2021年5月，来自洛桑联邦理工学院的Etienne Meylan团队在国际期刊Cancer Research上发表了题为“GLUT1 Expression in Tumor-Associated Neutrophils Promotes Lung Cancer Growth and Resistance to Radiotherapy” 的研究成果，发现了肿瘤微环境会影响肿瘤相关中性粒细胞（TANs）葡萄糖转运体GLUT1的含量以及葡萄糖的代谢效率，并且利用Kras Frt-STOP-Frt-G12D/WT; Tp53 Frt/Frt肺癌小鼠模型，实现了GLUT1在中性粒细胞中特异性敲除，发现GLUT1对促进肺部肿瘤的生长、削弱放疗效果的作用，为未来利用靶向TANs葡萄糖代谢缺陷的药物治疗肺癌提供了思路。
中性粒细胞是重要的先天免疫细胞。最近的研究发现，在乳腺癌转移中，它们具有促进肿瘤发生的性质。在Kras Frt-STOP-Frt-G12D/WT; Tp53 Frt/Frt肺腺癌小鼠模型中，中性粒细胞被发现可能具有促肿瘤生长的作用。与SiglecF（CD170）低表达的TANs相比，SiglecF高表达的TANs具有促肿瘤的功能，暗示了肿瘤内中性粒细胞的异质性，TANs异质性的发现会促进靶向具有促癌作用的中性粒细胞而不影响生物体的先天免疫的相关研究。
尽管已知肿瘤细胞的多种代谢改变有助于它们在恶劣环境条件下生存和增殖，但关于非肿瘤细胞在肿瘤微环境中的代谢情况我们所知甚少。由于中性粒细胞与肿瘤细胞一起暴露在同样的低氧环境中，可能会减少营养物质的获取，作者们假设它们在实体肿瘤中的葡萄糖代谢会发生改变并影响肿瘤的发展。为了验证这一点，作者们探索了肿瘤微环境对肺癌相关TANs生存、代谢和转换的影响，以及TAN中葡萄糖转运体GLUT1缺失 (GLUT1KO)对疾病进展的影响。
作者发现从肺肿瘤提取的上清液会促进中性粒细胞的生存，并且发现发挥促进作用的物质是一种大于3kDa的蛋白质，之后针对代谢活动，作者发现GLUT1这一葡萄糖运载体在有肺肿瘤上清液的情况下表达量增高，通过利用GLUT1在中性粒细胞中特异性敲除的小鼠模型，发现了肺肿瘤上清液对中性粒细胞的促生存作用出现了部分到完全的丧失。总的来说，体外数据表明，肺肿瘤中产生的可溶性因子通过GLUT1上调来增加中性粒细胞的生存，这种反应可能有利于在肿瘤微环境中延长中性粒细胞的寿命。
通过RNA测序、通路分析，实时荧光定量PCR以及蛋白印迹等手段，比较了从正常肺中分离出的中性粒细胞（HLN）和肺腺癌中分离出的中性粒细胞（TAN），发现并证明了糖酵解是TAN中上调最明显的代谢通路，以及TAN中GLUT1的表达显著高于HLN。与HLNs相比，TANs表现出对葡萄糖反应的细胞外酸化率升高，摄入葡萄糖的效率上升，并且ATP的产生增加（图一）。因此，与HLNs相比，肺TANs的特点是葡萄糖摄入量和代谢增加。
图一：肿瘤微环境提高了中性粒细胞的葡萄糖代谢
在基因型为Kras Frt-STOP-Frt-G12D/WT; Tp53 Frt/Frt的小鼠模型中，气管内灌注腺病毒Flp会激活致癌基因Kras，敲除抑癌基因Tp53，导致肺部肿瘤的发生，在此背景下结合Cre-loxP系统可以在中性粒细胞中特异性敲除GLUT1这一基因。与不具有GLUT1KO中性粒细胞的肿瘤进行比较时，有GlUT1KO中性粒细胞的肿瘤中，中性粒细胞的生存期减少、富集增加，这些共同促进了在肿瘤发展过程中更快的中性粒细胞更替。
在通过对Kras Frt-STOP-Frt-G12D/WT; Tp53 Frt/Frt小鼠肿瘤模型中的中性粒细胞进行单细胞RNA测序，作者们发现SiglecFhigh的中性粒细胞也同时存在GLUT1高表达，又考虑到SiglecFhigh的中性粒细胞具有促癌作用，表明GLUT1对肺癌生长可能具有促进作用。
