Nature Immunology | MCT11介导的乳酸代谢加剧耗竭T细胞功能障碍

今天分享一篇2024年11月发表在《Nature Immunology》上标题为Dysfunction of exhausted T cells is enforced by MCT11-mediated lactate metabolism的文章。该研究揭示了肿瘤浸润的Tex细胞通过上调Slc16a11（即MCT11）来增加乳酸等单羧酸的摄取，从而加剧这些细胞的功能障碍。研究表明，MCT11的表达受缺氧微环境和Hif1α转录因子的调控。在缺乏MCT11的情况下，Tex细胞的效应功能得到显著改善，并且与αPD1免疫疗法联合使用时产生协同效果。该结果显示，通过靶向MCT11可以有效增强免疫治疗的效果，为改善肿瘤免疫治疗提供了新的思路。

通讯作者：

通讯作者来自匹兹堡大学免疫学系教授Greg M Delgoffe，主要研究肿瘤微环境如何通过调节免疫细胞的代谢影响抗肿瘤免疫，包括探讨肿瘤如何通过代谢物支持 Treg 细胞的功能，以及如何通过代谢重编程恢复耗竭的抗肿瘤细胞毒性淋巴细胞（CLL）的功能，从而增强抗肿瘤反应。这些研究旨在揭示新的靶向代谢途径的策略，以改善肿瘤免疫治疗效果。

研究背景：

CD8+ T 细胞在免疫系统中发挥关键作用，通过 T 细胞受体（TCR）识别抗原，激活免疫反应以清除感染或肿瘤细胞。抗原清除后，大多数效应 T 细胞通常会凋亡，少部分存为记忆 T 细胞，能够在再次遇到相同抗原时迅速反应。然而，在肿瘤微环境（TME）中，肿瘤细胞持续刺激 CD8+ T 细胞，导致其进入一种被称为“耗竭”的功能低下状态，无法有效地清除肿瘤。研究表明，肿瘤微环境中的代谢应激，尤其是缺氧和乳酸积累，加剧了这种耗竭状态。乳酸作为肿瘤细胞和基质细胞的代谢副产物，在细胞外积聚，导致 pH 值下降，抑制 T 细胞功能。此外，肿瘤细胞通过 SLC 超家族的转运蛋白调控代谢物的流动，进一步影响 T 细胞的代谢状态，促进其功能耗竭。

结果与讨论：

1.Tex 细胞表达 MCT11，促进乳酸代谢

图1

由于细胞利用 SLC 超家族成员吸收大量代谢物，首先分析了肿瘤浸润性 Tex 细胞中哪些 SLC 表达。通过比较不同 T 细胞亚群的转录组数据，发现 Tex 细胞抑制了大多数 SLC 的表达，这与 T 细胞在肿瘤微环境（TME）中营养竞争较弱的观点一致（图 1a）。然而，少数 SLC 在 Tex 细胞中优先表达，其中最显著的是 Slc16a11（MCT11），属于 Slc16 MCT 家族（图 1b）。使用小鼠及人类交叉反应抗体进行流式细胞分析，发现 MCT11 在肿瘤浸润的 CD8+ Tex 细胞表面高度表达（图 1c-f）。此外，基于人类 CD8+ 肿瘤内 T 细胞的单细胞测序数据，作者还发现人类 Tex 细胞同样表达 SLC16A11（图 1g）。通过流式细胞术，进一步证实了 MCT11 蛋白在来自头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）和黑色素瘤的人类 Tex 细胞表面的表达（图 1h,i）。在 B16 黑色素瘤小鼠模型中，作者通过 [14C]-乳酸脉冲实验，证实肿瘤浸润 CD8+ T 细胞（TIL）群体代谢乳酸的能力存在显著差异（图 1j,k）。

作者利用条件性敲除小鼠，敲除MCT11 功能，并通过 GFP 荧光标记来识别表达 MCT11 的细胞。分析结果显示，MCT11 在 B16 小鼠 CD8+ TIL 亚群中主要表达于 Tex 细胞（约 25% 的细胞），而不在 Tpex 细胞中表达（图 1l）。抗体染色也证实 MCT11 在 Tex 细胞中被敲除（图 1m）。删除 MCT11 后，Tex 细胞中的乳酸氧化水平显著降低，接近 Tpex 细胞的水平（图 1n）。

