编译：黄婷 ；审校：张军，缪长虹
限制饮食在抗肿瘤中的应用一直是基础和临床研究的热点。然而迄今为止，尚不清楚具体饮食结构对免疫系统的影响及其在肿瘤免疫治疗中的作用。流行病学研究已证实，饮食结构与肿瘤的发生率和死亡率密切联系。尽管单一饮食因素不是导致肿瘤发生的唯一因素，但大量食用动物脂肪、乳制品和红肉与肿瘤发病率和死亡率增加相关。Ashley Orillion等人在《Clinical Cancer Research》杂志上发表一篇题为《Dietary Protein Restriction Reprograms Tumor-Associated Macrophages and Enhances Immunotherapy》的文章，观察研究了限制蛋白质/氨基酸饮食对重编码肿瘤相关巨噬细胞和免疫治疗的影响。现介绍如下：
研究背景
巨噬细胞浸润对肿瘤免疫逃逸、血管生成、生长和转移至关重要。巨噬细胞有两种表型：免疫激活（即M1样）与免疫抑制（即M2样），其表型在很大程度上受肿瘤微环境（TME）或局部释放的肿瘤衍生因子影响。从一种功能状态到另一种功能状态的转变被称为“极化”，同一巨噬细胞群体具有独特的可塑性，以适应并应对炎症环境。巨噬细胞的极化和功能又受各种信号通路和转录因子的影响。mTOR通路与细胞营养敏感性密切相关，其激活可诱导巨噬细胞向M2亚型极化，促进肿瘤进展和免疫抑制。相反，抑制mTOR途径可促进巨噬细胞向抗肿瘤M1亚型转移。在营养物质和生长因子影响下，mTOR通路控制单核细胞衍生的巨噬细胞和髓样树突状细胞中促炎/抗炎细胞因子的表达。本文提出限制蛋白质/氨基酸（AA）饮食重编码巨噬细胞极化并促进其抗肿瘤作用的假说，即减少饮食中特定AA（如蛋氨酸或胱氨酸）可诱导肿瘤相关巨噬细胞（TAM）从促肿瘤表型向抗肿瘤表型转化。研究结果和结论1、限制蛋白质和AA饮食抑制巨噬细胞向M2表型的极化首先利用小鼠前列腺肿瘤模型，分别喂食20％或7％的蛋白质饮食。研究观察到TAM总数没有显着差异，但7％蛋白质饮食小鼠TAM的M1型增加M2型减少（图1A和B）。体外模型中，通过限制蛋氨酸评估特定氨基酸的改变对巨噬细胞极化和功能的影响。研究收集了原型M1-（IFNγ+ LPS）或M2-（IL4）刺激极化后的骨髓源巨噬细胞（BMDMs），并分析M1-（iNOS）或M2-（Arg1）型巨噬细胞的活力和标志性特征的变化（图1C）。尽管在限制AA条件下未观察到BMDMs活力的降低，但iNOS显着增加，而Arg1水平则降低（图1D和E）。图1. 蛋白质限制饮食抑制巨噬细胞向M2表型的极化2、限制蛋白质和AA饮食会逆转M2型巨噬细胞的免疫抑制功能研究进一步观察了BMDMs的极化与抗肿瘤活性的关系。极化的BMDMs与前列腺肿瘤细胞系RP-B6-Myc共培养72小时后，单独的AA限制对改变RP-B6-Myc细胞活力具有中等作用，巨噬细胞抗肿瘤活性增强。3、AA限制会影响BMDMs细胞因子的产生通过体外共培养实验发现：M1极化的巨噬细胞显示出与抗肿瘤/促炎表型一致的细胞因子/趋化因子谱，包括CXCL10、CXCL11、CCL2 / MCP-1、CXCL9、CCL3、CCL4和TNFα （图2A和B），以及包括IL6、IL10、IL13和IL33在内的肿瘤细胞因子和趋化因子降低（图2C）。在限制AA培养时，M2极化的巨噬细胞显示出包括IL1ra、IL6、IL23、CXCL1、CCL5和CCL17在内的肿瘤细胞因子和趋化因子减少（图2D和E）。这些细胞因子/趋化因子谱在抗肿瘤免疫中的重要作用已被证实，因此研究者将分析范围扩展到84种炎症蛋白（图2F）。更全面的分析揭示了五个关键的M2型巨噬细胞相关靶标下调，即IL1ra、IL10、IL13、IL17和CXCL1，与蛋白质组学结果一致（图2G）。考虑到AA限制对宿主影响的复杂性，该细胞因子的作用并不是“全或无”，而是参与机体促炎或抗炎过程。
