骨肉瘤代谢-免疫-血管生态系统的多维互作机制及治疗脆弱性

《Frontiers in Immunology》：Osteosarcoma metabolism-immune crosstalk: the metabolic-immune-vascular ecosystem and therapeutic vulnerabilities

骨肉瘤（osteosarcoma）是最常见的原发性恶性骨肿瘤（primary malignant bone tumor）之一，其高转移倾向（high metastatic propensity）、显著异质性（pronounced heterogeneity）和治疗耐药性（therapeutic resistance）仍是限制患者长期生存的关键决定因素。越来越多的证据表明，骨肉瘤的恶性进展不仅源于肿瘤细胞的内在代谢异常（intrinsic metabolic abnormalities），还源于肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）内代谢重编程（metabolic reprogramming）、免疫抑制（immunosuppression）和异常血管生成（aberrant angiogenesis）之间的动态相互作用。骨肉瘤细胞可增强糖酵解（glycolysis）并重塑脂质代谢（lipid metabolism）和氨基酸代谢（amino acid metabolism），从而产生乳酸积累（lactate accumulation）、营养竞争（nutrient competition）、缺氧（hypoxia）和氧化还原失衡（redox imbalance）等代谢应激（metabolic stresses）。这些变化不仅支持肿瘤细胞的存活和增殖，还可能影响免疫细胞的功能状态，包括肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages, TAMs）、T细胞（T cells）、自然杀伤细胞（natural killer cells, NK cells）和髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells, MDSCs）。同时，缺氧（hypoxia）和代谢信号（metabolic signals）与异常血管生成（aberrant angiogenesis）密切相关，而功能失调的肿瘤血管（dysfunctional tumor vasculature）可进一步加剧低灌注（hypoperfusion）、免疫细胞排斥（immune cell exclusion）和代谢适应（metabolic adaptation）。这些相互作用共同构成了一个动态的代谢-免疫-血管生态网络（metabolic-immune-vascular ecological network），并可能参与骨肉瘤的进展、肺转移（lung metastasis）和治疗耐药（therapeutic resistance）。本文总结了骨肉瘤中的代谢重编程（metabolic reprogramming）及其与免疫微环境（immune microenvironment）和血管龛（vascular niche）的相互作用，重点聚焦于可能源于代谢-免疫-血管串扰（metabolic-immune-vascular crosstalk）的治疗脆弱性（therapeutic vulnerabilities），并分析了代谢靶向治疗（metabolic targeting）、免疫检查点阻断（immune checkpoint blockade, ICB）、工程细胞治疗（engineered cell therapy）、血管正常化（vascular normalization）和精准递送（precision delivery）等联合策略的研究进展及局限性。此外，本文探讨了单细胞组学（single-cell omics）、空间组学（spatial omics）和多组学技术（multi-omics technologies）在解析骨肉瘤代谢-免疫异质性（metabolic-immune heterogeneity）和识别潜在可干预龛位（potentially intervenable niches）中的应用价值。鉴于目前部分机制仍主要基于相关性证据（correlative evidence）或其他肿瘤模型，未来仍需开展骨肉瘤特异性功能研究（osteosarcoma-specific functional studies）和临床验证（clinical validation），以阐明其因果关系（causal relationships）和转化价值（translational value）。对该多维微环境网络（multidimensional microenvironmental network）的深入理解有望为骨肉瘤治疗从单靶点干预（single-target intervention）转向基于生物学脆弱性（biological vulnerabilities）的精准联合治疗（precision combination therapy）提供理论基础。

1 Introduction
骨肉瘤是最常见的原发性恶性骨肿瘤之一，具有青少年高发和显著血行转移倾向，肺转移与复发是影响长期生存的主要因素。尽管MAP化疗联合手术显著提高了局限性病变的生存率，但转移性疾病的长期获益仍然有限。近年来，酪氨酸激酶抑制剂、免疫检查点抑制剂（ICIs）、单克隆抗体及嵌合抗原受体T细胞免疫疗法（CAR-T）等策略持续探索，但广泛而持久的临床获益仍未实现。免疫治疗受限源于肿瘤异质性、抗原表达差异、效应免疫细胞浸润不足、免疫抑制性髓系细胞、异常血管及代谢应激等多重因素。代谢重编程被视为连接肿瘤细胞适应与微环境重塑的关键过程，但现有综述多单独聚焦代谢、免疫、血管或特定位点，缺乏骨特异性微环境中这些过程如何耦合的系统整合。本文提出代谢-免疫-血管生态系统作为整合框架，系统综述代谢重编程与免疫微环境及血管龛的相互作用，纳入骨重塑、矿物离子、基质力学和异常血管等骨肉瘤特异性因素，比较原发骨龛与肺转移龛的代谢-免疫差异，并从差异代谢依赖和治疗窗口角度评估联合策略，同时探讨单细胞、空间及多组学技术的应用价值与局限。

