說在前面
今天為大家分享一篇Cell Reports（IF 9.995）上的腫瘤中代謝相關(guān)文章“Metabolism drives macrophage heterogeneity in the tumor microenvironment”。腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAMs）是腫瘤微環(huán)境（TME）中的主要的免疫細(xì)胞類型。然而，TAMs的表型和腫瘤微環(huán)境代謝模式之間的關(guān)系仍不清楚。圍繞這個(gè)科學(xué)問題，作者對(duì)結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移小鼠的肝臟機(jī)型單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)TAMs在轉(zhuǎn)錄、發(fā)育、代謝和功能水平上表現(xiàn)出高度的異質(zhì)性。
研究背景
腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞（TAMs）是腫瘤微環(huán)境（TME）中的主要細(xì)胞類型。TAMs與腫瘤病理生物學(xué)的多個(gè)方面相關(guān)，如免疫抑制、新生血管形成、轉(zhuǎn)移和治療耐藥性。在適當(dāng)?shù)拇碳は?，巨噬?xì)胞被激活成不同的炎癥狀態(tài)，包括M1（經(jīng)典激活）和M2（選擇性激活）兩類。M1巨噬細(xì)胞具有促炎作用，與細(xì)菌及細(xì)胞內(nèi)病原體的免疫反應(yīng)相關(guān)。相反，M2具有抗炎作用，在血管生成和傷口愈合中發(fā)揮功能。M2也與輔助性T細(xì)胞2（Th2）反應(yīng)相關(guān)。因此，巨噬細(xì)胞可能直接介導(dǎo)腫瘤殺死某些類型的癌癥，并與改善患者預(yù)后相關(guān)。TAMs的表型和代謝模式之間的關(guān)系仍不清楚。目前，已有一些研究從單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組層面分析了細(xì)胞內(nèi)信號(hào)反應(yīng)、細(xì)胞類型特異性途徑、潛在功能和主要代謝途徑的活性等信息，并發(fā)現(xiàn)代謝可以重塑腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞狀態(tài)，并改變隨腫瘤微環(huán)境的變化TAMs的表型和功能改變。于是作者通過對(duì)攜帶肝轉(zhuǎn)移性腫瘤的小鼠的肝臟TAMs進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，TAMs具有發(fā)育、代謝和功能異質(zhì)性，嘌呤代謝可能是前腫瘤巨噬細(xì)胞群體的一個(gè)關(guān)鍵代謝特征。
研究內(nèi)容
1. 單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序揭示了TAMs的代謝異質(zhì)性
為了鑒定肝臟TME中的巨噬細(xì)胞，從有MC38皮下腫瘤和沒有MC38腫瘤的小鼠肝臟中分離了肝單核細(xì)胞進(jìn)行scRNAseq。合并正常和腫瘤樣本后，CCA去批次后進(jìn)行聚類和細(xì)胞注釋，展示了UMAP分析（圖1A和1B）聚類后，作者鑒定了14個(gè)轉(zhuǎn)錄不同的巨噬細(xì)胞亞群。并將整合的數(shù)據(jù)集分成2個(gè)投影，其中2021個(gè)來自非肝腫瘤小鼠的肝巨噬細(xì)胞（正常巨噬細(xì)胞）和6035個(gè)來自非肝腫瘤小鼠（TAMs）的肝巨噬細(xì)胞（圖1C）。并對(duì)正常和腫瘤中不同cluster的細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞數(shù)量統(tǒng)計(jì)（圖11D）。與正常樣本相比，腫瘤樣本中簇0、1、4、5、5、6、9、12和13的相對(duì)大小增加，簇2、3、7、10、11的大小減小。這些數(shù)據(jù)揭示了肝內(nèi)TAM的高度異質(zhì)性，并表明腫瘤對(duì)TAM組成有重要影響。
