腾讯新闻2023-06-11 19:54:27
导读
结直肠癌 (Colorectal cancer, CRC) 是世界范围内诊断频率最高、致死率最高的癌症之一，为各个国家的公共卫生带来了沉重的负担。因此，寻找预防和减少结直肠癌癌变的新策略至关重要。
二甲双胍是一种广泛用于治疗 2 型糖尿病的药物。前期有研究表明，二甲双胍可抑制小鼠结直肠癌的发生。二甲双胍还是一种很有前景的预防结直肠癌的药物，因为它降低了息肉切除术后腺瘤或息肉的复发率和数量。此外，二甲双胍还可以通过增加细胞毒性 T 淋巴细胞的活性来增强免疫治疗的效果。因此，有必要去探索二甲双胍介导的结直肠癌发生中免疫特征重组的潜在机制。
(资料图片)
近日，来自上海交通大学的熊华团队在Cancer Research杂志发表了题为 Metformin reprograms tryptophan metabolism to stimulate CD8+ T cell function in colorectal cancer 的文章，在这项研究中，他们探究了二甲双胍是如何调节肠道免疫细胞多样性及其代谢活动。结果发现，二甲双胍治疗重塑了 CRC 的免疫景观，特别是扩大了 CD8+ T 细胞的比例并增强了它们的功能。进一步的研究发现，二甲双胍重编程了 CRC 肿瘤微环境 (TME) 细胞的色氨酸代谢，通过恢复 CD8+ T 细胞对色氨酸的获取而增加其细胞毒性。
总之，这项工作强调了二甲双胍作为 T 细胞抗肿瘤免疫的重要调节剂，提示它可能是治疗结直肠癌的潜在免疫治疗策略。
图片来源：Cancer Research
主要研究内容
二甲双胍处理改变了结直肠的免疫环境
为了研究二甲双胍对结直肠肿瘤发生中其免疫微环境的影响，研究人员对二甲双胍处理的 APCmin/+小鼠结肠组织中的未分类细胞和 CD45 阳性的免疫细胞进行了单细胞转录组分析。分析结果显示，与对照组相比，二甲双胍组 T 细胞和 B 细胞显著扩增，上皮细胞、先天淋巴样细胞 (ILC)、NK 细胞和髓样细胞比例减少。
为了进一步阐明免疫细胞群的改变，他们首先关注肿瘤中占主导地位的免疫细胞类型 T 细胞，它在抗肿瘤免疫中起着核心作用。进一步的细化分析显示，与对照组相比，二甲双胍组 CD8+ T 细胞比例增加，CD4+ T 细胞比例降低。此外，二甲双胍还增加了巨噬细胞、pDCs、cDC1s 和肥大细胞的比例，同时减少了中性粒细胞的比例。总的来说，这些数据表明，二甲双胍可能通过调节结直肠免疫微环境来抑制结直肠肿瘤的发生。
图片来源：Cancer Research
二甲双胍重编程结肠直肠 TME 中的色氨酸代谢
为了全面了解 CRC 微环境的代谢谱，研究人员使用代谢相关通路的基因集对 APCmin/+小鼠的整体细胞类型进行了基因集富集分析。发现在给药小鼠的 CD8+ T 细胞、CD4+ T 细胞和上皮细胞中，氨基酸代谢和核苷酸代谢高度富集。有趣的是，他们发现二甲双胍对氨基酸水平的影响有显著差异。
随后，他们探讨了二甲双胍在单细胞水平上改变代谢活动的细节。首先，他们使用 2752 个具有既定代谢功能的基因对所有细胞进行重新聚类分析，共鉴定出 11 个亚群。在对每个亚群进行基因集富集分析后，将这些亚群分别定义为氨基酸代谢、糖酵解、脂质代谢和氧化磷酸化四组。值得注意的是，氨基酸亚群显著富集色氨酸代谢，而未检测到其他氨基酸的富集。这些结果表明，在二甲双胍治疗后，色氨酸代谢在结直肠 TME 中主要被重编程。后续的分析也提示二甲双胍可抑制结直肠 TME 中上皮细胞的色氨酸代谢，反而促进 CD8+ T 细胞色氨酸代谢。
总之，在结直肠癌 TME 中，色氨酸代谢在 CRC 细胞中增强，在 CD8+ T 细胞中被抑制，不过这种现象可以被二甲双胍逆转。
图片来源：Cancer Research
二甲双胍通过抑制 CRC 细胞对色氨酸的竞争来恢复 CD8+ T 细胞的功能
基于上述发现，研究人员假设 CRC 细胞和 CD8+ T 细胞竞争色氨酸，而这种竞争则可能被二甲双胍抑制。后续的实验结果也的确表明二甲双胍显著降低了 6 种 CRC 细胞系的细胞内色氨酸浓度。与此相一致，二甲双胍还降低了 CRC 细胞中色氨酸的消耗及其代谢。
为了进一步研究二甲双胍是否可以通过抑制肿瘤色氨酸消耗来抑制 CRC 细胞对 CD8+ T 细胞的竞争，他们进行了共培养实验，结果发现二甲双胍降低了 CRC 细胞中的色氨酸浓度，但增加了 CD8+ T 细胞中的色氨酸浓度。