2 Metabolic reprogramming in osteosarcoma: the metabolic basis of immune remodeling
骨肉瘤代谢重编程是免疫重塑的代谢基础，其发生于持续骨重塑的矿化微环境中，受肿瘤内在程序与骨特异性信号共同调控。

2.1 Enhanced glycolysis and lactate accumulation
增强的糖酵解是重要特征，但PFKFB3功能证据较明确，GLUT1、HK2和LDHA主要为表达变化证据，不能直接推断其驱动糖酵解通量。单细胞显示恶性亚群间代谢异质性显著，部分去分化或干样细胞糖酵解相关转录程序更强，但反映的是转录潜能而非真实通量。持续糖酵解增加乳酸产生，乳酸可作为微环境信号，但直接机制在骨肉瘤中的证据仍主要借鉴其他实体瘤。骨基质力学可能通过整合素-细胞骨架-YAP/TAZ机械转导影响糖酵解，但完整因果链尚待验证。

2.2 Lipid metabolic remodeling and metabolic adaptation
单细胞与转录组显示脂质代谢基因表达存在显著异质性，但与脂肪酸氧化（FAO）等实际通量的增加不能直接等同。PLIN2和DGAT1直接功能证据有限。治疗前后脂肪酸代谢程序变化支持代谢塑性，但需脂肪酸示踪等功能实验验证。PGE2等脂质信号具有免疫调节作用，但完整机制主要源于其他肿瘤模型。

2.3 Amino acid metabolic competition and immunomodulatory metabolites
谷氨酰胺代谢主要反映肿瘤细胞对碳氮源的高需求，某些亚型存在谷氨酰胺利用程序，但不能视为骨肉瘤共有特征。色氨酸代谢中IDO-Kyn-AhR通路影响T细胞功能，但机制主要源于其他肿瘤。精氨酸代谢更多反映免疫抑制细胞介导的ARG1依赖的氨基酸耗竭，限制T细胞功能，但同样主要基于其他肿瘤模型。

2.4 Bone remodeling-derived metabolic signals and osteosarcoma metabolic adaptation
骨吸收释放TGF-β、IGF-1、BMPs等因子，可与PI3K-AKT-mTOR、HIF等代谢网络交叉。骨吸收释放Ca²⁺和PO₄^3?，Ca²⁺感应信号可影响细胞行为，但是否直接重塑糖酵解或谷氨酰胺代谢尚需功能研究。骨重塑是代谢适应的关键上游调控者。

3 Metabolic regulation of the immune microenvironment in osteosarcoma
免疫细胞功能受局部营养与代谢物调控，但多数直接机制证据源自其他实体瘤。

3.1 Functional plasticity of TAMs and metabolic-bone-derived signal adaptation
单细胞显示TAMs呈连续功能状态谱，兼具炎症、免疫调节、血管生成等特征。乳酸和酸化可通过HIF-1α、STAT3诱导IL-10、TGF-β等程序；PPARγ、LXR及CPT1A相关FAO支持巨噬细胞代谢适应。骨吸收增加局部Ca²⁺，CaSR和calcineurin-NFAT信号可影响巨噬细胞迁移与炎症，但在骨肉瘤中稳定因果路径尚缺乏证据。

3.2 T cell metabolic dysfunction and bone-derived ion/mechanical regulation
骨肉瘤中T细胞浸润不足、耗竭及代谢异常已有观察，但完整机制主要建立于其他肿瘤。激活T细胞需足够葡萄糖和氨基酸维持mTORC1功能；乳酸和犬尿氨酸可抑制其代谢与细胞因子产生。骨来源Ca²⁺和力学信号可通过Ca²⁺-calcineurin-NFAT及整合素通路影响T细胞激活与迁移，但在骨肉瘤中的持续驱动作用尚待验证。

3.3 Metabolic stress and impaired function of NK cells
骨肉瘤中NKG2D配体下调及受体异常与免疫逃逸相关，但葡萄糖限制、乳酸、低pH和缺氧抑制NK细胞功能的机制主要源于其他研究。现有证据更支持NK细胞状态异质性，实际代谢通量与因果效应缺乏充分验证。

