编译：金丹枫；审校：张*，缪长虹Warburg效应是肿瘤代谢的重要特性，但有些肿瘤并不表现出Warburg表型，其代谢要么依赖于呼吸作用，要么表现为具有不同代谢特性的细胞嵌合体。使用一种统一模型对肿瘤进行分类，并针对性的进行免疫治疗具有重要意义。PeterJ.Siska等人在《ImmunologicalReviews》上发表了题为《TheimmunologicalWarburgeffect:Canametabolic-tumor-stromascore(MeTS)guidecancerimmunotherapy?》的综述，提出MeTS模型将肿瘤分为T细胞浸润高的呼吸性肿瘤（“热”）型；具有呼吸作用肿瘤细胞但有糖酵解基质细胞的反向Warburg型；有糖酵解和呼吸作用的混合型和糖酵解（Warburg）肿瘤低T细胞浸润（“冷”）型，现简介如下：背景：肿瘤细胞的高糖酵解导致乳酸和质子在肿瘤微环境中蓄积，抑制免疫功能并介导肿瘤免疫逃逸，这种代谢特征被称为“Warburg效应”。非恶性淋巴细胞或基质细胞，如肿瘤相关的巨噬细胞和成纤维细胞，也有助于肿瘤环境中的乳酸积累，这种现象被称为“逆Warburg效应”。不同肿瘤由不同代谢特性的肿瘤细胞构成，因此，肿瘤的组织学构成和代谢状态对预测患者预后和进行免疫治疗具有重大意义。1.Warburg效应上世纪20年代初，Warburg等人发现体外肿瘤组织表现出异常高的“需氧”糖酵解活性，并产生高乳酸环境，并指出肿瘤细胞通过呼吸和发酵两种方式获取能量，提出肿瘤是由于呼吸作用受损而产生。最新研究表明，低乳酸水平也可能发生在肿瘤中，在灌注良好的肿瘤区域，血流可带走乳酸。乳酸可能优先在肿瘤细胞中积累，受损的血液灌注是肿瘤的一个典型特征，可能有助于在肿瘤环境中建立细胞外的乳酸和质子水平。在“逆Warburg效应”中，基质细胞进行“需氧糖酵解”产生乳酸，乳酸可以进行蓄积或被肿瘤细胞用于线粒体氧化磷酸化（OXPHOS），导致肿瘤乳酸酸中毒。此外，酸中毒还与呼吸作用产生的二氧化碳通过碳酸酐酶水合形成HCO3?和H+离子导致环境酸化。通过研究T细胞浸润与肿瘤葡萄糖转运体1（GLUT1）表达的关系，可确定两种主要的肿瘤类型：GLUT1高表达和T细胞低浸润的经典Warburg肿瘤以及GLUT1低表达和T细胞高浸润的肿瘤（图1和图2）。图1.通过MeTS描述肿瘤代谢和细胞异质性来评估抗肿瘤免疫反应图2.透明细胞肾细胞癌中GLUT1表达和CD8+T细胞浸润低OXPHOS肿瘤主要表现为糖酵解代谢，而高OXPHOS肿瘤依赖于谷氨酰胺和脂肪酸氧化支持的氧化磷酸化。与糖酵解型肿瘤相比，脂肪源性肿瘤细胞耗氧量更高，线粒体含量也更高。在原发性胰腺肿瘤样本中，脂质亚型与上皮表型密切相关，糖酵解亚型与间质表型密切相关。基于糖酵解活性、GLUT表达和T细胞浸润之间的负相关性，与糖酵解活跃的卵巢和胰腺肿瘤相比，高OXPHOS肿瘤有更多的免疫细胞浸润。不仅实体肿瘤，不同来源的白血病和淋巴细胞也表现出加速的糖代谢。此外，癌基因和抑癌基因与Warburg效应密切相关并对其进行调节，提示肿瘤代谢在肿瘤治疗中的重要性。2.肿瘤基质细胞中的Warburg效应根据肿瘤细胞和代谢异质性的组成提出MeTS模型（图1）。能量代谢向有氧糖酵解的转变不仅是肿瘤细胞的标志，也是被激活的免疫细胞的标志。18F-FDG可被有糖酵解作用的炎性细胞所吸收，并在急性和慢性炎性病变、肉芽肿性疾病和自身免疫性疾病中蓄积，导致18F-FDG-PET假阳性。