为了研究二甲双胍对 CD8+ T 细胞功能的影响，首先，他们使用单细胞转录组测序数据对二甲双胍处理 APCmin/+小鼠的 CD8+ T 细胞进行了富集分析。结果显示，二甲双胍增强了 CD8+ T 细胞的功能，而对髓系细胞功能却没有影响。进一步的实验结果发现二甲双胍增加了共培养体系中 CD8+ T 细胞中干扰素 g(IFN-g)、肿瘤坏死因子 a(TNF-a) 和颗粒酶 B 的产生。此外，二甲双胍还增加了异种移植肿瘤 CD8+ T 细胞中颗粒酶 B、IFN-g 和 TNF-a 的产生。
这些数据表明，二甲双胍可能通过抑制 CRC 细胞对色氨酸的竞争来促进 CD8+ T 细胞的细胞毒性。
图片来源：Cancer Research
二甲双胍通过下调 SLC7A5 抑制 CRC 细胞色氨酸摄取
为了进一步探索二甲双胍抑制 CRC 细胞对色氨酸竞争的机制，他们重点研究了色氨酸摄取的调节。色氨酸摄取转运体包括 SLC7A5、SLC1A5、SLC3A2 和 SLC36A4。他们发现在四种转运蛋白中，SLC7A5 在结直肠癌上皮细胞中与正常结肠相比表达上调最为显著，提示 SLC7A5 可能在结直肠癌细胞中发挥重要作用。
随后的数据显示，二甲双胍下调了 Slc7a5 的 mRNA 表达，但对 Slc1a5、Slc36a4 和 Slc3a2 的 mRNA 表达没有显著影响。二甲双胍还降低了 CRC 细胞系中 SLC7A5 的 mRNA 和蛋白水平。但是，在人 CD8+ T 细胞中并未检测到色氨酸转运蛋白表达的显著变化。SLC7A5 在肿瘤和 CD8+ T 细胞中表达的差异调节表明，二甲双胍可能通过 SLC7A5 抑制 CRC 细胞与 T 细胞争夺色氨酸，后续的实验也的确证实了这一结果。
图片来源：Cancer Research
最后，他们还进一步探讨了二甲双胍控制 SLC7A5 表达的分子机制。通过数据分析，他们共确定了三个转录因子 (MYC、TRIB3 和 NRF1)。其中，MYC 的统计学显著性最强，后续的一系列实验数据表明，二甲双胍的确是通过 MYC 降低 CRC 细胞中 SLC7A5 的表达。
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结语
综上所述，在这项工作中，研究人员通过单细胞转录组测序分析，发现二甲双胍重塑了结直肠癌的免疫微环境。进一步的代谢分析表明，二甲双胍重编程了肿瘤微环境中的色氨酸代谢。机制层面上，他们发现二甲双胍通过下调 MYC，进而抑制 CRC 细胞的色氨酸摄取，从而导致色氨酸转运体 SLC7A5 的减少。
总之，该研究首次发现二甲双胍可以通过抑制肿瘤细胞与 CD8+ T 细胞竞争色氨酸，从而在结肠直肠癌发生发展中驱动免疫介导的抗肿瘤作用。
图片来源：Cancer Research
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参考文献
1. Huang X, et al. Metformin reprograms tryptophan metabolism to stimulate CD8+ T cell function in colorectal cancer. Cancer Res. 2023 May 17:CAN-22-3042.
2. Collaborators, Gbd 2019 Colorectal Cancer. Global, regional, and national burden of colorectal cancer and its risk factors, 1990-2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet Gastroenterol Hepatol 2022;7:627-647.
3. Leone, R. D., Powell, J. D. Metabolism of immune cells in cancer. Nat Rev Cancer 2020;20:516-531
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