图2. AA限制BMDMs抗肿瘤效应和细胞因子产生的影响4、限制蛋白质和AA饮食会抑制前列腺肿瘤和肾脏肿瘤进展为验证限制蛋白质或AA抑制肿瘤生长并增强免疫治疗的假说，该研究使用了两种同系小鼠模型RP-B6-Myc和RENCA，表现出M2样TAM的高度浸润（图3A–F）。发现在巨噬细胞耗尽的条件下，限制蛋白饮食并不能减少肿瘤的生长。通过进行80％蛋氨酸限制饮食（80MR），观察饮食中蛋氨酸/胱氨酸限制的免疫调节活性影响。并将饮食限制与两种不同形式的免疫疗法（survivin肽链疫苗和抗PD-1）相结合。结果发现：尽管总蛋白的限制并未显著影响肿瘤生长，但80MR可显着降低肿瘤的生长和终点肿瘤的重量（P <0.01；图4A–C）。用survivin肽链疫苗和抗PD-1治疗的80MR队列中的肿瘤生长被显著抑制（P <0.05；图4A和B）。单独的蛋白质限制并未显著抑制这些同基因肿瘤模型的生长（图4C和D）。但当将低蛋白（7％）饮食与survivin肽链型疫苗或抗PD-1疗法结合使用时，观察到显著的抑制作用（图4C和D），且与PD-1阻断剂联合使用可显着延长生存期（图4E）。图3. TAM的表型图4. 80％蛋氨酸限制饮食可显著抑制肿瘤生长并增强抗肿瘤免疫5、饮食调整改变免疫浸润环境在限制性饮食80MR和7％蛋白下，抗肿瘤/促炎性F4/80+MHCII类+ iNOS+M1型巨噬细胞显着增加；而在免疫治疗中，免疫（IT）治疗组M1型巨噬细胞显着增加（图5A）。80MR队列中的PD-L1+F4/80+和F4/80+CD206+Arg1+巨噬细胞与对照组相比显着减少。对于RP-B6-Myc模型，IT处理并未使M2型巨噬细胞发生改变（图5A）。相对于7％的饮食，在80MR研究中观察到的显著差异进一步支持了胱氨酸/蛋氨酸的限制对于改变TME中的巨噬细胞亚型至关重要。本研究还观察了TME在MDSCs浸润中的变化（图5B），发现多态核（PMN）和MDSCs亚型均显著减少，支持肿瘤生长并分化成TAM。通过蛋白质组分析仪阵列（Ary028）评估涉及免疫细胞浸润的趋化因子和细胞因子的产生，发现M1型促炎蛋白增加，包括CXCL11/I-TAC、IL1alpha、IL1beta、IL12p40、M -CSF和IL17A。除了增加的M1型巨噬细胞特征外，M2型与肿瘤生长/进展相关的蛋白质减少，包括C反应蛋白、FGF、IL33、瘦素和MMP9（图5C）。CD8+CD3+T细胞的TME浸润是抗肿瘤免疫力的关键组成部分，与改善患者的预后有关。本文在80MR和80MR+IT队列中观察到了肿瘤浸润的CD8+CD3+T细胞和细胞毒性颗粒酶B+CD8+CD3+T细胞的显着增加（图5D）。与对照组相比，80MR队列中循环CD8+CD3+T细胞显着增加（图5E），并且CD8+CD3+T细胞与M1型或M2型巨噬细胞比例增加。对TME内T细胞浸润的进一步分析显示CD8和TIM-3的共表达降低（图5F），IT组中CD8+CD3+与MDSC的比率显着增加。图5. 饮食调整与肿瘤浸润免疫细胞6、AA限制调节巨噬细胞极化的分子程序已有报道显示AA限制和氧化应激会上调胱氨酸谷氨酸转运蛋白，后者调节巨噬细胞极化表型和表达xCT的细胞内活性氧（ROS）。xCT在M1型巨噬细胞中高度表达，并在AA限制的BMDM中增加，并且mTOR途径和氧化还原敏感转录因子Nrf2与磷酸S6核糖体蛋白一起下调（图6A–C）。同样，Nrf2的负调节剂Keap1导致ROS / mTOR依赖性Nrf2泛素化在AA限制条件下显着上调。Atf4是xCT的转录因子，与LPS诱导的TLR4信号传导和细胞因子生成相关，并且当磷酸化时，eIF2α无法结合并抑制Atf4。