肝巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出不同的起源、位置和時(shí)間。為了闡明這些肝巨噬細(xì)胞在轉(zhuǎn)移小鼠和原發(fā)小鼠中的潛在發(fā)育來源，通過marker基因?qū)?4個(gè)細(xì)胞粗進(jìn)行細(xì)胞注釋分析，鑒定了4種類型的巨噬細(xì)胞，包括肝臟駐留的巨噬細(xì)胞（Kupffer細(xì)胞）單核細(xì)胞來源的巨噬細(xì)胞（MDMs）、肝囊巨噬細(xì)胞（LCMs）和腹膜巨噬細(xì)胞（PMs）（圖2E-2G）對(duì)每個(gè)聚類中的可變基因進(jìn)行主成分分析（PCA），每個(gè)細(xì)胞類型聚類具有相似的細(xì)胞特性（圖2H）。為了研究巨噬細(xì)胞的發(fā)育特征，作者從幾個(gè)常規(guī)的代謝功能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，肝臟駐留的巨噬細(xì)胞顯示出鐵代謝活性，大多數(shù)MDM簇表現(xiàn)出較高的缺氧和增殖活性。除Kupffer細(xì)胞外，mdm、LCMs和PMs均表現(xiàn)出免疫抑制潛能，如免疫抑制基因Tgfb1、Vsir、Pirb和Trem2在TAMs中高表達(dá)（圖2I）。總之，通過單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組鑒定了來自4個(gè)可能的不同發(fā)育來源的14個(gè)肝巨噬細(xì)胞簇，揭示了肝臟TME中巨噬細(xì)胞的高度異質(zhì)性。
代謝影響免疫細(xì)胞的表型和功能，包括免疫細(xì)胞的腫瘤微環(huán)境。為了能夠更精準(zhǔn)的研究肝臟腫瘤微環(huán)境中巨噬細(xì)胞亞群的代謝特征，對(duì)KEGG中的60個(gè)代謝途徑進(jìn)行了GSEA（圖3A）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，14個(gè)巨噬細(xì)胞簇顯示出不同的代謝活性（圖3B和3C），肝臟微環(huán)境中的TAMs表現(xiàn)出不同的代謝活動(dòng)。于是在單細(xì)胞水平上探索肝巨噬細(xì)胞的代謝異質(zhì)性。通過1310個(gè)代謝基因進(jìn)行GO分析，發(fā)現(xiàn)與GSEA結(jié)果一致，8056個(gè)巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出異質(zhì)性的代謝模式。
基于PCA和Pearson相關(guān)矩陣的相似性分析，將肝巨噬細(xì)胞分為5個(gè)代謝簇，具有脂質(zhì)代謝、嘌呤代謝、氨基酸（AA）代謝、OXPHOS和糖酵解等特征（圖4E）。對(duì)每個(gè)代謝聚類中代謝基因特征的GSEA進(jìn)行進(jìn)一步的GO分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)代謝類型在相應(yīng)的代謝聚類中主要富集（圖4F）。代謝聚類可能會(huì)區(qū)分出不同來源的巨噬細(xì)胞（圖4G-I）。但將TAMs分類為M1型和M2型存在一定的局限性，于是通過代謝譜對(duì)TAMs進(jìn)行分類可以為TAM的異質(zhì)性提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物可以通過其溶質(zhì)載體（SLCs）運(yùn)輸，是代謝活動(dòng)的先決條件。根據(jù)分析結(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)TAM亞群的不同代謝活動(dòng)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體SLC2A1在糖酵解簇中高表達(dá)，而鳥氨酸轉(zhuǎn)位酶SLC25A15在AA簇中高表達(dá)（圖4J）。