一碳代谢成为 ICB 耐药癌症患者增殖性中间耗竭 T 细胞独特代谢标志的前沿研究

为解决免疫治疗中多数患者无响应的难题，韩国延世大学医学院的研究人员开展一碳代谢（1CM）在肿瘤免疫微环境作用的研究，发现 1CM 是增殖性中间耗竭 T 细胞（Texint）的代谢标志。该成果为免疫治疗提供新思路，值得科研人员一读。

　　

韩国延世大学医学院（Graduate School of Medical Science, Brain Korea 21 Project, Yonsei University College of Medicine）的 Ye-Chan Park 等人在《Cell Death Discovery》期刊上发表了题为 “One-carbon metabolism is distinct metabolic signature for proliferative intermediate exhausted T cells of ICB-resistant cancer patients” 的论文。该研究在肿瘤免疫治疗领域具有重要意义，为理解肿瘤免疫微环境（Tumor Immune Microenvironment，TIME）中细胞代谢与免疫细胞功能的关系提供了新视角，有望为提高免疫治疗效果开辟新的策略。

研究背景

肿瘤免疫治疗，尤其是免疫检查点阻断（Immune Checkpoint Blockades，ICBs）疗法，在癌症治疗中展现出一定潜力，但多数患者对 ICBs 治疗无响应，其背后机制尚不明确。肿瘤免疫微环境存在免疫抑制，T 细胞耗竭是肿瘤免疫逃逸的关键因素之一。T 细胞耗竭状态多样，包括前体耗竭 T 细胞（Tpex）、中间耗竭 T 细胞（Texint）和终末耗竭 T 细胞（Texterm） 。Tpex 具有记忆和干性特征，能与树突状细胞（Dendritic Cells，DCs）相互作用产生细胞因子杀伤靶细胞；而 Texterm 则几乎丧失细胞因子产生能力。Texint 处于中间阶段，既保留一定细胞因子产生和细胞毒性，又可能最终转化为 Texterm，影响免疫治疗效果。

一碳代谢（One-carbon metabolism，1CM）在癌细胞增殖中发挥重要作用，可通过增强核苷酸合成等途径促进细胞增殖。然而，1CM 在肿瘤免疫微环境中不同细胞类型内的生理作用，尤其是在肿瘤免疫方面，仍知之甚少。肺癌是癌症相关死亡的主要原因之一，肺腺癌（Lung Adenocarcinoma，LUAD）是肺癌的主要组织学亚型。因此，研究 1CM 在 LUAD 患者肿瘤免疫微环境中的作用，对于揭示肿瘤免疫逃逸机制、提高免疫治疗效果至关重要。

研究方法

1. 生物信息学分析：研究人员利用来自公共数据库（如 Gene Expression Omnibus，GEO）的 LUAD 患者肿瘤和正常组织的批量微阵列数据（GSE10072 和 GSE19804）以及单细胞 RNA 测序（single-cell RNA sequencing，scRNA-seq）数据（GSE123904 等）。通过 DAVID 数据库分析差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs），确定 LUAD 患者与正常受试者之间一碳代谢过程的差异；使用 R 软件中的 factoextra 和 FactoMineR 包进行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），展示一碳代谢基因的表达模式；从 UALCAN 数据库获取一碳代谢相关蛋白表达数据，并在 OncoLnc 和 cSurvival 平台进行生存分析。
2. 单细胞 RNA 测序数据分析流程：下载原始计数矩阵并处理为合适格式，使用 Seurat 包进行数据处理。通过质量控制，去除低质量细胞（如 nCount_RNA <200、线粒体基因比例> 20% 的细胞）和双联体细胞；进行数据标准化、寻找高变基因、数据缩放和整合；利用 PCA、t - 分布随机邻域嵌入（t-distributed Stochastic Neighbor Embedding，t-SNE）和均匀流形近似与投影（Uniform Manifold Approximation and Projection，UMAP）等方法进行聚类和降维分析；根据标记基因注释细胞类型，对 T 细胞亚群进行进一步分析时，还使用了单样本基因集富集分析（single sample gene set enrichment analysis，ssGSEA）、伪时间分析等技术。
3. 细胞间通讯分析：运用 CellChat 包对 LUAD 的 scRNA-seq 数据和 ICB 治疗后的 scRNA-seq 数据进行细胞间通讯分析，探究不同细胞类型之间的信号传递网络，明确与 Texint 相关的信号通路。

