰胺代谢的小分子化合物JHU083,能搅乱肿瘤的代谢,让肿瘤的“瓦博格效应”瘫痪,逆转肿瘤微环境的缺氧、多酸和缺营养状态,解除肿瘤微环境的免疫抑制能力

除此之外,这个小分子还能重编程T细胞的代谢方式,直接(是的,是直接,不需要肿瘤的刺激)激活T细胞,让T细胞的寿命更长,促进记忆T细胞的形成


▲ Jonathan D. Powell(右,图源:约翰霍普金斯医学院)

也就是说,JHU083兼具破坏肿瘤微环境和激活免疫系统的功能。说的再明白点儿,JHU083既能破除肿瘤对免疫检查点抑制剂的耐药性,又能靠自身实力激活T细胞杀死癌细胞。

作者认为,这个研究暴露了癌细胞和T细胞在代谢可塑性上,存在一种不为人知的巨大差异

作者还给这个治疗方法取了个洋气的名字“代谢检查点”抑制剂

那么这个代谢检查点抑制剂是如何诞生的?抗癌效果如何?背后又有什么神奇的机制呢?

接下来咱们就一个问题一个问题地唠。


▲ 论文首页

如果说肿瘤是个邪恶的城堡,那么微环境就是它的护城河。

低氧、酸性,还缺少营养物质的肿瘤微环境,对肿瘤来说是个逍遥自在的法外之地,对于免疫细胞来说却是个九死一生的不毛之地[2,3]。

免疫治疗对很多患者无效,肿瘤微环境“功不可没”。

而肿瘤微环境的形成,有赖于肿瘤特殊的代谢方式,也就是大家所熟知的“瓦博格效应 ”[4]。

用一句话总结的话,那就是:肿瘤特殊的代谢方式,塑造了促进肿瘤生长,且能抑制免疫系统的肿瘤微环境。

要想消灭肿瘤,瞄准肿瘤的代谢是一个重要的方式。


▲ 图源:Science

这个方法应该从瓦博格发现肿瘤代谢异常没多久之后,就有科学家想到了。

科学家注意到,由于在肿瘤中葡萄糖是通过糖酵解的方式代谢成乳酸,因此谷氨酰胺可以促进三羧酸循环[5,6],生成代谢中间体,用以合成脂质、蛋白质和核酸等对细胞生长和增殖至关重要的物质

因此,很多科学家就推测,阻断谷氨酰胺代谢,说不定就能抑制肿瘤的生长,甚至能够解除肿瘤对免疫系统的压制。大家首先想到的就是搞定谷氨酰胺酶,遗憾的是效果不太行[7,8]。因为一直在进化的肿瘤,总会绕过这个靶点,很容易就耐药。

唯一的办法就是全面阻断谷氨酰胺代谢,也就是同时抑制多种与谷氨酰胺代谢有关的酶,DON(6-Diazo-5-oxo-L-norleucine)就是这样一个化合物[9]。

遗憾的是,虽然DON确实展现出了非凡的抗肿瘤效果,但是它的毒性也大到难以承受[10-12],毕竟肿瘤的代谢方式和正常细胞很多地方是一样的。


▲ DON长这样

为了避免DON的全身毒性,Powell团队给DON做了一些改造,把它变成一种“前药”。这个“前药”需要进入肿瘤微环境,经过特殊酶的处理,才能变回DON,这样就能降低谷氨酰胺代谢途径抑制剂的毒性了。

如此一来JHU083就诞生了


▲ JHU083长这样

从理论上讲,这个设计是没有什么问题的。那JHU083的抗癌效果究竟如何呢?真没有毒副作用吗?

