Cancer Cell | 免疫治疗中免疫和肿瘤代谢相互作用驱动癌症 ...

总是在远方飘迫

原创 huacishu 图灵基因 2023-01-18 10:11 发表于江苏
收录于合集#前沿生物大数据分析




撰文：huacishu
IF=38.585
推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮点：
1、作者作者对接受免疫检查点阻断（ICB）的多个患者队列进行了全面的测序、免疫学、临床和放射学评估。这些分析表明，超进展性疾病（HPD）可能发生在一小部分患者中；
2、作者建立了HPD的同基因免疫活性动物模型，从而能够解剖ICB导致癌症加速进展的细胞、分子和免疫学机制；
3、作者指出核心免疫原性、代谢和致癌机制之间的相互作用使得在临床前模型和患者中能够通过IFNγ-PKM2-β-catenin信号级联实现癌症的过度增殖，靶向这一轴可能会阻止接受免疫治疗的患者发生HPD，并为在前瞻性临床研究中提供了理论依据。




密歇根大学Weiping Zou教授课题组在国际知名期刊Cancer Cell在线发表题为“Intersection of immune and oncometabolic pathways drives cancer hyperprogression during immunotherapy”的论文。免疫检查点阻断（ICB）可以产生对癌症的持久反应。研究人员发现一部分患者在免疫治疗期间经历了反常的癌症快速进展。人们对ICB期间肿瘤如何加速其进展了解甚少。




在一些临床前模型中，ICB会导致超进展性疾病（HPD）。尽管免疫排斥驱动对ICB的抵抗，HPD患者和ICB后的完全应答（CR）患者表现出相当水平的肿瘤浸润CD8+T细胞和干扰素γ（IFNγ）基因特征。有趣的是，HPD而非CR患者表现出肿瘤成纤维细胞生长因子2（FGF2）和β-catenin信号的升高。

在动物模型中，T细胞衍生的IFNγ促进肿瘤FGF2信号传导，从而抑制PKM2活性并降低NAD+，导致SIRT1介导的β-catenin脱乙酰化的减少和β-catenin乙酰化的增强，从而重新编程肿瘤干细胞。靶向IFNγ-PKM2-腺苷轴可预防临床前模型中的HPD。因此，核心免疫原性、代谢和致癌途径通过IFNγ-PKM2-腺苷级联的相互作用是ICB相关HPD的基础。

肿瘤对免疫疗法反应的分子决定因素尚未完全确定。ICB疗法释放T细胞介导的抗肿瘤免疫，以促进多种癌症的部分或完全应答。最近，有人提出ICB的启动可能会促进超进展性疾病（HPD），表现为ICB期间癌症生长的加速。然而，肿瘤免疫成分在非典型但临床上相关的ICB反应模式中的重要性仍不明确。

IFNgγ信号传导是一种关键的免疫原性途径，在自发和ICB诱导的抗肿瘤免疫中起着决定性作用。肿瘤细胞中IFNγ信号的丢失导致免疫逃避和免疫治疗抵抗。然而，长期暴露IFNγ通过多种机制赋予肿瘤对ICB的抵抗力。因此，IFNγ信号可以在癌症免疫应答中发挥双重作用。然而，IFNγ是否能在免疫治疗的背景下直接促进肿瘤进展仍然未知。

致癌和代谢程序交织在一起的网络支持癌症的生长和生存。癌基因，包括β-catenin，通过诱导MYC和其他基因增强肿瘤细胞存活。因此，β-catenin信号可以促进免疫治疗的抵抗。然而，这些致癌和代谢的癌症进展驱动因素如何与ICB治疗诱导的免疫原性信号相互作用的重要性和机制尚不清楚。

本文作者探讨了在荷瘤小鼠模型和癌症患者中疑似ICB相关HPD中关键免疫原性（IFNγ）、代谢（糖酵解）和致癌（β-catenin）途径之间的相互作用。作者发现，核心免疫原性、代谢和致癌途径相互作用为ICB相关的HPD提供了细胞和分子基础。靶向这种串扰可能会阻止接受ICB患者的癌症进展。

免疫治疗期间一部分患者出现快速癌症进展
目前还不完全了解免疫疗法与现有癌症治疗相比是否存在临床反应差异。为了探讨这一点，作者对密歇根大学接受ICB或靶向治疗的转移性黑色素瘤患者进行了队列研究（队列1389名患者）。与靶向治疗相比，ICB提高了患者的总体生存率（图1A）。尽管ICB提高了转移性黑色素瘤患者的无进展生存率，但与靶向治疗相比，接受ICB后的一部分患者进展迅速（图1B）。