通过磷酸化组蛋白H3 (pHH3)和磷酸化ERK1/2 (pERK)染色检测，含有GLUT1KO TANs的肿瘤细胞增殖降低（图二）。纵向显微计算机断层扫描(mCT)监测的肿瘤生长速率在具有GLUT1KO TANs的小鼠中显著降低。接下来，为了确定TANs是否会在体外影响肺肿瘤细胞，作者们使用了SV2细胞系，对照TANs或GLUT1 KO TANs来衡量TANs对肿瘤的影响。与GLUT1KO TANs共培养的SV2细胞的扩散减少，揭示了GLUT1KO TANs降低了其促肿瘤效应，具有抗肿瘤特性（图二）。中性粒细胞在先前研究中就被发现和放疗的效果有关，作者们又发现了在中性粒细胞GLUT1缺失的背景下放疗的抗癌效果显著增高了，并且肿瘤的生长受到长期的抑制（图三）。因此，中性粒细胞中的GLUT1缺失增加了肺肿瘤对放射治疗的敏感性，加强了肺癌抑制效果。
图二：GLUT1 缺失的中性粒细胞抑制肺癌细胞的生长
图三：GLUT1缺失的中性粒细胞提高了放疗对肺癌的治疗效果
总的来说，肿瘤微环境通过上调GLUT1来促进中性粒细胞对葡萄糖的代谢，提高中性粒细胞的生存和寿命，GLUT1高表达的中性粒细胞通常也存在SiglecF高表达，可能表现出促癌的作用，作者在中性粒细胞中特异性地敲除了GLUT1，发现会抑制肿瘤细胞的增值，提高对放疗的敏感性，因此GLUT1对促进肺癌生长和导致对放疗的耐受有着至关重要的影响。
2019年11月，来自约翰霍普金森大学的Jonathan D. Powell团队在Science期刊上发表了名为“Glutamine blockade induces divergent metabolic programs to overcome tumor immune evasion” 的文章，不同于本篇关注于肿瘤相关中性粒细胞的代谢特征，Jonathan针对肿瘤细胞本身糖酵解代谢会增强这一特征，利用谷氨酰胺拮抗剂来改变肿瘤的免疫抑制微环境。糖酵解会为癌细胞提供脂肪酸合成的原料，并且激活PI3K通路，刺激癌细胞分裂增殖，促进肿瘤转移，同时糖酵解产生的乳酸会调节Treg细胞和巨噬细胞，抑制肿瘤的免疫治疗。Jonathan团队开发的JHU083能够阻断肿瘤的谷氨酰胺代谢，联合PD-1抑制剂，让一种原本对PD-1抑制剂不敏感的结肠癌完全消退。
简评
该研究利用肺腺癌小鼠模型，结合Cre-loxP系统在中性粒细胞中特异性敲除GLUT1，发现了肿瘤微环境通过上调GLUT1来影响肿瘤相关的中性粒细胞的糖酵解过程，以及中性粒细胞GLUT1缺失对肿瘤生长的抑制作用、增强肿瘤对放疗的敏感性。结合先前对癌细胞葡萄糖代谢的研究，肿瘤微环境中癌细胞和非癌细胞的葡萄糖代谢过程都对肿瘤的生长至关重要，靶向葡萄糖代谢过程不仅具有抑制肿瘤生长的潜力，并且可以作用于肿瘤微环境，进一步影响免疫细胞的调控，可与免疫疗法结合产生更好的效果。
--薛河陵
原文链接：
https://cancerres.aacrjournals.org/content/81/9/2345
参考文献：
1. Ancey et al. GLUT1 Expression in Tumor-Associated Neutrophils Promotes Lung Cancer Growth and Resistance to Radiotherapy. Cancer Res. May 1, 2021.
2. Leone et al. Glutamine blockade induces divergent metabolic programs to overcome tumor immune evasion. Science. Nov 22, 2019.
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