1、什么是腫瘤微環境？

腫瘤微環境（tumor microenvironment）簡稱TME，主要由免疫細胞構成，如巨噬細胞、T淋巴細胞、自然殺傷細胞(NK細胞)、樹突狀細胞、嗜中性粒細胞等 （圖1）。TME中細胞之間相互作用且彼此影響，各種細胞的代謝產物不僅是TME能量供應的來源，同時也介導了TME中不同細胞之間的信息傳遞 ^[1]。

圖1. 腫瘤微環境

*圖片來源于Mediators of inflammation 出版物^[1]。

2、什么是腫瘤相關巨噬細胞？

腫瘤相關巨噬細胞（tumor-associated macrophages，TAMs）是TME中一種可塑性異質細胞群體，占某些實體腫瘤的50%，TAMs通過合成和分泌多種細胞因子，對TME產生廣泛的影響 ^[2]。在微環境中，TAMs極化成M1/M2型TAMs，表達相應的特異性基因，行使不同的功能。M1型TAMs具有高水平的有氧糖酵解活性，可以產生活性氧（ROS）以殺死病原體介導抗腫瘤過程。相反，M2型TAMs則依賴于高水平的氧化磷酸化，可以產生IL-10和VEGF促進惡性腫瘤細胞的生長^[3]。因此，TAMs的代謝情況具有動態性，對TAMs生存有很大影響。如圖2，巨噬細胞轉變為TAMs是一個復雜的過程，TME中的TAMs細胞代謝表型發生變化，并且與腫瘤細胞相互作用，共同影響腫瘤的代謝表型 ^[4]。因此，研究TME中TAMs的代謝變化對腫瘤進展和治療抵抗有著重要的意義，將有助于開發新型抗腫瘤藥物的潛在靶點。

圖2. 腫瘤細胞與TAMs間的免疫代謝聯系

*圖片來源于Cell metabolism 出版物^[4]。

3、腫瘤相關巨噬細胞的代謝表型

3.1 TAMs中的糖代謝

腫瘤細胞和正常細胞之間的糖代謝存在本質上的差異。我們知道在常氧條件下，正常細胞通過氧化磷酸化產生ATP，而腫瘤細胞高度依賴糖酵解。無論是否有氧氣存在，糖酵解始終是腫瘤生長代謝的中心，這種現象被稱為Warburg效應^[5]。在TME中，TAMs與腫瘤細胞競爭營養物質，特別是葡萄糖。TAMs的葡萄糖代謝過程發生了與腫瘤細胞類似變化。TAMs同樣具有高度活性的糖酵解。

TAMs可通過提供營養支持來促進腫瘤進展，其主要是通過分泌VEGFA，ADM，CXC趨化因子配體8（CXCL8）和CXCL12招募并激活血管上皮細胞，為其生長提供營養物質，從而促進腫瘤異常血管新生，然而由此產生的新生血管網絡的結構和功能異常，使TME呈現不同程度的缺氧 ^[6,7]。研究表明，在低氧條件下TAMs上調REDD1（regulated in development and in DNA damage response 1），抑制mTOR。這將抑制TAMs對葡萄糖的攝入，同時抑制TAMs糖酵解 ^[8]。與此同時，導致TME中葡萄糖的含量增加，糖酵解增強，增加腫瘤細胞對葡萄糖的利用率，促進腫瘤異常血管的生成。另一方面，REDD1缺陷型TAMs能夠通過激活mTOR、增加糖酵解而與鄰近的內皮細胞競爭葡萄糖，從而促進血管結構的正?；?，抑制腫瘤的轉移 （圖3）^[8]。

圖3. REDD1缺陷型TAMs激活mTOR增加糖酵解

*圖片來源于Cell metabolism 出版物^[8]。

因而，抑制或增加TAMs糖酵解，可為腫瘤治療提供新思路。有研究發現，人胰腺癌（PDCA）誘導的巨噬細胞具有較高的糖酵解活性，使用HK2競爭性抑制劑2-脫氧葡萄糖（2DG）抑制糖酵解可消除細胞的功能表型 ^[9]。在一些體外和體內研究中，2DG與靶向治療聯合，可有效的抑制癌細胞的活力、增殖和轉移 ^[10]。除了HK2，作為糖酵解途徑中的關鍵酶，磷酸果糖激酶 2（PFK2）、磷酸甘油激酶 1（PGK1）、乳酸脫氫酶 A（LDHA）、丙酮酸激酶 2（PKM2）、烯醇化酶（ENO1）、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD），是否可以通過靶向以上關鍵酶影響TAMs糖酵解產生抗腫瘤作用，將對腫瘤治療有重大意義。所以，進一步的了解TAMs糖酵解相關機制，尋找TAMs糖酵解途徑中的靶點是十分必要的。

3.2 TAMs中的脂質代謝

除了葡萄糖代謝外，TAMs的脂質代謝也發生改變。有研究發現在小鼠肺癌模型中，IL-1β誘導的表達環氧合酶2（COX2）的巨噬細胞可促進腫瘤生長和血管生成 ^[11]。此外，TAMs具有較高的長鏈脂肪醇氧化酶（FAO）水平，體內實驗表明抑制長鏈脂肪醇氧化酶（FAO）可使小鼠肺癌和結腸癌模型中的TAMs由M2型向M1型極化 ^{[12, 13]}。與此相反，腫瘤細胞釋放的巨噬細胞集落刺激因子1（CSF1）可誘導TAMs高表達脂肪酸合酶（FASN），由此生成的脂肪酸可激活過氧化物酶體增殖物激活受體δ（PPARD），其下游釋放免疫抑制性細胞因子IL-10，從而誘導TAMs極化為M2型 ^[14-16]。

