Cell Metabolism:PHGDH介导的内皮代谢驱动胶质母细胞瘤对嵌合抗原受体T细胞免疫疗法的耐药性

原文题目：PHGDH-mediated endothelial metabolism drives glioblastoma resistance to chimeric antigen receptor T cell immunotherapy

通讯作者：Yi Fan

隶属单位：宾夕法尼亚大学放射肿瘤学系

DOI：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.01.010

异常的血管微环境形成病理生理屏障，阻碍肿瘤内T细胞运输，并使实体瘤对基于T细胞的免疫疗法耐药。肿瘤脉管系统的特征是结构和功能明显异常，主要是由于过多的血管生长和发芽，这阻碍了T细胞递送到肿瘤中。此外，异常脉管系统诱导异质性缺氧并形成免疫敌对微环境，抑制T细胞存活和活性，并诱导肿瘤对基于T细胞的免疫疗法（包括嵌合抗原受体（CAR）-T疗法）耐药。因此，靶向肿瘤内皮细胞（ECs）以改善T细胞血管递送和活化可能作为癌症治疗的新兴策略。然而，目前主要针对VEGF的抗血管疗法对血管正常化的影响很小，在治疗大多数恶性癌症方面具有短暂的益处。

图 1 代谢组学和转录组学分析可识别肿瘤 EC 中丝氨酸代谢和 PHGDH 表达的改变

最近的研究表明，内皮代谢紊乱会诱发EC功能障碍，并在病理条件下（包括炎症，糖尿病和癌症）破坏血管稳态。特别是，内皮代谢可以调节肿瘤血管和免疫抑制，作为重新布线肿瘤血管微环境以改善癌症免疫治疗的潜在替代靶标。胶质母细胞瘤（GBM）是人类最常见和最具侵袭性的恶性原发性脑肿瘤。GBM的特点是血管突出和血管异常异常，具有微血管增生的诊断特征。GBM肿瘤对细胞毒性治疗和抗血管生成治疗具有高度耐药性。

此外，GBM对基于T细胞的免疫疗法也难治，包括CAR修饰T细胞的过继细胞转移，主要是由于异常脉管系统产生免疫敌对微环境，抑制T细胞浸润，活力和活化。在这里，研究人员的代谢组学分析与人和小鼠肿瘤来源EC的批量和单细胞转录组分析相结合，确定磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）的应激诱导表达，PHGDH是一种催化从头丝氨酸生物合成中承诺步骤的酶，驱动GBM中异常的内皮代谢和血管萌芽。重要的是，PHGDH的遗传和药理消融修剪了过度萌芽的肿瘤脉管系统，缓解了瘤内缺氧，激活了抗肿瘤T细胞免疫，并改善了小鼠GBM模型中的CAR T免疫治疗。因此，靶向PHGDH介导的内皮代谢可能为改善实体瘤中的CAR T免疫治疗提供独特的机会。

图2 单细胞和体积RNA-seq揭示了PHGDH对肿瘤EC中细胞增殖的关键和选择性作用

通过过继淋巴细胞移植实施实体瘤免疫治疗的一个主要挑战是异常的肿瘤脉管系统阻碍淋巴细胞的输送和浸润到肿瘤中，并产生缺氧肿瘤微环境，破坏这些淋巴细胞的活力和活性。因此，使用CAR工程T细胞进行免疫治疗显示出治疗实体瘤（包括GBM）的前景;然而，它在临床上遇到了重大的治疗困难，主要是由于T细胞浸润和激活肿瘤有限，特别是对于那些免疫惰性肿瘤，如GBM。

因此，靶向异常肿瘤脉管系统代表了改善免疫治疗的新兴策略。在这项研究中，研究人员对人和小鼠肿瘤EC的代谢组学和转录组分析将PHGDH确定为GBM内皮代谢和血管异常的病理特异性调节因子。PHGDH的遗传和药理消融修剪了过度发芽的肿瘤脉管系统，增强了肿瘤中的T细胞募集和活化，并使GBM对CAR T免疫疗法敏感，这可能是由于（1）改善了T细胞的血管递送，（2）缓解了肿瘤缺氧，以及（3）减少了血管壁龛中免疫抑制EC代谢物的产生，所有这些都促进了T细胞浸润和活化（图7由于缺乏脑肿瘤浸润内源性T细胞，PHGDH抑制的单药治疗不能诱导强大的治疗效果，但其与大量CAR-T细胞的输注相结合可能诱导足够的T细胞浸润以驱动抗肿瘤作用。这些发现表明，代谢重编程肿瘤ECs，其加入遗传EC重编程，可作为重新布线肿瘤血管微环境以改善癌症免疫治疗的有希望的策略。此外，研究人员建议通过PHGDH抑制使脉管系统结构正常化和缓解肿瘤缺氧也可以改善药物递送并使肿瘤对细胞毒性治疗敏感，从而改善肿瘤对分子靶向治疗和放疗/化疗的反应。内皮代谢最近被认为是EC功能、血管稳态和发芽血管生成的驱动力或关键调节因子，在EC中发现了不同的代谢途径，包括糖酵解，脂肪酸氧化和谷氨酰胺代谢。