3.4 MDSCs and metabolic immunosuppression
MDSCs通过ARG1和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）介导代谢免疫抑制，ARG1耗竭精氨酸，iNOS增加一氧化氮（NO）和活性氧（ROS），干扰T细胞受体信号。这些机制在多种肿瘤中验证较充分，但在骨肉瘤中直接因果关系仍需确认。MDSCs亦可通过CD36相关脂质摄取和FAO支持免疫抑制功能，但CD36-FAO或LXR-RXR通路在骨肉瘤中的疾病特异性功能轴尚待验证。

4 The metabolic-immune-vascular ecosystem of osteosarcoma
代谢重编程、免疫功能障碍和血管重塑并非孤立，而是受缺氧、代谢物、骨基质变化及细胞间信号共同调控。

4.1 Hypoxia and metabolic signals drive abnormal angiogenesis
缺氧激活HIF信号，HIF-1α既调控糖酵解基因又促进VEGF表达，缺氧-HIF-VEGF轴在骨肉瘤中具有相对较强的疾病特异性支持。乳酸积累可放大促血管生成状态，但直接证据仍然有限。骨基质力学可能构成组织特异性调控层，但完整因果链尚未确立。

4.2 Dysfunctional tumor vessels and immune exclusion
骨肉瘤血管可表现结构紊乱、通透性增加、周细胞覆盖不足及灌注不均。异常血管生成伴随内皮黏附分子下调和跨内皮迁移受损，形成免疫排斥。血管周围区域可能形成免疫抑制龛，但该多细胞网络的因果序列仍缺乏系统验证。

4.3 Self-reinforcing bone-metabolism-immune-vascular ecosystem
骨重塑产生矿物离子和机械变化，肿瘤代谢适应导致乳酸积累，TAMs等产生VEGF和MMPs，功能失调血管导致灌注不足和缺氧。该网络具有显著空间和时间异质性，原发与转移灶之间相对贡献可能不同。

5 Metabolic-immune remodeling in osteosarcoma metastasis
肺转移并非原发肿瘤的简单延续，需经历循环存活、外渗、早期定植和远端组织适应等阶段。

5.1 Formation of the pulmonary pre-metastatic niche
原发骨肉瘤通过细胞外囊泡（EVs）等影响肺微环境。骨源性EVs携带TGF-β作用于间充质干细胞/基质细胞（MSCs）诱导IL-6；外泌体中miR-27a-3p靶向TNFAIP3增强肺成纤维细胞炎症信号。循环代谢物可能参与远程龛调控，但独立建立pre-metastatic niche的证据不足。

5.2 Early pulmonary colonization and immune niche remodeling
肺泡巨噬细胞作为组织驻留髓系群体与募集巨噬细胞构成不同背景。CSF1-CSF1R轴是较具代表性的髓系调节通路，骨肉瘤来源CSF1影响单核/巨噬细胞功能状态。MDSCs、中性粒细胞和效应T细胞也可能参与，但不同阶段的免疫时空变化证据仍较有限。

5.3 Metabolic adaptation of lung metastases
肺转移灶在生长中亦可形成缺氧区域。循环代谢组学发现转移患者存在oxylipin谱改变（如9-HODE、9-HpODE和13-KODE），但反映全身代谢状态。脂肪酸摄取、FAO和线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）可能提供代谢优势，但直接功能证据有限。原发骨龛和肺转移龛形成不同的代谢-免疫依赖，但差异具有阶段依赖性和器官依赖性。

6 Targeting therapeutic vulnerabilities in metabolism-immune interactions
由于肿瘤细胞与效应免疫细胞共享多条基础代谢途径，系统性抑制单一通路往往难以持续获益，且可能损害抗肿瘤免疫。治疗核心在于识别差异依赖，以建立治疗窗口。

6.1 Targeting metabolic dependency: therapeutic window and immune cost
HK2和LDHA介导的糖酵解虽支持骨肉瘤生长，但活化的CD8+细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）和NK细胞同样依赖糖酵解。GLS相关的谷氨酰胺代谢和CD36/CPT1A相关的脂质摄取亦存在类似双重性。IDO-Kyn和ARG1-精氨酸耗竭更多反映免疫调节营养环境。因此，应利用底物获取方式、代谢需求时序和替代能力上的差异，而非追求绝对肿瘤特异性通路。

6.2 Immune checkpoint blockade and metabolic regulation
PD-1/PD-L1或CTLA-4单药疗效有限，改善代谢微环境可能增强ICB反应，但需保留效应T细胞功能。代谢干预若同时削弱CTL增殖或持久性，可能抵消增敏效应。

6.3 CAR-T/NK and engineered cellular immunotherapy
靶向HER2、GD2、B7-H3的CAR-T在前临床模型中显示活性，但实体瘤微环境的代谢应激限制其持续效应。PDHA1上调、DGAT1编辑和增强ROS清除等代谢工程策略目前主要基于跨肿瘤证据。