Powell团队在结肠癌MC38、淋巴瘤EL-4、结肠癌CT26和黑色素瘤B16这四个癌细胞系中,做了深入研究。在小鼠身上分别接种4种癌细胞之后,注射JHU083抗癌效果良好,所有类型的小鼠存活率都显著提高。而且抗癌效果还非常持久(请默默记住)

通过代谢分析,研究人员发现,谷氨酰胺代谢抑制剂JHU083抑制了葡萄糖通过三羧酸循环和糖酵解等方式代谢。

不仅是正常的代谢乱了,肿瘤依赖的“瓦博格效应 ”居然也瘫痪了

随之而来的是,肿瘤内的谷氨酰胺和葡萄糖含量显著上升,肿瘤的缺氧状态也显著改善了。JHU083不仅切断了肿瘤的能量,还改造了肿瘤微环境,把“不毛”之地,变成了“富庶”之地。


▲ JHU083处理后,肿瘤微环境变好了

既然JHU083改善了肿瘤微环境,研究人员第一个想到的应用自然就是:联合免疫治疗啊!!

从上面的结果看来,JHU083肯定能提升免疫治疗效果,说不定还能解除肿瘤对免疫治疗的耐药。

研究人员毫不犹豫地选用了对PD-1抑制剂耐药的MC38。

不过这个时候,给药的方式让研究人员犹豫了一下。是一起给药,还是按照先用JHU083,再用PD-1抑制剂?毕竟T细胞的代谢过程也与癌细胞相通呀[13]。搞不好,PD-1抑制剂好不容易拯救的T细胞,又被JHU083整挂了。

于是他们把两种给药方式都试了。你猜结果如何。

让研究人员大吃一惊。

无论如何也没想到,JHU083和PD-1抑制剂同时给药效果最好。原本对PD-1抑制剂完全没反应的MC38,在JHU083和PD-1抑制剂同时使用时,接种MC38的小鼠完全缓解率接近100%


▲ JHU083+PD-1抑制剂效果不错

这个结果让研究人员有了一个意外的发现,虽然谷氨酰胺代谢会促进淋巴细胞的增殖,以及增强淋巴细胞的活性;但是现在看来,抑制谷氨酰胺代谢,不仅不会对免疫细胞有负面作用,反而可以增强免疫细胞的功能。再结合前面发现的JHU083单药治疗会让小鼠获得持久的抗肿瘤效果。

以上种种都暗示,JHU083可能还是个免疫治疗药物啊

研究人员很快就在小鼠体内证实了这一点。而且,JHU083单药的抗肿瘤活性完全依赖于CD8+ T细胞。也就是说,JHU083仅通过影响肿瘤和T细胞的代谢,增强了免疫系统的抗癌能力。


▲ JHU083靠的是CD8+ T

那么JHU083究竟让CD8+ T细胞发生了哪些变化呢?

首先,Powell团队证实,JHU083治疗之后,肿瘤中CD8+ T细胞浸润增加,这应该是肿瘤微环境改善后的结果。而且,这些肿瘤浸润T细胞中,有抗原特异性的占比较多

然后,他们分别从接受JHU083治疗和没有接受JHU083治疗的小鼠体内分离出CD8+ 肿瘤浸润T细胞。然后做了RNA测序。发现二者之间,有4313个基因的表达存在显著差异

仔细一分析,很容易就发现,接受JHU083治疗的小鼠,CD8+ 肿瘤浸润T细胞的转录组表现出,增殖能力增强、抗癌活性增强、不耗竭等特点。还有PD-1和LAG-3这俩免疫检查点双阳性的T细胞比例低IFNγ升高、颗粒酶B和IL-2等抗癌物质升高等特点此外,研究人员还观察到,与长寿记忆T细胞相关的基因表达升高,与凋亡有关的基因表达显著降低

更让研究人员意外的是,即使在没有肿瘤细胞存在的情况下,JHU083也会激活T细胞发生上述大部分反应。竟然也不依赖于肿瘤细胞的刺激,真是完全独立了。


▲ JHU083处理后,各种指标改善很明显

以上的研究成果其实已经很激动人心了。毕竟是发现了一个能同时破坏肿瘤微环境,增强T细胞抗癌效果的药物。

不过,看到以上的研究成果,一个更大的疑问萦绕在研究人员的脑海。

JHU083发挥做用的方式就是影响代谢,那么它对癌细胞和T细胞的影响为啥差别那么大呢?