研究结果

1. 1CM 在 LUAD 患者中高表达且预后不良：通过对两个 GEO 数据集的分析，发现 LUAD 患者与正常对照组之间一碳代谢过程存在明显差异。PCA 结果显示，两组的一碳代谢基因表达模式截然不同。进一步检查相关基因表达，发现 LUAD 患者中从头丝氨酸生物合成和叶酸循环相关基因显著上调。生存分析表明，1CM 相关基因高表达的 LUAD 患者预后较差。这表明 1CM 在 LUAD 的进展中可能具有重要生物学作用。
2. 特定 T 细胞簇中 1CM 富集：分析未经治疗的 LUAD 患者和正常肺组织的 scRNA-seq 数据，利用 t-SNE 和标记基因对细胞类型进行表征。结果显示，T 细胞在 LUAD 肿瘤免疫微环境中占比很高。通过单细胞 GSEA 分析发现，不同细胞类型对代谢过程有不同偏好，T 细胞中的 CD8_04 亚群对 1CM 相关途径表现出独特偏好。CD8_04 细胞的 1CM 评分显著高于正常样本中的 T 细胞，且线粒体叶酸循环相关基因在 CD8_04 细胞中高表达。这说明 1CM 在 LUAD 患者的特定 T 细胞亚群 CD8_04 中富集。
3. 1CM 富集的 T 细胞为中间耗竭 T 细胞（Texint）：对 T 细胞亚群进行注释，发现 CD8_04 细胞同时高表达增殖标记物（如 MKI67 和 TOP2A）和耗竭标记物（如 PDCD1、HAVCR2、LAG3 等）。通过检查 Tpex 标记基因 TCF7、终末耗竭标记基因 TOX 和 Tpex 特征评分，发现 Texint 在 CD8_04 细胞中占主导地位。轨迹分析和伪时间分析进一步证实，CD8_04 细胞中的 Tex1 可视为高 1CM 的 Texint，而 Tex2 为 Texterm。
4. CD137 信号网络在 1CM 富集的增殖性 Texint 中占主导：细胞间通讯分析显示，LUAD 患者中与正常对照组相比，Texint 相关的多个信号通路（如 SPP1、EGF、LIGHT、CD70、VEGF 等）上调，且 Texint 的相互作用数量显著增加。其中，CD137 信号是 Texint 最强的传入信号，主要来源于浆细胞和 CD8_01 细胞。这表明 1CM 高表达的增殖性 Texint 主要接受 CD137 信号，可能导致 T 细胞终末耗竭和免疫治疗反应不佳。
5. 增殖性 Texint 在抗 PD - 1 治疗无响应的 LUAD 肿瘤中富集：分析抗 PD - 1 治疗的 LUAD 患者的 scRNA-seq 数据，重新聚类 T 细胞后发现，CD8_06 亚群具有 Texint 的表型特征，且在抗 PD - 1 治疗无响应者中比例增加。细胞间通讯分析显示，无响应者的 Texint 细胞中，CD137 信号显著上调，且该信号在无响应者中是独特的，而在响应者中未检测到。这表明 CD137 信号可能在促进 Texint 细胞耗竭和 1CM 介导的增殖中起关键作用，导致 LUAD 患者对免疫治疗产生抗性。
6. 1CM 高表达的增殖性 Texint 在多种癌症免疫治疗无响应者中广泛分布：分析多种癌症（包括胶质母细胞瘤、肾透明细胞癌、结直肠癌和三阴性乳腺癌）免疫治疗患者的 scRNA-seq 数据，发现所有数据集中的 Texint 簇均显示高 1CM 评分，且除胶质母细胞瘤外，非响应者中 Texint 细胞的比例高于响应者。这表明 1CM 是多种癌症中 Texint 细胞的独特代谢特征，可能与免疫治疗效果不佳有关。

研究结论与讨论

本研究通过对 LUAD 患者及多种癌症患者的 scRNA-seq 数据进行分析，发现 1CM 在肿瘤免疫微环境的 T 细胞中富集，尤其是在 Texint 细胞中，且与 CD137 信号通路密切相关。1CM，特别是线粒体叶酸循环，可能对 Texint 细胞的增殖至关重要。此外，研究还发现 Texint 细胞在免疫治疗无响应者中显著增加，CD137 信号在促进 Texint 细胞的耗竭和增殖中可能起关键作用，导致免疫治疗抗性。

尽管本研究未明确 CD137 信号在免疫治疗无响应者中增加的具体机制以及与 1CM 的关联，但研究结果表明，1CM 可能是多种癌症中 Texint 细胞的独特代谢特征，是维持其增殖能力并导致免疫治疗效果不佳的关键因素。因此，针对 1CM 进行靶向治疗，可能是改善免疫治疗抗性的一种新策略。对于 LUAD 患者，同时靶向 1CM 和 CD137 信号通路可能为免疫治疗无响应者提供更有效的治疗方法。

然而，目前仍有许多问题有待进一步研究。例如，需要通过进一步的生物信息学分析，全面了解 1CM 在肿瘤免疫微环境中的多功能作用；明确不同癌症类型中促进 Texint 细胞增殖并导致终末耗竭的主要信号通路；深入研究浆细胞与 CD137 信号在肿瘤免疫微环境中的相互作用及其对 T 细胞耗竭的影响等。

总体而言，该研究为肿瘤免疫治疗领域提供了重要的理论依据和潜在治疗靶点，为后续深入研究肿瘤免疫逃逸机制和开发更有效的免疫治疗策略奠定了基础。