Cell Met ｜ 浙江大学团队发现Kir2.1促进肿瘤相关巨噬细胞的形成机理

原创 珍奇 图灵基因 2022-11-15 10:11 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学机制

撰文：珍奇

IF：31.373

推荐度：⭐⭐⭐⭐⭐

亮点：

本研究发现肿瘤内高钾通过 Kir2.1 抑制 TAM 的抗肿瘤能力，Kir2.1 支持巨噬细胞电化学依赖性谷氨酰胺摄取。 Kir2.1 的基因缺失或药理学阻断可使肿瘤相关巨噬细胞向抗肿瘤状态重新极化，并减缓小鼠体内移植肿瘤和患者来源的异种移植细胞生长。

肿瘤微环境（TME）是一个独特的生态环境，它受所有瘤内细胞信号的干扰，瘤内高钾（K+）已显示出对T细胞的免疫增强作用。然而，作为一个与局部坏死相关的泛癌症特征，这种离子干扰对先天免疫的影响尚不清楚。2022年11月1日，浙江大学医学院王迪课题组于《Cell Metabolism》杂志上发表了一篇名为“Tumor-associated macrophages are shaped by intratumoral high potassium via Kir2.1”文章。在此，他们揭示了瘤内高K+抑制肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的抗肿瘤能力，而Kir2.1是在离子平衡的TME内恢复TAM的抗肿瘤能力的一个重要和潜在的治疗目标。

首先，为了探究离子干扰对瘤内先天免疫的全面影响，研究者分离了肿瘤间质（TIF）并进行了原子吸收光谱（AAS）分析，同时分析了TAMs的极化状态。在所有四个皮下实体瘤模型（即黑色素瘤、结肠癌、Lewis 肺癌和胰腺导管腺癌）中都观察到瘤内高K+TME。由此表明，在各种实体瘤中，过多的瘤内K+可能潜在地抑制TAMs的抗肿瘤极化。为了检验这一假设，他们应用了先前建立的体外 TAM 诱导系统。高[K+]e抑制了一系列与炎症有关的基因组和对肿瘤细胞的反应，促进了巨噬细胞向亲肿瘤状态的极化，使氧化磷酸化、血管生成和免疫抑制细胞因子的分泌升高。此外，转录结果分析得出，瘤内高K+可能是通过元代谢状态的改变从而影响了TAM抗肿瘤表型。

由于离子平衡对维持细胞功能至关重要，长期暴露于非生理水平的细胞外离子会依次诱发细胞重编程。因此他们推断，在高K+TME内，TAMs的生存和功能极化需要某些适应性。通过绘制 "细胞钾离子平衡"中的基因图谱，他们注意到Kcnj2（编码内向整流K+通道Kir2.1）表达急剧升高。接着，他们使用全细胞膜片钳记录了Kir2.1 通道活动，并进一步探究了Kcnj2的转录升高与高K+引发的TAM适应之间是否存在任何功能上的关联。电生理数据显示，作为高[K+]e条件下TAMs极化的调节器，Kir2.1的缺乏会诱发向抗肿瘤状态的复极化。

为了探究表达TAM的Kir2.1在抗肿瘤免疫中的潜在作用，他们在对照组和Kcnj2CKO小鼠中建立了移植的肿瘤模型。为了揭示 Kir2.1 缺陷对瘤内影响的全谱，他们将 TAMs (F4/80+) 与 TUNEL 一起进行原位染色。在提取荧光信号后，他们发现TAMs和TUNEL+细胞在Kcnj2CKO小鼠的肿瘤内的空间位置形成了紧密的集群，而在Kcnj2f/f小鼠的肿瘤内则是无序的。因此，他们评估了Kcnj2CKO小鼠肿瘤中TUNEL+细胞的富集是否是由于较少的TAM吞噬作用，这反过来又增强了抗肿瘤免疫力。注射GFP+肿瘤细胞后，Kcnj2CKO小鼠的TAMs表现出较低的吞噬能力。与先前研究一致，这种吞噬能力的下降又导致了瘤内环状GMP-AMP（cGAMP）的积累，这依次提升了局部I型FN的产生，表明抗肿瘤免疫力增强。总之，这些结果表明 TAM 特异性 Kir2.1 消耗通过极化TAM 和增强肿瘤内抗肿瘤免疫来减弱肿瘤生长。

