发现肿瘤内高钾环境通过钾离子通道Kir2.1塑造肿瘤相关巨噬细胞

肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)作为一种独特的生态位(niche),其稳态受到了肿瘤内各种细胞和胞外成分调控。以往的研究表明,这种以营养失衡、缺氧以及酸性为特征肿瘤微环境,对于肿瘤免疫细胞功能影响巨大。肿瘤微环境中的生物和无机因素的共同作用对于肿瘤内免疫细胞的适应性和功能塑造不可或缺。从肿瘤-免疫共同进化的角度,了解瘤内免疫细胞对抗或妥协这种严酷微环境中所采用的策略,可以为研究肿瘤诱导的免疫抑制背后的机制带来新的见解。近年来,一系列研究表明肿瘤内的也存在离子稳态失衡情况,且离子稳态对于肿瘤内免疫细胞的功能也至关重要。其中高钾离子(high K+)是其中一种广泛存在的微环境特征。虽然目前的研究阐明了肿瘤内高钾对肿瘤浸润效应性T细胞的免疫抑制作用,关于这种泛癌特征对肿瘤内固有免疫的影响还未被报道。

2022年9月13日,浙江大学基础医学院王迪教授联合浙江大学医学院附属第二医院丁克峰教授团队在Cell Metabolism杂志发表了题为“Tumor-associated macrophages are shaped by intratumoral high potassium via Kir2.1”的研究论文。该研究同时在小鼠模型和人类样本中,证明肿瘤内高K+通过靶向内向整流K+通道Kir2.1,调节肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages, TAM)的功能极化,从而抑制其抗肿瘤能力。

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图片来源:Cell Metabolism

肿瘤相关巨噬细胞(TAM)是一类肿瘤内动态且高异质性的细胞群,其异质性反映了其在肿瘤进展和临床预后上的双重作用:它们不仅可以发挥杀肿瘤功能、诱导抗肿瘤反应,也能促进肿瘤免疫逃逸和免疫抵抗。在营养缺乏的TME中,TAM的功能状态受到了很大的影响,其细胞代谢编程和对外源营养物的偏好(metabolic preference)之间的内在联系仍不明确。

研究人员利用多种小鼠肿瘤模型以及人临床肿瘤样本,发现肿瘤内高K+显示出对TAM抗肿瘤极化(anti-tumor)的抑制作用。作者进一步利用RNA-seq和膜片钳技术,鉴定了内向整流K+通道Kir2.1作为TAM感知高K+ TME并发生极化的重要调控分子。Kir2.1的条件性敲除能够解除高K+对TAM的抑制作用,使TAM复极化以重新获得抗肿瘤作用,降低肿瘤负荷。通过流式细胞仪和单细胞分析,研究人员系统地描绘了Kir2.1巨噬细胞条件性敲除可以全局性重塑TME中免疫细胞的抗肿瘤功能。

机制研究上,研究人员发现Kir2.1敲除可以使得TAM从氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, Oxphos)为优势的代谢特征转化为糖酵解(glycolysis)模式。功能代谢分析揭示了Kir2.1在TAM的代谢偏好性中发挥重要作用,Kir2.1维持的巨噬细胞膜电势对于电化学依赖的谷氨酰胺(glutamine)转运体SNAT2的功能至关重要。

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图片来源:Cell Metabolism

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为了进一步探索Kir2.1与肿瘤预后的关联性,研究人员在一个单中心回顾性队列中发现TAM Kir2.1的表达水平与结直肠癌患者临床结果的相关性。同时,通过单细胞数据分析得出的Kir2.1 high TAM的特征基因也可以区分TCGA泛癌患者的生存期。

最后,作者使用Kir2.1的选择性抑制剂ML133来评估药理学靶向Kir2.1的治疗潜力。在小鼠模型中,ML133与PD-1单抗的联合利用达到了更好的治疗效果。并且,ML133在小鼠移植肿瘤和结直肠癌患者来源的类器官(patient-derived organoid, PDO)中均显示出重编程TAM的巨大潜力,并可以抑制了小鼠和人源肿瘤的生长。在体外PDO模型中,ML133治疗将所有5名患者的人源性TAM复极化为抗肿瘤的M1状态,平均响应率为72.14%。

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图片来源:Cell Metabolism

综上,这项研究确定了在离子紊乱的肿瘤微环境中,Kir2.1作为TAM极化的关键调控分子。Kir2.1通过代谢重编程调节TAM的极化,从而影响其免疫功能。这些发现显示Kir2.1能够作为重塑TAM抗肿瘤能力的潜在靶点,也拓宽了人们对肿瘤微环境中离子紊乱的认识。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.08.016

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