作者检查了一组在机构接受ICB或化疗的非小细胞肺癌（NSCLC）患者（队列2375名患者）。接受ICB也与NSCLC患者3个月的总体生存率和无进展生存率下降相关（图1C和1D）。接受ICB与3个月时较低的初始无进展生存率相关（图1E）。

无论是使用抗PD-1、抗PD-L1，还是使用抗CTLA-4和抗PD-1（图1F），都观察到了这种较低的无进展生存率。在接受ICB的黑色素瘤和NSCLC患者中，3个月内的进展与总体生存率显著下降相关（图1G和1H）。总之，这些数据表明，在免疫治疗期间，癌症患者可能会发生快速的癌症进展。




接下来，评估了转移性黑色素瘤和NSCLC患者对癌症治疗的早期放射反应模式（队列1和2）。定量评估显示，与接受靶向治疗相比，接受ICB后首次监测成像时，转移性黑素瘤的比例更高，肿瘤负担显著增加（图1I）。同样，一部分转移性NSCLC患者在接受ICB后肿瘤负担显著增加（图1J）。这些数据共同表明，ICB与一部分癌症患者肿瘤负担的快速大幅增加有关。

HPD可能代表在无效治疗或治疗诱导的癌症进展的矛盾加速的情况下未经抑制的内在癌症生长。为了评估这些可能性，作者检查了转移性黑色素瘤和非小细胞肺癌患者ICB开始前后的一系列射线横截面图像。横断面和3D成像显示，一部分患者在接受ICB后肿瘤负担显著增加（图1K、1L）。肿瘤负荷的纵向量化表明，黑素瘤和NSCLC患者的子集在ICB开始后但未开始前肿瘤负荷显著增加（图1M和1N）。

为了了解这些潜在HPD患者是否与进展性疾病（PD）患者不同，作者根据患者的影像学反应对患者进行了分层，并纵向比较了患者的疾病负担。与PD患者不同，HPD患者在接受ICB后肿瘤负担显著增加（图1M和1N）。与PD患者比较，HPD转移性黑色素瘤和NSCLC患者在接受ICB后总体生存率显著降低（图1O和1P）。值得注意的是，ICB相关的HPD与预处理期间肿瘤生长率的增加无关。这些数据表明，免疫治疗后少数患者的癌症可能会加速。

HPD患者的免疫原性和致癌途径相关
为了研究患者HPD的分子基础，作者确定了一组患者，他们接受了全面的肿瘤和体细胞测序，接受了ICB，并进行了可评估的横断面成像（队列）。通过肿瘤负荷的纵向放射定量，确定了完全缓解（CR）的患者以及ICB引起HPD的患者。

出乎意料的是，CR患者和HPD患者的IFNγ和IRF1水平相当，T细胞克隆多样性、TCR克隆数量、TCR读数和CD8+T细胞浸润相似（图2A）。在接受ICB治疗的CR和HPD患者中，PDCD1（PD-1）、FOXP3和CD68的水平也相当（图2A）。多重免疫组化显示CR和HPD患者黑色素瘤（图2B和2C）和NSCLC（图2D和2E）之间肿瘤CD8+T细胞浸润水平相当。这些数据表明，HPD患者意外地没有免疫排斥。




鉴于在接受ICB后完全应答的患者与发生HPD的患者的免疫组成没有显著差异，作者随后评估了常见的致癌途径。在HPD和CR患者中，几种常见致癌信号通路（包括Sonic Hedgehog、Hippo、KRAS、NOTCH和EGF）的基因也同样表达（图2F）。FGF2和Wnt-β-catenin基因在患有HPD的患者中与接受CR的患者相比高度表达（图2F）。

多重免疫组化显示核FGF2指示FGF2信号转导和MYC表达（图2G）。定量显示，与CR表型患者相比，HPD表型患者的FGF2+MYC+黑色素瘤细胞水平更高（图2H）。在NSCLC患者中获得了类似的结果（图2I和2J）。数据表明，免疫治疗相关的HPD与FGF2和β-catenin致癌途径的激活有关。

CD8+T细胞通过IFNγ驱动癌细胞过度增殖
为了解决ICB是否可能触发黑色素瘤中的HPD，作者试图通过测试4个细胞系建立具有HPD特征的黑色素瘤小鼠模型：B16-F0、B16-F10、YUMM1.7和YUMM5.2。将4个细胞系接种到C57BL/6小鼠中，并用抗PD-L1单克隆抗体（mAb）（αPD-L1）处理它们。