TAMs不是一个对肿瘤免疫有明确影响的单细胞群体，而是一个多样化的细胞集合，在塑造肿瘤免疫微环境方面具有广泛的作用。使用scRNA- seq，作者对来自对照组和Kcnj2CKO小鼠的B16F10肿瘤的分类CD45+免疫细胞进行了分析，确定了28种细胞类型。分析结果显示，Kir2.1的耗竭可能导致瘤内 "干细胞样 "和效应性CD8+T细胞的维持，促进瘤内适应性免疫反应。由于Kir2.1的耗竭，免疫微环境在整体范围内被重塑为免疫激活的状态。

代谢线索在驱动免疫细胞的不同表型方面发挥着关键作用，巨噬细胞通常被分为两种不同的炎症性（M1）和免疫抑制性（M2）表型。虽然这种二元的M1-M2极化系统并不完全代表TAMs的体内状态，但代谢适应性次塑造了它们的功能极化和抗肿瘤能力。通过剖析单细胞数据，他们发现细胞氧化磷酸化和糖酵解与Ccl2hi TAMs的炎症反应有不同的相关性，表明代谢适应和TAM状态之间有内在的相关性。实验数据表明，Kir2.1调节的膜电位对TAM的GLN摄取至关重要，这可能决定了其对谷氨酰胺分解的代谢偏好，从而为TAM的极化状态提供动力。

为了扩大对人类癌症中Kir2.1的了解，他们首先评估了肿瘤内高K+和人类临床结果之间的关系。通过分析TCGA存放的数据，他们发现，与早期肿瘤相比，晚期肿瘤显示出更高的高K+特征水平。在用KCNJ2hi TAM水平进行肿瘤预后分析的基础上，他们对70名CRC患者进行了单中心回顾性队列研究，用手术活体组织构建了组织微阵列。利用公共和他们自己的队列数据，他们表明TAMs中Kir2.1的表达与人类癌症的进展有关，并与临床结果相关联。

利用他们的研究结果来开发抑制肿瘤生长的潜在治疗策略，他们将B16F10和MC38细胞接种到野生型小鼠体内。在小鼠和人类的临床前模型中，他们证明用ML133药物靶向Kir2.1可能是调控TAM群体以恢复抗肿瘤能力的潜在策略。

TME内有机无机因素的汇合大大塑造了免疫细胞的功能。最近的研究表明，瘤内乳酸和氢离子的积累抑制了CD8+T细胞的功能，并使TAM向亲肿瘤状态分化。从肿瘤-免疫共同进化的角度来看，免疫细胞在对抗或更被动地损害TME时需要采取某些策略，这可能同时赋予它们免疫抑制的特性。有鉴于此，新发现的瘤内离子紊乱将成为一种免疫抑制因子，在其离子适应过程中限制效应性CD8+T细胞功能并促进T细胞干性。这项研究结果表明，TAMs可以通过Kir2.1感知瘤内高K+状态。这种通道介导的反应进一步耦合了TAM的营养偏好和代谢编程，促进其免疫抑制表型。这种瘤内K+的升高存在于一系列实体瘤中，因此未来可进一步研究离子干扰对其他免疫细胞和TME成分的影响。

教授介绍：

王迪，浙江大学医学院副院长，感染与免疫中心主任，求是特聘教授。2003年毕业于武汉大学生命科学学院获得学士学位；2008年毕业于武汉大学生命科学学院病毒学国家重点实验室获得博士学位；攻读博士期间进入法国巴黎第十一大学联合培养，并于芬兰赫尔辛基大学、日本理化学研究所交流学习；2008年进入浙江大学医学院免疫学系任讲师、副教授；2012年底进入哈佛大学医学院免疫学系从事博士后研究工作 (合作导师Diane Mathis 院士)；2014年底任浙江大学医学院免疫学系教授，组建免疫代谢研究组。作为通讯作者在 Immunity (2016, 2018, 2021)，Science Immunology (2022)，Cell Metabolism (2022)，Molecular Cell (2019, 2020)，Developmental Cell (2022)，Nature Communications (2022)，GUT (2021) 等杂志发表多篇学术论文。获得国家杰出青年基金、优秀青年基金、重点项目资助，教育部“青年长江学者”，浙江省“万人计划”科技创新领军人才，浙江省杰出青年基金，浙江省有突出贡献青年科技人才，浙江省优秀博士论文导师 (2018, 2021)，药明康德生命化学研究学者奖，中国免疫学青年学者奖等。

参考文献：

Chen S, Cui W, Chi Z, et al. Tumor-associated macrophages are shaped by intratumoral high potassium via Kir2.1.Cell Metab. 2022;34(11):1843-1859.e11. doi:10.1016/j.cmet.2022.08.016