在AA限制条件下观察到eIF2α磷酸化（图6D），同时M1和M2型巨噬细胞的Atf4基因表达增加。巨噬细胞中ROS的增加表明M1型极化和促炎性细胞因子释放增加。在AA限制条件下，巨噬细胞的ROS和Nfat5表达均显着增加（图6E），后者可促进多种促炎细胞因子（包括Ccl2、TNFα和IL12）的表达，并且是iNOS诱导所必需的。另外，通过定量RT-PCR显示包括Ccl2在内的几种促炎细胞因子的表达显着增加（图6F）。图6. AA限制调节巨噬细胞极化的分子程序7、M / CR饮食改变TME中的多胺合成途径多胺生物合成途径抑制可缓解肿瘤逃逸，增强T细胞反应性，抑制免疫抑制性髓样细胞（包括M2型TAM和MDSC）的分化和积累，同时促进TAM向M1型转化。在体外或在体内使用M/CR 均未观察到多胺的总体减少，但是在RP-B6-Myc模型的TME中，精胺（SPM）显着减少。TME中亚精胺（SPD）/SPM和腐胺（PUT）/SPM的比率增加，表明干预措施可能会抑制多胺生物合成途径。8、M / CR饮食改变肠道菌群，可能会导致免疫系统改变肠道菌群受饮食蛋白的影响，并与肿瘤免疫治疗相关。通过OTU分析可清楚区分对照组和80MR组小鼠粪便样品的微生物组。OTU显示，相对于对照组，80MR组的微生物群落发生明显变化，80MR组Ruminococcaceae和Prevotellaceae菌群相对丰度明显降低，乳杆菌科显着增加。
“论肿道麻”点评
本研究报告了限制蛋白质饮食或减少蛋氨酸/胱氨酸摄入量显着降低了巨噬细胞的M2型极化。在体实验也发现，该饮食干预措施会影响体内的 M2型巨噬细胞功能和TME中免疫细胞浸润。根据本文对胱氨酸/蛋氨酸的限制饮食研究，观察到，通过限制蛋白质饮食可显著增强机体抗肿瘤免疫反应，与免疫抑制性TME的转化有关，该过程由M2型巨噬细胞应答转变为mTOR /转硫/ xCT /细胞因子产生途径来介导。鉴于巨噬细胞极化和功能在肿瘤进展中的重要性，建议限制饮食中的蛋白质/氨基酸来诱导肿瘤浸润巨噬细胞或TAM功能的关键转变。该研究的数据首次定义了多种营养物感应途径，对AA限制的响应以及随后对巨噬细胞极化的影响进行了全面概述。提出改变饮食结构，特别是限制蛋白质，可以增强宿主系统对免疫治疗的反应。在第118期“限制饮食、抗应激性和肿瘤治疗之间的相关性”中曾经提及过蛋白质限制饮食在抗肿瘤治疗中的应用。这种饮食方式可通过减少肿瘤细胞的AA供应，从而影响蛋白质合成、mTOR激活和其他代谢过程而抑制肿瘤生长。临床前实验表明蛋白质限制饮食可以抑制动物体内实验的黑色素瘤生长，但对乳腺肿瘤或胶质瘤没有影响。在人类异种移植前列腺肿瘤和乳腺肿瘤小鼠模型中发现，减少膳食蛋白质摄入能够有效抑制肿瘤生长，这和血清PSA和IGF-1的降低和mTOR活性下调有关。因为限制蛋白质饮食所带来的蛋白质提供水平的下降，可能带来肿瘤诱导的肌肉降解和减少，提示通过单一氨基酸的饮食限制作为替代方案的可能性。目前，甲硫氨酸限制的饮食方式已经在肿瘤患者人群中进行了临床试验，目前而言表现出良好的耐受性。但是在TME中的正常细胞，包括成纤维细胞，内皮细胞和免疫细胞，都可以为肿瘤细胞提供其通过自噬降解的蛋白质，这可能是限制蛋白质饮食抗肿瘤治疗效果不明确的可能原因之一。编译：黄婷 审校：张军，缪长虹
原始文献：Orillion A, Damayanti NP, Shen L. et al. Dietary Protein Restriction Reprograms Tumor-Associated Macrophages and Enhances Immunotherapy. Clin Cancer Res. 2018 Dec 15;24(24):6383-6395.
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