此外，預(yù)測有不同的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控每個(gè)代謝簇中前10個(gè)高表達(dá)基因的表達(dá)（圖4K）。為了識(shí)別正常巨噬細(xì)胞和TAMs之間的代謝差異，作者將整合的和代謝標(biāo)記的巨噬細(xì)胞投影儀分為兩個(gè)投影儀（圖4L）。腫瘤細(xì)胞的存在顯著地改變了肝巨噬細(xì)胞的代謝譜（圖4L-M）。免疫熒光染色顯示，與肝臟中的TAMs相比，Kupffer細(xì)胞主要位于瘤周區(qū)域（圖4N），提示該細(xì)胞的定位可能形成其代謝譜。值得關(guān)注的是，所有腫瘤誘導(dǎo)的代謝簇主要來自MDMs，并貢獻(xiàn)了67.7%的TAMs（圖4M和4O）。這些結(jié)果表明TAMs被代謝重編程，其中MDMs在肝臟TME中被嚴(yán)重的代謝重編程。
2. TAM的代謝模式與其功能特征相關(guān)
代謝譜與TAMs的表型和功能相結(jié)合。在巨噬細(xì)胞中的5個(gè)代謝簇（圖4E）中發(fā)現(xiàn)了差異表達(dá)的基因（DEGs）。為了進(jìn)一步研究TAM的代謝譜是否與腫瘤中的功能相關(guān)，不同代謝簇中的吞噬作用、抗原呈遞、血管生成、免疫抑制和M1/M2樣極化（圖5A-5I）。糖酵解的TAMs具有最高的吞噬能力（圖5A-5C）。與具有其他代謝譜的TAMs相比，具有嘌呤代謝的TAMs的抗原呈遞能力最低（圖5D-5F）。此外，具有腫瘤誘導(dǎo)代謝特征的TAMs，包括嘌呤代謝、AA代謝和糖酵解（圖4L），表達(dá)了高水平的促血管生成基因（圖5G-5I）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論樣本來源如何，處于相同代謝狀態(tài)的巨噬細(xì)胞傾向于顯示出與PCA相似的功能基因模式（圖5J）。這些數(shù)據(jù)表明，不同的代謝模式與TAMs中不同的功能程序相關(guān)。
3. 嘌呤代謝TAMs終末分化且介導(dǎo)免疫抑制
基于TAMs中代謝模式和功能程序之間的關(guān)系，作者研究了TAMs的代謝重構(gòu)是否與其細(xì)胞分化相關(guān)。通過scVelo進(jìn)行的RNA速度分析，研究代謝重編程后細(xì)胞分化。由此發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞群體中的代謝轉(zhuǎn)錄程序發(fā)生了顯著的動(dòng)態(tài)變化（圖6A和6B）。RNA速度分析顯示，5個(gè)代謝群體的細(xì)胞狀態(tài)不同（圖6C）；其中，嘌呤代謝巨噬細(xì)胞處于終末期（圖6C-6F）。由于嘌呤代謝巨噬細(xì)胞位于運(yùn)動(dòng)軌跡的晚期，占所有TAMs的43.8%，作者重點(diǎn)分析了嘌呤代謝巨噬細(xì)胞。
研究發(fā)現(xiàn)，嘌呤代謝的TAMs可能是終末分化的，介導(dǎo)免疫抑制，并具有血管生成的效力為了支持這一觀點(diǎn)，嘌呤代謝基因特征與血管生成特征呈強(qiáng)正相關(guān)，與抗原呈遞基因特征呈負(fù)相關(guān)（圖6H）。相反，其他代謝特征與血管生成或抗原呈遞基因特征都沒有顯示出很強(qiáng)的相關(guān)性。此外，偽時(shí)間分析表明，巨噬細(xì)胞在從脂質(zhì)代謝轉(zhuǎn)向嘌呤代謝時(shí)，在獲得血管生成相關(guān)基因的表達(dá)時(shí)，逐漸失去了抗原呈遞相關(guān)基因的表達(dá)。此外，嘌呤代謝巨噬細(xì)胞表達(dá)了三種潛在的免疫抑制分子隨著偽時(shí)間的推移逐漸獲得（圖6I），并與嘌呤代謝特征的表達(dá)相關(guān)（圖6J-6K），而與其他三個(gè)代謝特征的表達(dá)不相關(guān)（圖6K）。這些數(shù)據(jù)表明，嘌呤代謝的TAMs可能是終末分化的，介導(dǎo)免疫抑制，并具有血管生成的效力。