为了解决这个问题,研究人员做了超级复杂的实验。要把实验过程说清楚,我怕还得2000字,所以此处就省略研究过程,只说结论。

结论就是,对于癌细胞而言,糖酵解、氧化磷酸化和谷氨酰胺代谢之间的依赖关系,严重缺乏可塑性,只要一处乱了,就彻底完了。这是不是有点儿像黑帮,一处乱了,就彻底乱了。

T细胞就不一样了,它的代谢可塑性非常强。谷氨酰胺代谢被阻断之后,立马会发生适应性代谢重编程,进而增强生存、增殖和抗癌技能

最后,我再来总结一下。

Powell团队这次是发现了一个既能改变肿瘤微环境,又能直接增强免疫细胞抗癌效果的小分子药物。我们可以说它就是一个免疫治疗方式,而且自带改造肿瘤微环境的能力。

 

 

参考资料:

[1].Robert D. Leone, Liang Zhao, Judson M. Englert, et al. Glutamine blockade induces divergent metabolic programs to overcome tumor immune evasion[J]. Science, 2019.

[2].Zhao E, Maj T, Kryczek I, et al. Cancer mediates effector T cell dysfunction by targeting microRNAs and EZH2 via glycolysis restriction[J]. Nature immunology, 2016, 17(1): 95.

[3].Chang C H, Qiu J, O’Sullivan D, et al. Metabolic competition in the tumor microenvironment is a driver of cancer progression[J]. Cell, 2015, 162(6): 1229-1241.

[4].Vander Heiden M G, Cantley L C, Thompson C B. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation[J]. science, 2009, 324(5930): 1029-1033.

[5].Pavlova N N, Thompson C B. The emerging hallmarks of cancer metabolism[J]. Cell metabolism, 2016, 23(1): 27-47.

[6].Altman B J, Stine Z E, Dang C V. From Krebs to clinic: glutamine metabolism to cancer therapy[J]. Nature Reviews Cancer, 2016, 16(10): 619.

[7].Davidson S M, Papagiannakopoulos T, Olenchock B A, et al. Environment impacts the metabolic dependencies of Ras-driven non-small cell lung cancer[J]. Cell metabolism, 2016, 23(3): 517-528.

[8].Gross M, Chen J, Englert J, et al. Glutaminase inhibition with CB-839 enhances anti-tumor activity of PD-1 and PD-L1 antibodies by overcoming a metabolic checkpoint blocking T cell activation[C]//Cancer Research. 615 CHESTNUT ST, 17TH FLOOR, PHILADELPHIA, PA 19106-4404 USA: AMER ASSOC CANCER RESEARCH, 2016, 76.

[9].Pinkus L M. [45] Glutamine binding sites[M]//Methods in enzymology. Academic Press, 1977, 46: 414-427.

[10].Lemberg K M, Vornov J J, Rais R, et al. We’re not “DON” yet: optimal dosing and prodrug delivery of 6-Diazo-5-oxo-L-norleucine[J]. Molecular cancer therapeutics, 2018, 17(9): 1824-1832.

[11].Lynch G, Kemeny N, Casper E. Phase II evaluation of DON (6-diazo-5-oxo-L-norleucine) in patients with advanced colorectal carcinoma[J]. American journal of clinical oncology, 1982, 5(5): 541-543.

[12].Earhart R H, Amato D J, Chang A Y C, et al. Phase II trial of 6-diazo-5-oxo-L-norleucine versus aclacinomycin-A in advanced sarcomas and mesotheliomas[J]. Investigational new drugs, 1990, 8(1): 113-119.

[13].Frauwirth K A, Riley J L, Harris M H, et al. The CD28 signaling pathway regulates glucose metabolism[J]. Immunity, 2002, 16(6): 769-777.

 

本文仅供医学药学专业人士阅读

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