《Cell》揭秘：高脂饮食引起的肥胖，如何影响肿瘤生长

文献精读

通过对5周龄的C57BL/6J进行高脂饮食饲养，与正常饮食的对照组（CD）进行对比。

高脂饮食组的小鼠，体重明显增加，并表现出与肥胖相关的系统性代谢变化。

随后，对HFD和CD小鼠注射了MC38结直肠腺癌细胞，以建立结直肠腺癌细胞。同时研究了其他三种肿瘤模型生长动力学：B16黑色素瘤、肺癌细胞（LLC）、E0771乳腺肿瘤。

结果发现：

• 高免疫原性原位E0771乳腺肿瘤在HFD动物中生长较快；

• 而中等免疫原性B16黑色素瘤肿瘤在HFD动物中生长速度适度增加；

• 免疫原性较差的LLC肿瘤生长速度不随饮食而改变。

为了探究 CD 动物肿瘤生长速度的降低是否是由于 T 细胞的控制，研究人员将 MC38 肿瘤植入 T 细胞受体 a 链敲除 (TCRa-KO) 小鼠中。

结果发现：

• HFD与CD 的 TCRa-KO 小鼠中 ，MC38 肿瘤的生长速率没有差异。

• 肿瘤生长速率没有发生饮食依赖性的变化。

综上所述：

HFD诱导的代谢改变通过限制抗肿瘤CD8+ T细胞的反应来增加MC38肿瘤的生长。

为了搞清楚HFD喂养是如何改变MC38肿瘤的免疫格局的，研究人员使用流式细胞术对植入后10-14天肿瘤中肿瘤浸润的免疫细胞群进行了分析，此时肿瘤体积相似。

结果：

• 在HFD肿瘤中，我们观察到淋巴细胞室的巨大变化：HFD MC38肿瘤中CD8+ T细胞占CD45+白细胞浸润的比例更低。

• 计数CD45+白细胞和CD8+T细胞相对于肿瘤细胞的数量：HFD小鼠白细胞与肿瘤细胞的比值降低，CD8+ T细胞与肿瘤细胞的比值降低。

为了研究HFD对肿瘤中CD8+ T细胞活性和功能的影响，实验人员还检测了T细胞功能的标志物。

结果：

• HFD小鼠的CD8+肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)增殖较低。

• HFD CD8+ TILs中表达共刺激受体ICOS的比例较小。

• HFD中表达PD-1的CD8+ TILs较少。

• CD8+ TILs表达的共刺激受体和共抑制受体水平都降低了，这与活化降低相一致。

• 与CD相比，CD8+ TILs在HFD时表达的细胞溶解分子颗粒酶B (GZMB)更少，表明功能降低。

• HFD并没有改变CD8+ T细胞产生炎症细胞因子干扰素γ (IFNg)和肿瘤坏死因子α (TNF-a)的能力，但增加了IL-2的产生。

研究人员分析了饮食敏感的E0771乳腺肿瘤和B16-RFP-OVA黑色素瘤模型中，关键T细胞功能标记物的表达。

结果：

• 发现肿瘤内T细胞存在类似的功能缺陷。HFD肿瘤中CD8+ T细胞GZMB和PD-1的表达明显降低，而B16-OVA中CD8+ T细胞浸润减少，E0771肿瘤中CD8+ T细胞浸润减少，但E0771肿瘤中CD8+ T细胞浸润减少

• 相比之下，在BALB/cJ小鼠的CT26肿瘤中，CD8+ T细胞浸润和功能没有随HFD改变。因此，在许多(但不是所有)饮食敏感的肿瘤模型中，HFD降低了肿瘤T细胞的功能。

• CD8+ T细胞增殖和状态的变化是体内HFD环境特有的，似乎不涉及T细胞激活的内在缺陷。

接下来，使用CD和HFD MC38肿瘤中肿瘤浸润CD45+白细胞的单细胞RNA-seq，绘制肿瘤免疫转录图。

这确定了16个不同的细胞群，HFD组小鼠淋巴细胞显著减少，而免疫抑制髓细胞群体的相对比例没有变化。

结果：

• CD肿瘤白细胞中富集的KEGG特征包括糖代谢(果糖/甘露糖代谢、糖酵解/糖异生、半乳糖代谢和肌糖磷酸盐代谢)以及氧化还原途径(半胱氨酸和蛋氨酸代谢和磷酸戊糖途径)。

• 来自HFD肿瘤的白细胞富含参与脂肪和胆固醇代谢(糖鞘磷脂生物合成、类固醇生物合成、脂肪酸代谢和TCA循环)、叶酸生物合成、戊糖和葡萄糖醛酸相互转化的多种途径。