2.MCT11 表达由慢性 TCR 刺激驱动

图2

作者通过检查Slc16a11 基因座的表观遗传图谱，以探讨其表达的驱动机制。ATAC 测序分析表明，Slc16a11 在 B16 肿瘤中的 Tex 细胞比 Tpex 细胞更容易接近（图 2a）。CUT&RUN 数据进一步揭示，Tex 细胞中的 Slc16a11 基因座富含组蛋白修饰 H3K4me3、H3K9ac 和 H3K27ac，而这些修饰在 Tpex 细胞中未见（图 2b-d）。此外，Slc16a11 基因座在 Tex 细胞中处于活跃状态，并与与耗竭相关的转录因子 BATF 和 TOX 结合（图 2e、f）。

通过慢病毒转染小鼠模型（图2g），作者发现 MCT11 在多个组织中，诸如淋巴结（LN）、脾脏、肾脏、肝脏、肺脏和骨骼中，尤其在 Tex 细胞中表达（图 2h），这表明 MCT11 的表达是 T 细胞耗竭程序的一部分，并提示可能有组织特异性因素在驱动 MCT11 在 Tex 细胞中的表达。进一步的实验表明，注射缺氧示踪剂的小鼠中，MCT11+ Tex 细胞暴露于更强的缺氧环境中，且在缺氧条件下，接受持续 TCR 刺激的 T 细胞中的 MCT11 表达显著增加（图 2i-k）。此外，Hif1α 也促进了 Tex 细胞中 MCT11 的表达（图 2l）。综上所述，这些数据表明，核心的疲劳程序为 Slc16a11 基因座的表达提供了表观遗传学准备，而缺氧环境等组织因素则进一步促进了 MCT11 的表达。

3.MCT11 可导致 Tex 细胞功能障碍

图3

作者探讨了 MCT11 介导的代谢物摄取对 Tex 细胞功能和命运的影响。通过给小鼠接种 B16 黑色素瘤并利用流式细胞术分析肿瘤中的 TIL（图 3a），结果显示，MCT11 缺失小鼠的肿瘤中浸润的 CD8+ T 细胞的百分比和总数显著增加（图 3b、c）。值得注意的是，MCT11 缺失不会改变 PD1lo、Tpex、PD1hi 和 Tex 细胞群体的数量（图 3d），表明 MCT11 缺失不会影响 T 细胞的衰竭表型。进一步比较 GFP+ Tex 细胞群体和未敲除的 MCT11+ Tex 细胞的耗竭状态，发现 Tex 群体的百分比没有显著差异（图 3e），然而MCT11 缺失显著降低了 Tex 细胞中 Tim3 的表达（图 3f），PD1 表达也呈现类似趋势（图 3g）。此外，MCT11 缺失改善了 T 细胞功能，MCT11 缺失小鼠的 Tex 细胞在 TNF 和 IFNγ 的产生上表现出增强的多功能性，且在 αCD3/αCD28 刺激下 IL-2 的产生明显增加（图 3h、i）。

MCT11 缺失的小鼠中，Slc16a11f/f CD4cre Tex 细胞的缺氧程度低于同窝对照的 Tex 细胞，Tpex 细胞没有差异（图 3j）。这些数据表明，MCT11 介导的乳酸吸收可能支持 Tex 细胞在缺氧区域的积累，而 MCT11 的缺失使 Tex 细胞迁移到含氧量较高的区域，从而改善其效应功能。进一步的 RNA 测序分析显示，MCT11 缺失的 Tex 细胞与 Tpex 细胞相关的基因（如 Myb、Cd83 和 Bcl6）表达增加，而与终末衰竭命运相关的基因（如 Eomes、Havcr2、Id2 和 Ccl3）表达降低（图 3k）。通路富集分析进一步确认，缺乏 MCT11 的 Tex 细胞表现出富含 Tpex 基因的转录组特征（图 3l）。尽管在携带 B16 的 Slc16a11f/f CD4cre 小鼠中，与 WT 对照相比，MCT11 缺失并未显著减缓肿瘤生长（图 3m），但在 αPD1 治疗时，MCT11 的条件性删除显著提高了完全反应率，66%（4/6）的动物表现为完全反应（CR），而 WT 对照组只有 16%（1/6）表现为 CR（图 3n）。这些数据表明，MCT11 通过调节代谢物通量，促进了肿瘤浸润 CD8+ T 细胞的效应功能障碍，靶向 MCT11 可增强 CD8+ T 细胞介导的抗肿瘤免疫