6.4 Anti-angiogenic therapy and vascular normalization
抗血管生成治疗虽有临床研究基础，但血管正常化作为代谢-免疫增敏策略仍处于机制探索阶段，且过度血管修剪可能加重缺氧。

6.5 Precision delivery and nanotechnology
纳米递送旨在通过骨靶向或微环境响应系统提高局部暴露、减少全身毒性，但仍处临床前阶段。

6.6 Evidence hierarchy and translational prospects
现有治疗证据呈临床探索、前临床研究和跨肿瘤外推的连续谱，代谢联合ICB等策略需区分证据强度。

7 Single-cell and spatial multi-omics: decoding the metabolic–immune ecosystem of osteosarcoma
单细胞RNA测序（scRNA-seq）、空间转录组学和多组学整合将研究重点从哪些基因与预后相关转向哪些细胞状态在特定空间龛中参与代谢-免疫串扰。

7.1 Single-cell transcriptomics reveals cell state-specific metabolic–immune heterogeneity
恶性细胞并非单一代谢表型，复发肿瘤中癌症相关成纤维细胞（CAFs）组成改变，LOX和细胞外基质（ECM）重塑程序增强。可鉴定出耗竭T细胞、不同NK状态及SPP1-CD44相关巨噬细胞亚群。但骨组织解离和脱钙处理可能引入技术偏倚，单核RNA测序（snRNA-seq）亦存在核转录偏倚。单细胞代谢评分基于转录数据，不能等同于真实代谢通量。

7.2 Spatial transcriptomics reveals the spatial organization of metabolism-related states and immune niches
空间转录组学提供带空间坐标的基因表达，而非代谢物浓度。某区域糖酵解相关基因富集不等同于高乳酸区域。标准10× Visium捕获点含多个细胞，去卷积方法依赖参考数据质量。空间邻近不能建立直接因果关系。骨肉瘤宜理解为由多种空间龛构成。

7.3 Multi-omics integration: from descriptive features to mechanistic evidence
多组学联合分析可鉴定EFEMP1、MIF和HDGF等候选节点，但许多代谢亚型仍基于批量（bulk）回顾性分析。更可靠的机制证据需要不同层级数据相互约束，理想路径应形成转录推断-细胞来源-空间定位-代谢物/通量验证-功能干预的证据链。

8 Challenges and future perspectives
该领域正从相关性观察转向机制验证和临床转化，但现有证据多源于细胞系、动物模型和回顾性组学分析。

8.1 From metabolic-immune associations to osteosarcoma-specific mechanisms
乳酸积累、氨基酸竞争等部分机制仍主要基于其他实体瘤。骨肉瘤发生于动态矿化骨龛，骨吸收、Ca²⁺释放、基质力学和YAP/TAZ机械转导提供独特背景。当前关键是澄清哪些骨特异性因素真正参与骨肉瘤进展。模型选择限制疾病特异性解释，更具说服力的验证应结合患者证据与功能实验。

8.2 Spatial, therapeutic, and metastatic heterogeneity of the metabolic-immune ecosystem
骨肉瘤内异质性存在于患者之间和单个肿瘤内部。新辅助化疗可改变局部代谢应激和血管结构，因此治疗前特征可能无法反映残留肿瘤生物学。肺转移增加额外复杂性，成功定植细胞需适应新免疫生态系统。

8.3 Therapeutic window between tumor metabolic targeting and antitumor immunity
系统性抑制糖酵解虽可能限制肿瘤，但也可能削弱效应淋巴细胞。治疗选择性可来自细胞依赖、空间分布和治疗时间三个方面。评价代谢治疗应同时监测CD8+ T细胞、NK细胞和髓系细胞的代谢状态及效应功能。

8.4 From metabolic-immune signatures to biomarker-driven clinical translation
现有代谢-免疫特征多源于回顾性数据，主要价值在于描述分子差异。未来应转向预测性和药效动力学标志物，临床试验应整合患者选择、药效验证和临床终点。

9 Conclusion
骨肉瘤恶性进展应视为肿瘤代谢、免疫细胞状态和功能失调血管共同塑造的动态微环境生态系统。代谢重编程、免疫适应和异常血管相互强化，构成理解进展、肺转移和治疗抵抗的关键框架。未来研究需区分描述性特征与功能性驱动节点，充分考虑治疗前后及原发与转移灶的异质性，建立由多组学、空间分辨、功能验证和临床验证构成的连续证据链，以推动精准联合治疗。