纳米材料重塑肿瘤代谢：克服T细胞耗竭的新前沿

《International Journal of Nanomedicine》：Nanomaterials Reshaping Tumor Metabolism: A New Frontier to Overcome T Cell Exhaustion

　　

摘要专业翻译 过继性抗肿瘤免疫最终因代谢恶劣的肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）而失败，该环境驱动T细胞进入功能障碍的耗竭状态，而当前的检查点阻断疗法仅能部分逆转这一状态。关键在于，主要的代谢应激——乳酸、脂质和腺苷的蓄积，葡萄糖和氨基酸的剥夺，以及缺氧——并非孤立作用，而是形成一个高度交叉调控的网络，逐步强化T细胞耗竭。本综述综合阐述了每种代谢屏障的产生机制及其相互放大效应，并将基于纳米材料的干预策略映射至该网络：降解乳酸和腺苷的催化纳米材料、脂质调节和线粒体靶向制剂、氨基酸补充系统，以及将代谢纠正与检查点抑制或光动力治疗相结合的缓解缺氧设计。本文特别关注设计原则——组织靶向性、刺激响应性释放和合理联合——这些原则决定了代谢重编程能否实现T细胞功能的持久恢复，而非短暂的表型拯救。新兴的临床前证据表明，纳米材料介导的代谢重塑可将免疫抑制性TME转化为免疫支持性微环境，并恢复耗竭T细胞的效应功能。我们进一步指出了目前限制临床转化的关键缺口：缺乏区分可逆性前体样耗竭T细胞与终末耗竭T细胞的亚群水平评估；缺乏表观遗传学终点指标（如组蛋白乳酸化）的检测；对T细胞本身的脱靶代谢抑制；以及临床级纳米材料的制备和安全性障碍。解决这些问题将使代谢重编程成为下一代癌症免疫治疗的可信前沿。

论文主体内容总结

驱动T细胞耗竭的恶劣肿瘤代谢微环境

肿瘤浸润淋巴细胞（tumor-infiltrating lymphocytes，TILs）表现出葡萄糖摄取减少、线粒体碎片化和活性氧（reactive oxygen species，ROS）升高，证实代谢应激直接抑制T细胞功能。本节系统剖析了各代谢屏障的分子基础。

有害代谢物的蓄积

乳酸：肿瘤来源的乳酸在TME中达到10–30 mM（为正常组织的10–20倍），主要通过Warburg效应驱动的糖酵解产生。乳酸经单羧酸转运体（monocarboxylate transporters，MCTs）进入T细胞，引起胞内酸化，损害糖酵解能力并抑制核因子活化T细胞（NFAT）和p38丝裂原活化蛋白激酶/c-Jun N末端激酶（MAPK/JNK）信号通路。乳酸还抑制葡萄糖转运体1（GLUT1）表达，并通过GPR81信号上调肿瘤细胞PD-L1。值得注意的是，调节性T细胞（Tregs）可代谢适应并以乳酸为燃料，而效应T细胞不能，形成有利于免疫抑制的功能不对称。

脂质：TME中脂质蓄积（尤其是胆固醇）来源于肿瘤细胞合成和循环摄取。胆固醇经清道夫受体CD36进入CD8⁺ T细胞，过量蓄积于内质网（endoplasmic reticulum，ER）触发ER应激，激活IRE1α-XBP1未折叠蛋白反应通路，直接上调PD-1、TIM-3和LAG-3等抑制性受体。肿瘤来源的前列腺素E2（PGE2）通过破坏白细胞介素-2（IL-2）信号抑制CD8⁺ T细胞。脂质蓄积在抑制细胞毒性CD8⁺ T细胞的同时增强免疫抑制性细胞群的功能。

腺苷：细胞外腺苷（ADO）通过CD39/CD73级联在TME中蓄积至微摩尔浓度。ADO与T细胞上A2A受体（A2AR）结合，激活Gαs偶联信号，升高胞内环磷酸腺苷（cAMP）并激活蛋白激酶A（PKA），抑制T细胞受体（TCR）近端事件、NF-κB和雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1），减少干扰素-γ（IFN-γ）和颗粒酶B产生。CD39⁺CD8⁺ T细胞表现出细胞毒性降低和耗竭特征。

营养剥夺

谷氨酰胺：肿瘤细胞表现出"谷氨酰胺成瘾"。CD8⁺ T细胞中谷氨酰胺剥夺抑制mTORC1活性，损害三羧酸（TCA）循环回补，减少经谷氨酰胺酶1（GLS1）产生的α-酮戊二酸，并损害IFN-γ分泌。激活的CD8⁺ T细胞可部分上调乙酸代谢以适应谷氨酰胺限制，而癌细胞缺乏这种灵活性，为选择性GLS1抑制创造了治疗窗口。