高18F-FDG摄取也可以反映强烈的持续宿主反应，如放疗后，尽管肿瘤细胞的生存能力下降，但肿瘤组织摄取18F-FDG往往增加。逆Warburg（MeTS2）类型肿瘤有呼吸作用肿瘤细胞和糖酵解基质细胞，这类肿瘤中的肿瘤相关巨噬细胞（TAM）可产生大量的乳酸，进而支持肿瘤生长。肿瘤的代谢异质性还表现为肿瘤细胞与基质细胞之间不同的代谢相互作用。在胰腺肿瘤中，肿瘤细胞产生的乳酸可被CAF(Cancer-associatedfibroblasts)吸收，进而产生α-酮戊二酸，导致TET(ten-eleventranslocation)活化，进而降低胞嘧啶甲基化和CAF炎症基因的过表达。在乳腺肿瘤中，肿瘤细胞产生的乳酸可被间充质间质细胞和CAF作为能量来源吸收利用。同时，CAF也可促进肿瘤细胞糖酵解。因此高葡萄糖摄取不一定代表肿瘤细胞的存活和增殖，也可能是免疫细胞活化和其他间质细胞（如成纤维细胞和巨噬细胞）造成的。肿瘤微环境中的葡萄糖和乳酸含量可以取决于（a）肿瘤代谢类型；（b）肿瘤浸润细胞等免疫细胞的相对比例、类型和激活状态；（c）基质细胞如成纤维细胞的类型和数量（图1）。3.肿瘤和基质细胞中Warburg效应的分子背景Warburg提出肿瘤是由从线粒体呼吸到有氧糖酵解的代谢“转换”引起的。现在发现呼吸作用在肿瘤生长中也发挥重要作用。OXPHOS的功能障碍可以诱导肿瘤细胞的Warburg效应。柠檬酸三羧酸循环酶、琥珀酸脱氢酶和富马酸水合酶的突变导致琥珀酸盐和富马酸盐在线粒体中积累，并泄漏到细胞液中。它们抑制羟化酶的前体，导致假性缺氧反应，由缺氧诱导因子（HIF）传递，促进糖酵解。线粒体-H+-ATP复合体的催化亚基（β-F1-ATPase）是OXPHOS中ATP合成的中心，并集合了线粒体生物能量学和凋亡功能。与肿瘤中既定的线粒体功能障碍一致，肿瘤细胞β-F1-ATPase的表达通常是下调的。此外，某些肿瘤还会上调ATP酶抑制因子-1，从而抑制H+-ATP合酶的活性。线粒体ATP合酶的下调与耐药有关，对化疗尤其重要。在大约30%的人类肿瘤中，MYC癌基因过表达诱导线粒体中谷氨酰胺分解并触发糖酵解酶（如乳酸脱氢酶（LDH））的上调。致癌MYC也与HIF相互作用。HIF通过缺氧反应元件诱导70多个基因转录，其中包括参与葡萄糖代谢的基因如GLUT1、LDH或参与乳酸转运的单羧酸转运蛋白4（MCT4）。但即使在常氧条件下，糖酵解产物乳酸和丙酮酸的积累也能促进HIF-1蛋白的稳定性和调节基因表达。缺氧和酸化也会通过减少生物钟基因的翻译来抑制生物钟，从而增加了新陈代谢调节的复杂性。流行病学研究表明，昼夜节律的中断和生物钟基因BMAL1和PER2的表达减少都是导致肿瘤发生的原因。PER2促进p53功能，而MYC抑制BMAL1表达，提示生物钟蛋白与肿瘤代谢关键致癌调节因子之间存在双向作用。类似的转录网络和关键因素（如在肿瘤细胞中表达的HIF和MYC）也调节免疫细胞和CAF的代谢。HIF-1α的特定缺失可降低VEGF产生、减少血管生成和减少骨髓浸润，反过来限制肿瘤的生长。HIF改变肿瘤微环境中骨髓来源抑制细胞（MDSC）的功能，并将它们的分化重新定向到TAM，从而在肿瘤微环境中不同的骨髓来源抑制细胞之间提供了一种机制上的联系。此外,HIF-1α选择性上调MDSC的PD-L1而非其他B7家族成员，封锁PD-L1从而解除MDSC介导的T细胞抑制。在巨噬细胞中，肿瘤环境和高乳酸水平在常氧条件下稳定HIF-1α蛋白。HIF诱导TAM的M2极化，增加VEGF和精氨酸酶1的表达，在调节肿瘤生长中发挥重要作用。