• 在HFD中CD8+ til表达PD-1的减少，在16个簇中有9个簇中CD显著富集了糖异生，并且在多个簇中HFD显著富集了脂肪酸代谢。

综上所述：

单细胞图谱显示，TME中的免疫细胞在对HFD的反应中经历了独特的代谢适应，而T细胞的差异是独特的，它们显示了主要中央碳代谢途径的表达改变。

对于肿瘤细胞杀伤，CD8+ T细胞需要直接的细胞-细胞接触和充足的代谢资源。

因此，研究人员试图了解肥胖是否会影响TME中TILs的位置，以及肿瘤中T细胞的位置是否与肿瘤内代谢生态位的变化有关。

使用循环免疫荧光技术(CyCIF)绘制了TME中细胞的位置和状态。

结果：

• HFD肿瘤中CD8+ T细胞的含量较少，并进一步揭示T细胞不集中于肿瘤边缘，这是T细胞排斥的标志。

• 代谢标志物和细胞状态标志物的表达随细胞类型和整个TME的变化。糖酵解标志物(GLUT1, PKM2和LDH)的表达在肿瘤中是不均匀的。

• 免疫细胞群和GLUT1或ACO2高表达肿瘤区域之间的重叠区域测量结果显示：GLUT1-和aco2高区由蛋白表达确定，与任何特定的细胞类型无关。

• CD8+ T细胞和CD4+ T细胞与GLUT1的归一化重叠在HFD肿瘤中减少。与CD相比，CD8+ T细胞在HFD肿瘤中明显被排除在GLUT1高区域之外。

综上所述：

尽管CD8+ T细胞在HFD肿瘤中存在，数据表明，高脂饮食改变了肿瘤内代谢生态位的相互作用，并影响了局部T细胞浸润模式。

CD8+ T细胞依赖于许多与肿瘤细胞相同的燃料来源和代谢途径来支持增殖、生存和效应功能。

为了研究饮食如何影响肿瘤内不同类型细胞的代谢重编程，科研人员从CD或HFD喂养的小鼠第12天起，对在dLN中的GFP+ MC38肿瘤细胞、CD8+ tilTIL和CD8+ T细胞进行了大量RNA-seq测序。通过比较来自肿瘤和dLN的CD8+ T细胞，确定了TME特异性的基因表达模式。

结果：

• 只有4个基因统计学意义的差异表达，其中3个基因参与脂肪合成或胆固醇代谢:ELOVL6、DGAT1和LDLRAP1。

• Phd3(脯氨酸羟化酶-3，也称为Egln3)和Nmnat2在肿瘤细胞中的表达显著降低，这是饮食诱导肥胖的基因发生显著变化的最主要原因。

• 通过qPCR证实，在晚期(第23天)的肿瘤裂解液中，Phd3 mRNA的表达随HFD降低。相比之下，CD8+TIL中Phd3的表达没有变化。

• HFD肿瘤细胞整体表现出促进FAO的基因表达的变化(图5G)，但CD8+TIL中不存在这些变化。HFD可能以牺牲局部CD8+ T细胞为代价，重新编程肿瘤细胞的代谢。

• 与CD8+TIL相比，在MC38肿瘤细胞中，糖酵解基因的转录水平随着HFD的降低趋向于更大程度的降低。

• 肿瘤细胞和CD8+TIL对高脂代谢系统应激的代谢适应(包括脂肪代谢的改变)存在差异。

为了监测CD8+ til和肿瘤细胞的脂质储存情况，使用LipidTOX染色检测中性脂质积累。

结果：

• D8+ til和MC38肿瘤细胞在两种饮食中含有相似水平的中性脂质。

  
  

为了测试饮食是否会改变脂肪酸摄取，使用bodipy标记的棕榈酸酯(C16-BODIPY)测量了体内棕榈酸酯内流。

结果：

• 来自HFD小鼠的肿瘤细胞比CD肿瘤细胞摄入更多的脂肪酸。

• 推断肿瘤固有脂肪利用的改变可能会影响CD8+ T细胞在相同微环境下的脂肪摄取。

• 饮食并没有改变dLN中CD8+ T细胞的基线棕榈酸盐摄取，来自HFD喂养的小鼠的CD44+ CD8+TIL从培养基中获得的棕榈酸盐少于CD小鼠。B16-OVA-RFP和E0771肿瘤也是如此。