色氨酸：表达吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）的肿瘤细胞和耐受性抗原提呈细胞将色氨酸转化为犬尿氨酸（Kyn）。Kyn激活芳烃受体（AhR），促进Treg分化并直接上调CD8⁺ T细胞上的PD-1。色氨酸耗竭同时激活一般性调控阻遏蛋白2（GCN2）应激激酶，进一步损害T细胞功能。

精氨酸：髓源性抑制细胞（MDSCs）和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）高表达精氨酸酶1（ARG1），将精氨酸水解为尿素和鸟氨酸。精氨酸缺乏下调CD3ζ链表达，损害TCR信号，并通过CASTOR1-GATOR2轴抑制mTORC1，损害效应功能所需的糖酵解和氧化磷酸化。

甲硫氨酸：肿瘤细胞过表达转运体SLC43A2，竞争性剥夺浸润CD8⁺ T细胞的细胞外甲硫氨酸，降低胞内甲硫氨酸和S-腺苷甲硫氨酸（SAM），减少STAT4等基因座位的H3K79二甲基化。甲硫氨酸剥夺构成一条与受体介导抑制平行的表观遗传学耗竭途径。

缺氧

缺氧诱导因子1α（HIF1α）上调肿瘤和髓系细胞上的PD-L1，直接损害T细胞功能；缺氧诱导因子2α（HIF2α）增强谷氨酰胺消耗，加剧营养竞争。缺氧直接诱导T细胞线粒体碎片化，减少ATP产生，增加ROS并激活p38 MAPK。缺氧同时上调CD39和CD73表达，促进ADO蓄积，并通过HIF1α介导的糖酵解基因表达反馈于乳酸代谢，形成自我强化的免疫抑制网络。

纳米材料重编程TME中有害代谢物以克服T细胞耗竭

靶向乳酸代谢：从代谢废物到免疫治疗弱点

纳米材料介导的乳酸调节策略分为三类：抑制乳酸合成（阻断糖酵解）、促进乳酸分解（酶促降解）和阻断乳酸跨膜转运（MCT抑制）。Xu等人开发了癌细胞膜伪装纳米平台CYBC NPs，共载GLUT1抑制剂BAY-876和胱氨酸，通过阻断葡萄糖摄取并补充胱氨酸，利用GLUT1抑制产生的NADPH使细胞对二硫化物死亡敏感。CYBC治疗降低乳酸水平，并在第19天维持CD8⁺ T细胞上PD-1和TIM-3低表达，而BAY-876单药治疗中T细胞活化减弱且耗竭标志物上调。Kolb等人开发了线粒体靶向纳米颗粒Mito-DCA，封装PDK1抑制剂二氯乙酸。通过三苯基膦阳离子偶联实现癌细胞线粒体选择性蓄积，利用癌细胞高于T细胞的线粒体膜电位实现功能性选择性。T-Mito-DCA-NPs显著降低4T1和CT26肿瘤细胞的糖酵解速率和乳酸水平，同时不损害T细胞代谢，并减少肿瘤浸润CD8⁺和CD4⁺ T细胞上PD-1、TIM-3、LAG-3和CTLA-4的表达。Wu等人开发了Syr/LOD@HFN，中空氧化铁纳米颗粒共载MCT1/4抑制剂syrosingopine和乳酸氧化酶，形成级联放大系统：Syr阻断乳酸外排，胞内蓄积的乳酸驱动乳酸氧化酶产生H₂O₂，进而驱动Fenton化学产生ROS介导的细胞毒性，同时增强TNF-α和IFN-γ释放、促进M1极化和抑制Treg介导的免疫抑制。

