《Cell》揭秘：高脂飲食引起的肥胖，如何影響腫瘤生長

文獻精讀

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

高脂飲食組的小鼠，體重明顯增加，并表現出與肥胖相關的系統性代謝變化。

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

結果發現：

• 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 細胞的控制，研究人員將 MC38 腫瘤植入 T 細胞受體 a 鏈敲除 (TCRa-KO) 小鼠中。

結果發現：

• 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生飲食依賴性的變化。

綜上所述：

HFD誘導的代謝改變通過限制抗腫瘤CD8+ T細胞的反應來增加MC38腫瘤的生長。

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

結果：

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

• 計數CD45+白細胞和CD8+T細胞相對于腫瘤細胞的數量：HFD小鼠白細胞與腫瘤細胞的比值降低，CD8+ T細胞與腫瘤細胞的比值降低。

為了研究HFD對腫瘤中CD8+ T細胞活性和功能的影響，實驗人員還檢測了T細胞功能的標志物。

結果：

• HFD小鼠的CD8+腫瘤浸潤淋巴細胞(TILs)增殖較低。

• HFD CD8+ TILs中表達共刺激受體ICOS的比例較小。

• HFD中表達PD-1的CD8+ TILs較少。

• CD8+ TILs表達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時表達的細胞溶解分子顆粒酶B (GZMB)更少，表明功能降低。

• HFD并沒有改變CD8+ T細胞產生炎癥細胞因子干擾素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，關鍵T細胞功能標記物的表達。

結果：

• 發現腫瘤內T細胞存在類似的功能缺陷。HFD腫瘤中CD8+ T細胞GZMB和PD-1的表達明顯降低，而B16-OVA中CD8+ T細胞浸潤減少，E0771腫瘤中CD8+ T細胞浸潤減少，但E0771腫瘤中CD8+ T細胞浸潤減少

• 相比之下，在BALB/cJ小鼠的CT26腫瘤中，CD8+ T細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細胞的功能。

• CD8+ T細胞增殖和狀態的變化是體內HFD環境特有的，似乎不涉及T細胞激活的內在缺陷。

接下來，使用CD和HFD MC38腫瘤中腫瘤浸潤CD45+白細胞的單細胞RNA-seq，繪制腫瘤免疫轉錄圖。

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

結果：

• CD腫瘤白細胞中富集的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)、葉酸生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸相互轉化的多種途徑。

• 在HFD中CD8+ til表達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：

單細胞圖譜顯示，TME中的免疫細胞在對HFD的反應中經歷了獨特的代謝適應，而T細胞的差異是獨特的，它們顯示了主要中央碳代謝途徑的表達改變。

對于腫瘤細胞殺傷，CD8+ T細胞需要直接的細胞-細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細胞的位置是否與腫瘤內代謝生態位的變化有關。

使用循環免疫熒光技術(CyCIF)繪制了TME中細胞的位置和狀態。

結果：

• HFD腫瘤中CD8+ T細胞的含量較少，并進一步揭示T細胞不集中于腫瘤邊緣，這是T細胞排斥的標志。

• 代謝標志物和細胞狀態標志物的表達隨細胞類型和整個TME的變化。糖酵解標志物(GLUT1, PKM2和LDH)的表達在腫瘤中是不均勻的。

• 免疫細胞群和GLUT1或ACO2高表達腫瘤區域之間的重疊區域測量結果顯示：GLUT1-和aco2高區由蛋白表達確定，與任何特定的細胞類型無關。

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

綜上所述：

盡管CD8+ T細胞在HFD腫瘤中存在，數據表明，高脂飲食改變了腫瘤內代謝生態位的相互作用，并影響了局部T細胞浸潤模式。

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

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

結果：

• 只有4個基因統計學意義的差異表達，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在腫瘤細胞中的表達顯著降低，這是飲食誘導肥胖的基因發生顯著變化的最主要原因。

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

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

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

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

為了監測CD8+ til和腫瘤細胞的脂質儲存情況，使用LipidTOX染色檢測中性脂質積累。

結果：

• D8+ til和MC38腫瘤細胞在兩種飲食中含有相似水平的中性脂質。

  
  

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

結果：

• 來自HFD小鼠的腫瘤細胞比CD腫瘤細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細胞在相同微環境下的脂肪攝取。

• 飲食并沒有改變dLN中CD8+ T細胞的基線棕櫚酸鹽攝取，來自HFD喂養的小鼠的CD44+ CD8+TIL從培養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細胞似乎以不同的方式重組它們的代謝:腫瘤細胞適應并增加脂肪酸的利用，而CD8+ T細胞則不會。

綜上所述：

腫瘤細胞對脂肪酸攝取的增強可能使T細胞在TME中失去脂肪酸。

為了獲得對腫瘤細胞適應HFD的更深入的分子理解，使用基于串聯質量標記(TMT)的定量蛋白質組學方法，比較了從CD或HFD腫瘤中分離出來的GFP+腫瘤細胞的蛋白質組學。

結果：

• 脂肪酸代謝和氧化磷酸化是HFD腫瘤細胞中最豐富的途徑之一。

• 與CD相比，HFD患者IFNg反應降低，這可能與CD8+ T細胞浸潤減少有關。

• HFD通過誘導轉運蛋白(SLC27A1)、脂肪酸結合蛋白(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制。

綜上所述：

HFD MC38腫瘤細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腫瘤細胞中高度富集，我們進行了靶向脂質組學來測量HFD對循環和TME中脂質水平的影響。

結果：

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

• DAG和TAG水平是CD和HFD小鼠TME的主要差異。

• HFD腫瘤含有富含脂質的微環境，具有促進細胞攝取的局部脂肪酶活性。
  

利用基于串聯質粒標記(TMT)的定量蛋白質組學方法，比較了從CD和HFD中分離的GFP+腫瘤細胞。

結果：

• 脂肪酸代謝和氧化磷酸化是HFD腫瘤細胞中最豐富的途徑之一。

• 與CD相比，HFD患者IFNγ反應降低，可能與CD8+ T細胞浸潤減少有關。

• 揭示了HFD通過誘導轉運蛋白(SLC27A1)、脂肪酸結合蛋白(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制。

• 相比之下，HFD下調了催化不可逆和/或限速步驟的糖酵解酶。

• 與脂肪合成相關的蛋白沒有明顯的變化，而幾種TCA循環蛋白的表達隨著HFD的增加而增加。

• HFD MC38腫瘤細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細胞中PHD3的表達是否會影響CD8+ T細胞對腫瘤的控制。

結果：

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

科研人員還研究了PHD3過表達對體內腫瘤生長的影響。

結果：

• 在CD小鼠中，PHD3的異位表達不會改變腫瘤生長動力學；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細胞并沒有比對照MC38細胞有內在的生長減少。

• 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表達狀態對CD8+ T細胞耗盡小鼠的腫瘤生長速度沒有影響。

綜上所述：

維持MC38腫瘤細胞中PHD3的高表達可改善HFD小鼠的抗腫瘤T細胞反應，并減輕HFD對抗腫瘤免疫的影響。多項證據表明hfd誘導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人類患者的腫瘤代謝狀況，我們分析了在公共領域的癌癥基因組圖譜(TCGA)上可用的結腸腺癌(COAD) RNA seq數據集和相應的BMI數據。

結果：

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

• 與COAD患者的正常組織相比，癌組織中PHD3的表達降低。

• 嚴重肥胖患者的腫瘤中CD8+ T細胞浸潤減少。

• PHD3下調發生在人類癌癥中，并與免疫力下降相關。