αPD-L1治疗在B16黑色素瘤和YUMM5.2肿瘤的小鼠中显示出最小的抗肿瘤作用。在ICB下，携带YUMM1.7黑色素瘤的小鼠的肿瘤进展更快（图3A）。αPD-L1导致YUMM1.7模型中肿瘤T细胞浸润增加（图3B和3C），并增强了多个肿瘤干细胞和侵袭性相关基因，如Myc和Cd44蛋白（图3D）和转录物（图3E）。




由于HPD患者的黑色素瘤含有活化的CD8+T细胞（图2），作者想知道CD8+T淋巴细胞是否支持YUMM1.7黑色素瘤模型中的肿瘤进展。用CD8耗竭mAb（αCD8）治疗携带YUMM1.7黑色素瘤的小鼠。αCD8减缓了YUMM1.7肿瘤的进展（图3F），并降低了肿瘤Myc和Cd44的表达（图3G）。用αPD-L1、αCD8或αPD-L1和αCD8的组合治疗YUMM1.7荷瘤小鼠。通过肿瘤生长测量（图3H）和肿瘤重量（图3I）确定，αPD-L1促进了肿瘤生长。这些数据表明ICB可能以CD8+T细胞依赖的方式促进肿瘤生长。

扩展到肺癌模型，作者将Lewis肺癌（LLC）细胞接种到C57BL/6小鼠中，并用αPD-L1治疗这些小鼠。与之前的结果一致，LLC小鼠对ICB有抵抗力。从携带进行性LLC（PLC）的小鼠中分离出多个肿瘤克隆（PLC1.1–PLC1.4和PLC2.1–PLC2.4），并用IFNγ治疗。IFNγ刺激所有PLC克隆中Myc的表达。我们将PLC2.4细胞接种到C57BL/6小鼠中，并用αPD-L1处理这些小鼠。同样，检查点阻断诱导肿瘤进展（图3J）。总之，这些结果揭示了IFN信号在某些小鼠肿瘤模型中的致癌作用。

为了确定IFNγ信号通路在体内YUMM1.7肿瘤进展中的直接作用，作者汇集了3个不同的Ifng1 KO YUMM1.7克隆和3个不同Stat1 KO YUMMA.7克隆，并将这些KO克隆和WT细胞接种到WT C57BL/6小鼠中。观察到WT肿瘤在治疗过程中进展迅速，而Ifng1 KO（图3K）和Stat1 KO（见图3L）肿瘤生长缓慢。当在体内研究单个Stat1 KO YUMM1.7细胞克隆时，获得了类似的结果（图3M）。

此外，与体内WT PLC2.4肿瘤相比，合并的Ifng1 KO（图3N）或Stat1 KO（见图3O）PLC2.4肿瘤进展更慢。在单个Stat1 KO PLC2.4克隆中观察到类似的结果（图3P）。因此，IFNγ信号传导促进PLC2.4模型中的肿瘤生长。与Stat1 KO YUMM1.7肿瘤模型的结果相反，Stat1 KO YUMM5.2肿瘤的生长速度快于其WT对应物（图3Q）。因此，IFNγ信号可能在临床前模型中促进肿瘤进展。

总之，数据表明，在一小部分癌症模型中，IFN信号可能激活致癌途径，ICB可能通过T细胞IFNγ信号激活致癌途径促进肿瘤快速进展。

IFNγ减少NAD+激活β-catenin乙酰化
接着作者分析了肺癌TCGA数据集中已建立的致癌信号基因。发现IFNγ信号分别与β-catenin和NOTCH信号通路呈正相关和负相关。然而，IFNγ信号通路与KRAS、Hippo和Hedgehog信号通路之间没有相关性（图4A）。IFNγ和β-catenin信号通路中的靶基因IRF1和MYC的表达分别与多种癌症类型呈正相关（图4B）。这表明肿瘤中IFNγ和β-catenin信号通路之间存在潜在的串扰。根据这一发现，实时PCR和RNA测序数据（图4C和4D）表明IFNγ激活了A375和A549细胞中的β-catenin信号基因。