图 3 PHGDH 调节氧化还原稳态和糖酵解碳通量以调节肿瘤 EC 中的增殖

与糖酵解对EC代谢和功能的优先和必要作用一致，糖酵解的关键调节因子6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3（PFKFB3）的遗传损失或药理学阻断抑制EC增殖和迁移，减少炎症和组织损伤的生理和病理条件下的血管萌芽，以及使肿瘤血管正常化并损害转移。引人注目的是，研究人员的结果表明，PHGDH抑制可减少糖酵解，葡萄糖衍生碳向丙酮酸的通量减少（-60%;图3M）和肿瘤EC中的乳酸（-30%至50%;图3C和3M），表明PHGDH至少部分通过调节糖酵解来调节EC增殖和血管发芽。最近的一项优雅研究表明，PHGDH通过合成血红素来维持正常EC中的线粒体呼吸和体内平衡，以维持线粒体呼吸和体内平衡，从而减少氧化应激。根据这些发现，研究人员的研究表明，PHGDH对于维持肿瘤EC中氧化还原平衡的GSH生物合成和NADH产生至关重要。有趣的是，补充GSH，而不是血红素，可以挽救PHGDH抑制的肿瘤EC中的细胞增殖（图3H），这表明在肿瘤条件下具有病理特异性作用。研究人员的工作揭示了PHGDH在内皮代谢介导的血管异常和肿瘤缺氧中的核心作用，这抑制了T细胞浸润到肿瘤中。此外，PHGDH还诱导EC产生乳酸和2-HG，这两种代谢物抑制T细胞的细胞毒性功能，有助于形成免疫抑制血管生态位和肿瘤对CAR T免疫疗法的耐药性。

图4 ATF4在肿瘤样条件下诱导EC中的PHGDH表达

作为癌细胞中经常上调的代谢途径，丝氨酸代谢产生从头合成合成代谢的核苷酸前体和维持氧化还原稳态的GSH所需的碳单元，促进癌细胞增殖和肿瘤生长。同样，研究人员的工作揭示了PHGDH表达通过肿瘤微环境应激和VEGF诱导的ATF4激活在肿瘤EC中上调，驱动EC增殖和血管发芽。PHGDH在癌细胞中始终表现出拷贝数增加和ATF4 / NRF2介导的转录。鉴于NADH的产生以支持氧化反应和生物质合成是PHGDH介导的丝氨酸生物合成和细胞增殖的代谢限制，研究人员的数据显示，PHGDH调节细胞NAD/NADH比率并诱导平衡的氧化还原状态，有助于糖酵解中的碳通量，这表明存在潜在的前向反馈回路，可驱动肿瘤EC中NAD（H）的产生，中心碳通量和丝氨酸代谢。支持研究人员的发现，最近的一项研究表明，PHGDH抑制破坏了肿瘤细胞中枢碳代谢（如糖酵解和TCA循环）内的质量平衡。PHGDH对中心碳代谢的调节可能是由于PHGDH下游的转氨反应将谷氨酸转化为α-KG以推动肿瘤细胞中的TCA循环;然而，研究人员的结果表明，补充α-KG无法挽救PHGDH抑制诱导的表型，这表明PHGDH调节肿瘤EC中TCA周期的难以捉摸的机制。研究人员的工作确立了PHGDH在GSH合成和NADH生产中的综合作用，以维持氧化还原平衡，这是驱动EC中能量和生物质生产的优先糖酵解所必需的，此外它还在丝氨酸/甘氨酸代谢后的核苷酸合成中的作用，两者都促进血管生长和癌症的发芽。

图 6PHGDH 抑制修剪肿瘤血管系统并改善 GBM 中的 T 细胞浸润和活化

总之，研究人员的工作揭示了PHGDH在GBM中扰动的内皮代谢，异常血管形成和抑制性T细胞免疫的必要作用。研究人员建议，当与其他能够通过抑制T细胞耗竭和/或通过刺激T细胞在肿瘤微环境中的T细胞活化来增加T细胞持久性的免疫治疗方法结合使用时，可以通过PHGDH抑制增强T细胞递送和激活来进一步提高与PHGDH抑制增强T细胞递送和激活相关的治疗效果。因此，靶向PHGDH介导的内皮代谢可能为修复肿瘤血管免疫微环境和改善治疗实体瘤的免疫疗法提供独特的机会。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.01.010

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X教授，脂糖代谢实验室/重庆市重大代谢性疾病转化医学重点实验室，主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人；中国侨界(创新人才)贡献奖获得者；美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员；Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目3项（国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项），省部级课题2项；发表通讯作者SCI 论文5篇；获得中华医学会科研奖励1项；培养博士1人，硕士16人。疾病转化医学重点实验室，主任、教授、博士生导师、内分泌与代谢学科带头人；重庆市生物化学与分子药理学重点实验室PI、脂糖代谢实验室实验室执行主任。中国侨界(创新人才)贡献奖获得者；美国内分泌学会高级会员、美国生理学会、美国糖尿病协会会员；Journal of Neuroendocrinology等期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目3项（国家自然科学基金重点项目1项、面上项目2项）。

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L教授，医院病理科主任、博士生导师、病理学科带头人；重庆市中青年骨干教师，霍英东青年教师奖获得者；USCAP会员，国际老年痴呆协会会员，中国神经科学学会会员，多个国内外期刊审稿专家。近五年，主持国家级项目4项（国家自然科学基金面上项目3项、青年基金项目1项），省部级课题3项；发表通讯作者SCI 论文二十余篇；培养博士1人，硕士23人，曾作为访问学者、访问教授分别留学加拿大、美国。

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