靶向脂质代谢：解决内质网应激和代谢竞争

Yin等人开发了氢键有机框架生物调节器HN@CaCL-R，共包封胆固醇氧化酶（CO_X）和肝X受体激动剂LXR-623，经RVG29表面修饰靶向胶质母细胞瘤。CO_X在胞外催化胆固醇氧化，耗竭直接接触T细胞的胆固醇池；释放的LXR-623在胞内上调胆固醇外排转运体ABCA1/ABCG1并下调摄取受体LDLR，减少肿瘤细胞胆固醇蓄积。该平台双向阻断PD-1/PD-L1通路，降低2B4表达，缓解ER应激，增加CD8⁺ T细胞肿瘤浸润并下调PD-1和2B4表达。Xue等人开发了胆固醇耗竭纳米脂质体ictLipo，整合光热治疗（PTT）、缺氧激活化疗和胆固醇代谢调节。共包封IR806（光热剂）、胆固醇氧化酶（ChOx）和替拉扎明（TPZ，缺氧激活前药）。ChOx催化胆固醇氧化，耗竭癌细胞和TME中的胆固醇，发挥三重协同功能：破坏脂筏以损害ATP合成并下调热休克蛋白70和90（HSP70/HSP90），加剧缺氧以激活TPZ细胞毒性，减少细胞外胆固醇以缓解肿瘤浸润CD8⁺ T细胞的ER应激。在4T1模型中，ictLipo加激光将耗竭的PD-1^highTim-3^high CD8⁺ T细胞从约45%降至19.6%，促进DC成熟，极化巨噬细胞从M2向M1，联合抗PD-1抑制转移并建立中央记忆T细胞。Zhang等人开发了SPNCOX，一种智能纳米蛋白水解靶向嵌合体，用于肿瘤特异性COX-1/2降解。平台整合光敏剂、组织蛋白酶B可切割的COX靶向肽和VHL招募肽。肿瘤蓄积后，组织蛋白酶B切割释放活性PROTAC，招募von Hippel-Lindau（VHL）E3连接酶泛素化并降解COX-1/2，实现持续的PGE2耗竭。联合光动力治疗诱导免疫原性细胞死亡（ICD），协同抑制MDSCs、M2极化和Tregs，同时增强CD8⁺ T细胞浸润和颗粒酶B分泌。

靶向腺苷代谢：解除嘌呤能检查点

Wu等人开发了癌细胞来源外泌体C-PMet，共包封CD39抑制剂POM-1和AMP活化蛋白激酶（AMPK）激动剂二甲双胍。二甲双胍激活AMPK增强线粒体ATP产生，POM-1抑制CD39介导的ATP降解为ADO，保留促炎性ATP并阻止免疫抑制性ADO蓄积。高细胞外ATP触发巨噬细胞P2X7-NLRP3炎症小体激活，促进焦亡并增强DC成熟和细胞毒性T/自然杀伤（NK）细胞功能。C-PMet降低肿瘤ADO，抑制CD39/CD73活性，增加颗粒酶B⁺和IFN-γ⁺ CD8⁺ T细胞，减少耗竭的CD8⁺CD39⁺ T细胞，并克服抗PD-1耐药。Zhang等人构建了Au@Cu_2?xSe纳米颗粒（ACS NPs）用于胶质母细胞瘤免疫治疗。核壳结构实现双重治疗功能：类Fenton反应缓解肿瘤缺氧，从而抑制CD73表达并减少免疫抑制性ADO产生，增强T细胞浸润和活性，并与放疗协同实现显著肿瘤消减。

纳米材料重编程TME营养缺乏以克服T细胞耗竭

谷氨酰胺代谢重编程

Zheng等人开发了仿生纳米系统R-CM@MSN@BC，结合光动力治疗、GLS1抑制和生物成像。利用ROS响应性二硒键桥接中空介孔有机硅纳米颗粒，共包封光敏剂Ce6和GLS1抑制剂BPTES，经RGD修饰的红细胞膜包被实现肿瘤靶向。激光照射后，ROS切割二硒键触发药物释放，Ce6放大ROS诱导ICD，BPTES抑制GLS1阻断谷氨酰胺代谢。通过抑制肿瘤谷氨酰胺消耗，恢复间质谷氨酰胺水平，缓解驱动T细胞耗竭的营养剥夺。CyTOF分析证实免疫重塑：M2巨噬细胞减少，M1巨噬细胞增加，耗竭T细胞减少。

色氨酸代谢重编程

Pan等人开发了基于肽-药物偶联物（PDC）的自适应纳米调节器NSPL NPs，具有序贯两阶段形态转变，分别靶向癌症相关成纤维细胞（CAFs）和肿瘤细胞。纳米构建体包含四个模块：CAF归巢GPAC肽、PEG、PPa偶联PDC和CAFi，以及IDO1抑制剂（IDO1i）偶联PDC。靶向CAFs上的成纤维细胞活化蛋白-α（FAP-α）后脱落PEG并重组装为纳米纤维，实现持续的CAFi释放。激光照射后，ROS诱导氧化促使解组装为球形纳米颗粒，实现肿瘤细胞内化和胞内IDO1i释放。IDO1i灭活IDO1-KYN轴，阻断色氨酸耗竭和KYN蓄积，防止KYN驱动的CD8⁺ T细胞耗竭并恢复效应功能。Chae等人开发了KYNase-BIND，一种可生物降解的可植入纳米颗粒储库，递送犬尿氨酸酶以降解TME中的KYN。