为了确定增加的基因表达是否依赖于Wnt/β-catenin信号传导，在IFNγ存在下用Wnt-β-catenin信号抑制剂DKK1和Wnt-C59培养A375和YUMM1.7细胞。这两种抑制剂降低了IFNγ介导的β-catenin信号基因的表达（图4F）、肿瘤球体的形成（图4G）和干细胞标志物Cd44和Cd133的表面表达（图4H和4I）。此外，作者建立了β-catenin KO A375细胞。IFNγ激活了WT细胞中MYC、CCND1、VEGFA和MMP14的表达，但在CTNNB1 KO细胞中没有激活（图4J）。总之，这些数据表明IFNγ激活肿瘤细胞中的β-catenin信号。




为了剖析IFNγ如何激活β-catenin，作者研究了β-catenin的表达和翻译后修饰。IFNγ处理没有改变A375细胞中总的和磷酸化的β-catenin的蛋白质水平，但增加了β-catenin乙酰化（图4K）。然后，用一种Sirtuin抑制剂salermide处理A375细胞。salermide处理诱导了β-catenin乙酰化（图4L）和靶基因表达（图4M）。

数据表明，IFNγ可能通过减少Sirtuin介导的β-catenin脱乙酰化来诱导β-catein信号传导。IFNγ刺激鸟苷酸结合蛋白（GBP）1表达（阳性对照），对SIRT1表达没有影响（图4N），但降低了细胞内NAD+水平（图4O）。为了恢复NAD+和Sirtuin活性，用NAD+前体烟酰胺核糖（NR）处理A375细胞。与载体对照相比，NR治疗降低了IFNγ改变的β-catenin乙酰化（图4P）、TOP-FLASH报告活性（图4Q）和β-catenin靶基因表达（图4R和4S）。总之，这些数据表明IFNγ通过降低NAD+水平来增强β-catenin乙酰化（图4T）。

作者建立了携带K345R β-catenin突变的稳定细胞。在IFNγ（图4U和4V）和salermide（图4W和4X）处理后，K345R突变细胞中β-catenin乙酰化（图4U和4W）和下游基因激活（图4V和4X）。数据表明IFNγ可能通过降低Sirtuin活性来影响K345处的β-catenin乙酰化。

IFNγ调节PKM2磷酸化以改变NAD+和β-catenin信号
糖酵解将葡萄糖发酵成乳酸，作为癌细胞NAD+/NADH的代谢调节剂。IFNγ处理导致A375细胞的糖酵解速率降低。这种效应被糖酵解抑制剂2-DG所消除（图5A）。因此，IFNγ信号消除了肿瘤糖酵解。




为了了解IFNγ如何影响糖酵解，作者测量了糖酵解途径中限速酶的催化活性。有趣的是，IFNγ降低了丙酮酸激酶（PK）的活性，而不是己糖激酶（HK）、磷酸果糖激酶（PFK）、甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）或乳酸脱氢酶（LDH）的活性（图5B）。PK的抑制减少了丙酮酸的产生，进而减少了LDH的反应，其中丙酮酸和NADH将分别转化为乳酸和NAD+（图5C）。因此，IFNγ以PK依赖的方式调节肿瘤糖酵解。

作者观察到IFNγ在A375和YUMM1.7细胞中诱导PKM2磷酸化，而不改变PKM2的总表达（图5D和5E）。因此，限制PKM2活性可以促进β-catenin信号传导并加速肿瘤进展。为了挽救IFNγ对PKM2的影响，作者应用了PKM2选择性激活剂DASA-58。在IFNγ存在下用DASA-58处理A375细胞。

DASA-58治疗逆转了IFNγ对乳酸生成（图5F）、NAD+（图5G）、β-catenin（图5H）、TOP-FLASH报告活性（图5I）和β-catenin信号基因表达（图5J和5K）的影响。类似地，另一种PKM2激活剂ML-265降低了IFNγ对YUMM1.7细胞中Cd44表达的影响（图5L）。总之，PKM2激活阻断IFNγ介导的β-catenin信号激活。

为了扩大体内观察，用αPD-L1、ML-265以及αPD-L1和ML-265的组合治疗YUMM1.7荷瘤小鼠。尽管αPD-L1单独促进了肿瘤进展，但ML-265单独抑制了肿瘤生长，联合治疗完全逆转了αPD-L1介导的HPD，导致了有效的肿瘤抑制（图5M）总之，靶向PKM2阻断β-catenin激活并破坏ICB触发的HPD。