盡管TAMs呈現較高的FAO水平，但是某些TME中的TAMs仍會積聚細胞內脂質以維系自身代謝并發揮免疫調節作用。在這種情況下，這些TAMs中參與細胞內脂質代謝的多種蛋白表達均受到異常調控，如自水解酶結構域5蛋白（ABHD5），單甘油酯脂肪酶（MGLP），脂肪酸結合蛋白（FABP）以及中鏈酰基輔酶A脫氫酶（ACADM）^{[17, 18]}。在腫瘤發展的早期階段，TAMs高表達FABP5，導致TAMs分泌更多的Ⅰ型干擾素（IFN-1）以促進抗腫瘤免疫反應。而當腫瘤發展到晚期，TAMs高表達FABP4，FABP4可促進IL-6/STAT3的信號通路傳導，從而促進腫瘤的發展 ^{[17, 18]}。

關于TAMs的脂質代謝機制，目前仍需要進一步的研究來揭示其相關的功能與腫瘤的關聯，而文中提到的TAMs脂質代謝中的一些關鍵酶和極化機制，有望為腫瘤診斷及治療的新方法。

3.3 TAMs中的氨基酸代謝

目前有少數的研究發現氨基酸代謝對TAMs功能重組可能有影響，然而這些研究大部分是觀察性的，很少涉及機制的研究。有研究報道，在多種小鼠腫瘤模型中發現TAMs的精氨酸酶1（Arginase-1，ARG1）表達升高。ARG1一直被認為是M2型巨噬細胞的標志物。但是TAMs高表達的ARG1對惡性腫瘤的作用仍不清楚。缺氧和乳酸增高都能促進ARG1的表達，在小鼠肺癌模型中，敲除ARG1后，小鼠的腫瘤明顯變小 ^[15]。

研究還發現，ARG2和催化色氨酸代謝分解的限速酶吲哚胺-2，3-雙加氧酶1（IDO1），能大量消耗TME中對于免疫效應細胞營養代謝至關重要的氨基酸，如精氨酸和色氨酸，從而導致T細胞和NK細胞的功能失調 ^[19]。這也就意味著TAMs可誘導免疫抑制作用，引發TME中這些氨酸的消耗，進而破壞免疫監視作用。由此可見，TAMs氨基酸代謝中的相關酶在TAMs代謝機制中有重要的作用。

圖4. 谷氨酰胺連接酶促進TAMs向M2型極化

*圖片來源于Cell report 出版物^[20]。

如前所述，巨噬細胞具有極強的可塑性。體外實驗證明，谷氨酰胺連接酶（GLUL）可通過催化谷氨酸轉化為谷氨酰胺（glutamine，Gln）來促進TAMs向M2型極化。抑制谷氨酰胺攝取則可促使小鼠腫瘤模型中的TAMs向M1型極化 ^[20] （圖4）。通過將M2型TAMs極化為M1型TAMs來提高TAMs的吞噬能力抵抗腫瘤，也是目前研究的熱點。

3.4 TAMs中的鐵離子平衡

在尋找癌癥的替代療法當中，細胞新陳代謝過程中涉及的營養元素被認為是潛在的癌癥治療的靶標。隨著對生物化學反應及代謝領域的認識不斷提升，發現金屬元素（如鐵、銅和鋅）參與了生物細胞生長發育各關鍵過程（其中也包括癌變過程）。在眾多金屬元素之中，鐵元素（Fe）是生命體重要的必須微量元素，在細胞代謝和調控過程中有重要作用。

目前只有少量研究顯示TAMs內鐵代謝失調導致的鐵離子濃度異常與腫瘤的發生、增殖與轉移有關。前文提到，TAMs為腫瘤異常血管提供營養物質，但通常TME會呈現不同程度的缺氧 ^{[6, 7]}。TME的缺氧狀態導致TAMs溶質載體家族40成員1（SLC40A1）和脂質運載蛋白2（LCN2）表達上調，這將抑制TAMs對鐵離子的攝取，導致TME中鐵離子蓄積，增強惡性腫瘤細胞對鐵離子的攝取，進一步增強氧化應激，激活信號傳導與活化轉錄因子3（STAT3）以及核轉錄因子-κB（NF-κB）等信號通路，最終促進腫瘤發展 ^{[21, 22]}。

我們知道腫瘤細胞對鐵表現出更強的依賴性，同時更容易消耗鐵。盡管有大量的研究，但鐵和癌癥之間的具體聯系仍然沒有完全解釋清楚。研究TAMs中的鐵離子平衡機制，這可能為預測癌癥預后和治療提供新方法。

近些年來，針對TAMs的抗腫瘤免疫療法的研究取得顯著進展。一方面，造成腫瘤細胞糖酵解增強的主要原因與糖酵解酶的表達、活性增強有關。研究發現，抑制或促進TAMs糖酵解過程將影響TEM腫瘤細胞進展。一些關鍵酶，作為一種新的高敏感性腫瘤標志物，在惡性腫瘤的診斷、預后等方面顯示出了很好的前景。另一方面，TAMs包含兩種可以相互極化的亞型：M1型TAMs發揮著抑制腫瘤生長的作用，而M2型TAMs對腫瘤的發生發展起促進支持作用。在腫瘤的發生發展過程中，TAMs更傾向于極化成M2型?；谀[瘤相關巨噬細胞兩種亞型的功能特點，我們有望通過TAMs代謝重編程來改變TAMs極化，使其發揮抗腫瘤效應。然而更為全面的了解和清楚揭示TAMs代謝機制對腫瘤起源、TAMs極化以及功能方面的影響，將是抗腫瘤免疫療法新的挑戰與機遇。