為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觀察結(jié)果，對(duì)肝巨噬細(xì)胞進(jìn)行了分類，并檢測了關(guān)鍵嘌呤通路基因的蛋白表達(dá)，包括嘌呤核苷磷酸化酶和腺嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶。與它們的轉(zhuǎn)錄水平一致（圖6G），與沒有腫瘤的肝臟巨噬細(xì)胞相比，TAMs中PNP和APRT的蛋白水平更高（圖7A）。使用TREM2作為表面標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)TREM2+巨噬細(xì)胞表現(xiàn)出更高的PNP活性，并表達(dá)了更高水平的AMP和腺苷，這是APRT下游的兩個(gè)關(guān)鍵代謝物（圖7B-7E）。此外，與無腫瘤的肝臟相比，有腫瘤的肝臟中有更多的TREM2+巨噬細(xì)胞（圖7F-7H）。TREM2+巨噬細(xì)胞中MHC-II（I-A/I-E）和MHC-I（H-2Db）的表達(dá)較低（圖7I和7J），表明其抗原呈遞能力降低。這些數(shù)據(jù)與我們的轉(zhuǎn)錄本分析結(jié)果一致（圖6G和6H）。這些結(jié)果表明嘌呤代謝TAMs在TME中具有最終分化和免疫抑制作用。
4. 嘌呤代謝性TAMs與臨床結(jié)果相關(guān)
通過對(duì)3個(gè)接受ICB治療的患者隊(duì)列進(jìn)行研究，作者發(fā)現(xiàn)無應(yīng)答者的TAMs中嘌呤代謝基因的表達(dá)水平始終高于有應(yīng)答者（圖8A），并且與基線樣本相比，來自無反應(yīng)者的TAMs在處理后的樣本中顯示出嘌呤代謝基因的表達(dá)更高（圖8B和8C）。因此，TAMs中的嘌呤代謝可能有助于原發(fā)性和獲得性治療耐藥性。接下來，研究了TAMs中嘌呤代謝基因的表達(dá)水平與患者生存率之間的關(guān)系。與低危組相比，嘌呤代謝基因如APRT、NT5C2、PAICS在高危組中表達(dá)量較高（圖7G，下），大多數(shù)患者死亡（圖7G，中），總生存期較短（圖7H）。Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型（Cox-PH）分析顯示，與嘌呤代謝基因中嘌呤代謝基因表達(dá)較低的患者相比，TAMs中嘌呤代謝基因表達(dá)較低的患者預(yù)后較差（圖7I）。結(jié)果表明，嘌呤代謝基因的表達(dá)水平與ICB反應(yīng)相關(guān)，并與患者的預(yù)后相關(guān)。
說在最后
綜合分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，嘌呤代謝增加是腫瘤腫瘤前和終末分化表型的一個(gè)特征。與小鼠TAMs一樣，人類TAMs也是高度異質(zhì)性的。嘌呤代謝增加的人類TAMs表現(xiàn)出前腫瘤表型，并與免疫檢查點(diǎn)封鎖的治療效果較差相關(guān)?？傊琓AMs具有發(fā)育、代謝和功能異質(zhì)性，嘌呤代謝可能是前腫瘤巨噬細(xì)胞群體的一個(gè)關(guān)鍵代謝特征。這篇文章分析的一個(gè)局限性是其相對(duì)依賴于轉(zhuǎn)錄組譜，而代謝蛋白表達(dá)水平、代謝酶活性、環(huán)境調(diào)節(jié)機(jī)制，可能協(xié)調(diào)決定腫瘤免疫中特定代謝途徑。所以，未來可以通過高通量代謝蛋白質(zhì)組學(xué)分析，以及功能研究，來充分表征TAMs。
[參考文獻(xiàn)]
Li, S., Yu, J., Huber, A., Kryczek, I., Wang, Z., Jiang, L., . . . Zou, W. (2022). Metabolism drives macrophage heterogeneity in the tumor microenvironment. Cell Rep, 39(1), 110609. doi:10.1016/j.celrep.2022.110609