IFNγ靶向FGF2以控制PKM2-NAD+-β-catenin信号传导
接下来，作者探索了IFNγ调控PKM2-NAD+-β-catenin轴的上游信号基因。结果发现，FGFR而非EGFR的抑制消除了IFNγ对MYC表达的刺激作用（图6A）。除MYC外，多维替尼降低了IFNγ对CCND1表达的影响，但对GBP1表达没有影响（图6B）。为了支持这些数据，作者观察到IFNγ刺激了A375、YUMM1.7和PLC2.4细胞中FGF2 mRNA和蛋白质的表达（图6C和6D）。




为了确定FGF2参与IFNγ对β-catenin的影响，在存在或不存在FGF2中和抗体（αFGF2）的情况下用IFNγ处理A375细胞。αFGF2消除了IFNγ对PKM2磷酸化、NAD+和β-catenin基因表达的影响（图6E–6G），并且对总STAT1和磷酸化STAT1没有影响。FGF2的敲除导致IFNγ诱导的PLC2.4和YUMM1.7细胞中Myc和Cd44的表达减少（图6H）。

为了确定FGF2表达是否参与ICB触发的HPD，将shFGF2 PLC2.4细胞接种到C57BL/6小鼠中，并用αPD-L1处理这些小鼠。正如预期的，αPDL1加速了WT PLC2.4肿瘤中的肿瘤进展，但抑制了shFgf2 PLC2.4肿瘤进展（图6I）。数据表明FGF2信号传导有助于ICB触发的HPD。

为了巩固这一发现，在MC38细胞中过度表达Fgf2（Fgf2OE）。与携带载体的MC38细胞相比，Fgf2OE MC38细胞表达更高水平的Myc、Ccnd1和Cd44，表达更低水平的Cdh1（图6J）。将Fgf2OE MC38肿瘤接种到C57BL/6小鼠中，并用αPD-L1治疗这些小鼠。αPD-L1减缓了对MC38肿瘤进展的控制，但未能控制Fgf2OE MC38肿瘤（图6K）。总之，这些数据表明，肿瘤FGF2激活致癌信号，并形成免疫治疗结果。

免疫治疗过程中肿瘤代谢重编程驱动癌症过度进展
最后，作者评估了ICB上PD患者的致癌和免疫原性信号通路是否汇合。数据表明，FGF可能在癌症HPD的临床前模型中调节Wnt信号（图6A–6K）。在接受免疫治疗的患者中观察到FGF和Wnt-β-catenin信号传导信号之间的正相关。作者的实验工作还表明IFNγ信号传导促进HPD中FGF和β-catenin信号传导。因此，CD8+/IFNγ免疫原性信号和FGF2/β-catenin致癌信号在ICB获益有限的患者中富集（图7）。




结论和讨论
本文作者对接受ICB的多个患者队列进行了全面的测序、免疫学、临床和放射学评估。这些分析表明，HPD可能发生在一小部分患者中。此外，作者建立了HPD的同基因免疫活性动物模型，从而能够解剖ICB导致癌症加速进展的细胞、分子和免疫学机制。

作者还指出核心免疫原性、代谢和致癌机制之间的相互作用使得在临床前模型和患者中能够通过IFNγ-PKM2-β-catenin信号级联实现癌症的过度增殖。这项研究表明，靶向这一轴可能会阻止接受免疫治疗的患者发生HPD，并为在前瞻性临床研究中提供了理论依据。

教授介绍




Weiping Zou教授就职于密歇根大学。他领导了一个多学科实验室，研究人类TME，目的是了解人类肿瘤免疫反应的遗传、表观遗传和代谢性质，并开发基于机制的癌症联合疗法。实验室已经证明，肿瘤细胞和宿主免疫系统之间的相互作用促进了肿瘤免疫抑制网络，并导致癌症进展和治疗抵抗。

他们对癌症浸润性T细胞亚群和抗原呈递细胞的研究，阐明了主要的癌症免疫抑制网络和治疗耐药机制，并允许确定临床靶向这些机制以有效治疗癌症患者。他们的工作包括首次证明PD-L1（B7-H1）在人类TME和人类肿瘤引流淋巴结中的表达、调节和功能阻断，以及他们早期的组合免疫治疗策略概念，为当前的癌症免疫治疗奠定了科学基础，并为新的组合提供了理论依据。
  
参考文献
Li G, Choi JE, Kryczek I, et al. Intersection of immune and oncometabolic pathways drives cancer hyperprogression during immunotherapy. Cancer Cell. 2023;S1535-6108(22)00594-3. doi:10.1016/j.ccell.2022.12.008

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