总的来说，这些发现确定了巨噬细胞和肿瘤细胞之间通过乳酸相互联系的机制，并可能已经进化为促进肿瘤生长的因素。总之，一个复杂的转录调控网络控制着肿瘤的发生和代谢。其中反复出现的主调控因子最终导致了跨多个肿瘤实体的共同代谢表型。碳水化合物和核苷酸代谢的主调节因子都显示出较差的预后相关性，而脂质代谢则相反。实体肿瘤中乳酸蓄积和酸化不仅仅是缺氧的后果，也是不同转录调控因子相互作用的结果，并决定患者的预后。4.肿瘤Warburg效应的进化Gatenby和Gillies认为：糖酵解和耐酸性上调的细胞群体具有强大的生长优势，从而利于增殖和侵袭。但糖酵解的代谢方式效率低下，一种解释是肿瘤增殖不仅需要ATP，还需要复制所有的细胞内容物，如核苷酸、氨基酸和脂质。VanderHeiden团队研究了细胞中不同来源养分的碳质量占比，发现大部分的碳不是来自葡萄糖而是谷氨酰胺，提示了高糖酵解为生物合成提供碳之外的细胞增殖机制。有氧糖酵解除了为细胞结构和产生能量提供碳元素外，还能高速产生乳酸。乳酸和质子在肿瘤环境中积累导致细胞外环境酸化，从而促进局部侵袭、转移和抑制抗肿瘤免疫来维持肿瘤的生长。肿瘤持续生长和转移的另一个重要因素是血管生成。肿瘤源性乳酸可通过刺激内皮细胞产生VEGF来诱导血管形成。肿瘤通过已经存在的血管中萌发内皮细胞形成新血管的机制已普遍被人接受，除此之外，一些研究表明，干细胞来源的内皮祖细胞以及来自骨髓系的细胞也对血管形成做出贡献。5.Warburg效应：免疫代谢调控点免疫细胞浸润对患者预后较为重要。肿瘤产生的乳酸强烈抑制T细胞和NK细胞的功能以及骨髓细胞的分化和激活。肿瘤的代谢表型可能决定T细胞活性，进而对患者预后起决定性作用。髓样细胞如MDSC和TAM被认为是肿瘤环境的重要调节因子，发挥着肿瘤生长和维持的关键稳态功能。乳酸能促进MDSC的分化，增加单核/巨噬细胞中IL-23的转录和分泌。IL-23是一种促瘤细胞因子，参与Th17细胞的生成。此外，TAM可以通过GPR43检测到肿瘤微环境的酸化，导致巨噬细胞向促肿瘤表型的极化。TAM表达LDH-A，在肿瘤微环境中分泌乳酸，骨髓特异性缺失LDH-A会增强T细胞抗肿瘤反应，抑制肿瘤生长。另一方面，糖酵解型CAF释放乳酸导致抗肿瘤型Th1细胞的百分比减少,并导致前列腺癌模型中调节性T细胞（Treg）细胞增加,表明逆Warburg效应的重要免疫抑制作用。因此，针对肿瘤细胞和基质细胞的Warburg效应可能是一种重新激活适应性抗肿瘤免疫反应的有效策略。在一些实体肿瘤中已经观察到肿瘤代谢状态与抗肿瘤T细胞反应之间的关系（表1）。表1.肿瘤糖代谢和抗肿瘤T细胞反应的关系乳酸酸中毒对免疫细胞功能造成严重损害的潜在机制：一方面，刺激单核细胞和淋巴细胞加速糖酵解，导致细胞外肿瘤环境和免疫细胞细胞质之间不良的乳酸梯度，进而促进免疫细胞内乳酸和质子的摄取，降低了细胞内pH值，从而导致单核细胞和T细胞功能受损；另一方面，乳酸对T细胞的影响阻止了TCR引发的JNK、c-Jun、p38和NFAT活化的磷酸化，降低了ATP水平，导致代谢灾难。最近研究表明，细胞内产生或吸收的乳酸可直接与组蛋白赖氨酸残基结合，并触发巨噬细胞极化的表观遗传修饰。肿瘤细胞和间质细胞的葡萄糖代谢加速，除了产生乳酸和酸化外，还可导致肿瘤环境中的营养竞争。以上数据表明：肿瘤来源的乳酸酸化调控肿瘤的生长和转移，例如促进细胞的能动性和逃逸、调控肿瘤相关基质成纤维细胞、刺激内皮细胞和抑制抗肿瘤免疫细胞。6.