4.MCT11抗体阻断可减轻小鼠的肿瘤负担

图4

针对 CD8+ TIL 上的免疫检查点 PD1、CTLA4 和 LAG3 的阻断疗法已被证实为有效的癌症治疗策略。为探讨 MCT11 是否可作为新型靶点，作者研究了 MCT11 的单克隆抗体是否能够阻断 Tex 细胞中的乳酸吸收并促进抗肿瘤免疫。首先，作者对分选的 Tex 细胞进行了 [14C]-乳酸氧化测定（图 4a）。结果显示，使用 αMCT11 预处理能够显著降低 B16 源 Tex 细胞中的 [14C]-乳酸氧化水平（图 4b）。鉴于 Tex 细胞中 MCT11 缺失已显著改善 T 细胞功能（图 3e、f），作者进一步在肿瘤小鼠中使用 αMCT11 进行治疗（图 4c）。治疗结果表明，αMCT11 可轻微但显著减小 B16 黑色素瘤小鼠的肿瘤体积，并延长小鼠生存期，尽管未观察到完全反应（CR），这一效果与 αPD1 在该模型中的作用相似（图 4d、e）。

在 MEER 小鼠模型中，MCT11 阻断显示出显著的单药疗效，αMCT11 使 45% 的 MEER 小鼠出现 CR（图 4f、g）。进一步实验表明，MCT11 阻断依赖于适应性免疫反应，因为 αMCT11 在 Rag 缺陷小鼠中的治疗效果缺失（图 4h-j）。这些结果表明，αMCT11 的抗肿瘤效果并非由于其对 B16 或 MEER 肿瘤细胞本身的直接作用，而是通过增强适应性免疫反应来促进抗肿瘤免疫。

5.MCT11 阻断可促进 CD8+ T 细胞抗肿瘤免疫

图5

为了进一步了解 αMCT11 抗体阻断对体内 Tex 细胞的影响，对肿瘤小鼠进行了三剂 αMCT11 治疗，并在第 14 天分析了肿瘤浸润（每剂200 μg）（图 5a）。MCT11 阻断导致 B16 肿瘤浸润中的 CD8+ T 细胞浸润、共抑制标志物表达和细胞因子产生的变化很小（图 5b、c），考虑到 αMCT11 疗法对 B16 肿瘤负荷的影响相对较小，这并不奇怪。随后在肿瘤大小分化之前的时间点检查了 MEER 中的浸润，因为其对 MCT11 阻断的反应特别强烈。在携带 MEER 的小鼠中阻断 MCT11 导致浸润肿瘤的总 CD8+ T 细胞增加，CD8+ TIL 亚群没有数值变化（图 5d）并且 CD8+ 多功能性增加，特别是在衰竭亚群中（图 5e）。且MCT11 疗法导致 Tex 细胞经历的缺氧减少，但不影响 Tpex，这表明 MCT11 阻断可以将 Tex 细胞重定向到肿瘤的非缺氧区域（图 5f）。最后，测试 αMCT11/αPD1 联合疗法对 MC38 浸润 CD8+ T 细胞的影响，虽然没有观察到对总或亚群浸润 CD8+ TIL 数量的影响（图 5g），但可观察到 Tex 细胞多功能性的选择性增加（图 5h）。总之，这些数据表明 MCT11 对 Tex 细胞的阻断会改变其功能以支持卓越的抗肿瘤免疫反应。

总结：

本文揭示了 Tex 细胞特异性上调Slc16a11 基因，编码单羧酸转运蛋白 11（MCT11）。条件性删除 MCT11 的小鼠中，Tex 细胞对乳酸的吸收减少，并且其效应功能得到了改善。使用抗 MCT11 抗体能够特异性地抑制 Tex 细胞中的乳酸吸收，且当该抗体用于治疗肿瘤小鼠时，能够显著抑制肿瘤生长。这些结果支持了一个模型：在肿瘤微环境（TME）中，Tex 细胞通过上调 MCT11 使其对高水平乳酸的积累更加敏感，从而在肿瘤进程中发挥重要作用。

微信号：HanDa-Lab

课题组网站：https://www.hanlab.net/