• 肿瘤和CD8+ T细胞似乎以不同的方式重组它们的代谢:肿瘤细胞适应并增加脂肪酸的利用，而CD8+ T细胞则不会。

综上所述：

肿瘤细胞对脂肪酸摄取的增强可能使T细胞在TME中失去脂肪酸。

为了获得对肿瘤细胞适应HFD的更深入的分子理解，使用基于串联质量标记(TMT)的定量蛋白质组学方法，比较了从CD或HFD肿瘤中分离出来的GFP+肿瘤细胞的蛋白质组学。

结果：

• 脂肪酸代谢和氧化磷酸化是HFD肿瘤细胞中最丰富的途径之一。

• 与CD相比，HFD患者IFNg反应降低，这可能与CD8+ T细胞浸润减少有关。

• HFD通过诱导转运蛋白(SLC27A1)、脂肪酸结合蛋白(FABP5)和参与线粒体β -氧化的蛋白(CPT1A、ACSM3、ACADVL、ETFB和ECHS1)支持肿瘤中脂肪利用的其他机制。

综上所述：

HFD MC38肿瘤细胞重组代谢以增加脂肪酸摄取和氧化。

由于脂肪氧化信号在HFD肿瘤细胞中高度富集，我们进行了靶向脂质组学来测量HFD对循环和TME中脂质水平的影响。

结果：

• 所有脂质分析的CD和HFD中TIF与血浆的比值之间都存在很强的正相关，表明TIF的组成主要反映了循环中的脂质水平

• DAG和TAG水平是CD和HFD小鼠TME的主要差异。

• HFD肿瘤含有富含脂质的微环境，具有促进细胞摄取的局部脂肪酶活性。
  

利用基于串联质粒标记(TMT)的定量蛋白质组学方法，比较了从CD和HFD中分离的GFP+肿瘤细胞。

结果：

• 脂肪酸代谢和氧化磷酸化是HFD肿瘤细胞中最丰富的途径之一。

• 与CD相比，HFD患者IFNγ反应降低，可能与CD8+ T细胞浸润减少有关。

• 揭示了HFD通过诱导转运蛋白(SLC27A1)、脂肪酸结合蛋白(FABP5)和参与线粒体-氧化的蛋白(CPT1A、ACSM3、ACADVL、ETFB和ECHS1)在肿瘤中支持脂肪利用的其他机制。

• 相比之下，HFD下调了催化不可逆和/或限速步骤的糖酵解酶。

• 与脂肪合成相关的蛋白没有明显的变化，而几种TCA循环蛋白的表达随着HFD的增加而增加。

• HFD MC38肿瘤细胞重组代谢以增加脂肪酸摄取和氧化。

科研人员测试了改变MC38细胞中PHD3的表达是否会影响CD8+ T细胞对肿瘤的控制。

结果：

• HFD中CD8+T细胞缺失，肿瘤周围或肿瘤内CD8+T细胞定位无明显变化。PHD3在HFD中过表达显著增加了CD8+ T细胞浸润。

科研人员还研究了PHD3过表达对体内肿瘤生长的影响。

结果：

• 在CD小鼠中，PHD3的异位表达不会改变肿瘤生长动力学；在HFD中，与EV对照组相比，MC38 PHD3-OE肿瘤生长减少。

• PHD3-OE对TCRa - ko小鼠在HFD上的肿瘤生长没有影响，这表明PHD3-OE MC38细胞并没有比对照MC38细胞有内在的生长减少。

• 虽然PHD3- oe降低了用同型对照抗体治疗的HFD小鼠的肿瘤生长速度，但PHD3表达状态对CD8+ T细胞耗尽小鼠的肿瘤生长速度没有影响。

综上所述：

维持MC38肿瘤细胞中PHD3的高表达可改善HFD小鼠的抗肿瘤T细胞反应，并减轻HFD对抗肿瘤免疫的影响。多项证据表明hfd诱导的肿瘤局部代谢重组改变了燃料分配，并降低了TME中的抗肿瘤免疫。

为了探索肥胖是否会改变人类患者的肿瘤代谢状况，我们分析了在公共领域的癌症基因组图谱(TCGA)上可用的结肠腺癌(COAD) RNA seq数据集和相应的BMI数据。

结果：

• 在BMI为R30 kg/m2的肥胖患者肿瘤中，PHD3的表达显著降低(图7N和S7K)，而PHD1和PHD2的表达则不显著。

• 与COAD患者的正常组织相比，癌组织中PHD3的表达降低。

• 严重肥胖患者的肿瘤中CD8+ T细胞浸润减少。

• PHD3下调发生在人类癌症中，并与免疫力下降相关。