乳酸蓄积和酸化：重要的免疫抑制策略乳酸蓄积和酸化除了在肿瘤环境中起作用外，还是一种局部炎症中的进化保守现象。在炎症组织中诱导局部乳酸酸中毒的主要因素有小血管受损导致的组织缺氧、白细胞代谢活动增加和细菌产生的短链脂肪酸蓄积。乳酸积累和局部乳酸酸中毒是一种进化保守机制，既可预防感染，又可伴随炎症存在。炎症组织中的高乳酸和低pH值可能是有益的，可以成为一种天然的“防腐剂”或通过限制炎性组织中的T细胞来促进病原体的清除。但同时也可能通过抑制CD8T细胞的溶细胞功能或诱导CD4T细胞的Th17表型而造成伤害。
“论肿道麻”点评
MeTS4肿瘤中糖酵解活性的显著增加及其对Warburg效应的依赖为肿瘤治疗提供了一个理想的靶点。目前有大量的药物可用于阻断糖酵解途径本身或逆转肿瘤微环境酸化。Warburg效应最常见的靶点之一是LDH-A，然而，仅针对LDH-A不足以在某些肿瘤中显著减少乳酸分泌。
高糖酵解肿瘤代谢与传统疗法的耐药性有关。肿瘤糖酵解介导耐药的机制尚未完全阐明，但发现其与p-糖蛋白（P-gp）活性有关，在缺氧和酸中毒时P-gp活性增加，P-gp激活可将阿霉素、紫杉醇等细胞毒性药物主动泵出细胞。肿瘤从酸中毒中获益的另一种机制是“离子捕获”，由于渗透性降低，化疗药物等带电化合物无法通过细胞膜。因此，联合抗糖酵解治疗和逆转酸化可能会加强治疗效果。但无论使用何种方法靶向治疗肿瘤细胞，都不应忽视肿瘤间质细胞如CAF的耐药作用。
乳酸和酸化的积累阻碍了T细胞和NK细胞的抗肿瘤功能，促进了Treg或MDSC等促瘤免疫细胞群的分化和活化，Warburg效应因此降低了免疫治疗方法的成功率。肿瘤糖酵解活性的增加还可限制过继T细胞转化。鉴于免疫细胞的Warburg效应，应用糖酵解抑制剂可能对免疫系统产生副作用。缓冲可能是一种替代策略，减少肿瘤酸化的负面影响而不干扰免疫细胞活化。尽管限制糖酵解可能不会对所有免疫细胞群产生相同程度的影响，但其益处仍然值得肯定。降低糖酵解活性，改善线粒体适应度，增强T细胞的脂肪酸代谢，可能增强其抗肿瘤免疫反应。
在Warburg效应首次被发现近年后，除了其能源产生的经典作用外，人们还发现了其促瘤作用。“代谢废物”乳酸对肿瘤血管生成、迁移和抗肿瘤免疫反应有深远的影响。如今我们发现，不仅是肿瘤细胞，纤维母细胞和巨噬细胞等活化的基质细胞也能产生乳酸，这就是所谓的“逆Warburg效应”，导致肿瘤乳酸酸中毒，甚至在氧化代谢的恶性肿瘤中也能形成免疫应答。
因此，免疫疗法对于肿瘤微环境的作用，不仅取决于肿瘤细胞的代谢表型，还取决于基质细胞的组成和活化状态。基于T细胞浸润对患者预后的重要作用，使用MeTS这一模型可以让我们更好预测抗肿瘤免疫反应的可能性。MeTS1可能显示肿瘤免疫治疗的最佳反应而无需进一步干预，MeTS2肿瘤可能受益于针对基质细胞的疗法，而在MeTS3、MeTS4肿瘤中乳酸和酸化水平升高，针对糖酵解和/或基质细胞的靶向治疗从而获得一个有效的免疫反应可能是至关重要的。
编译：金丹枫
审校：张*，缪长虹
原始文献：PeterJSiska,KatrinSinger,KatjaEvert,KathrinRenner,MarinaKreutz.TheimmunologicalWarburgeffect:Canametabolic-tumor-stromascore（MeTS）guidecancerimmunotherapy?ImmunolRev.May;（1）:-.
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