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#NEWS 琥珀酸-腫瘤細胞如何說服巨噬細胞

  腫瘤微環境是個紊亂的空間,不斷增生的癌細胞與被促進生長的血管交織,狹小的空間中浸潤大量的免疫細胞。隨病程改變,細胞激素與代謝環境不斷變動,環境開始缺糖缺氧,免疫細胞的組成逐漸由發炎性與抑制腫瘤生長改為免疫抑制性,更會促進腫瘤分化與血管新生。就在本(一)月,國家衛生研究院的郭呈欽博士研究團隊 [1] Molecular Cell 發表有關腫瘤微環境中琥珀酸 (succinate) 角色的發現。

巨噬細胞在腫瘤微環境中的功能轉換

  巨噬細胞 (macrophage) 是癌症研究中關注的焦點,當循環系統中的單核球抵達腫瘤區域,將分化為發炎性 (pro-inflammatory; M1) 的巨噬細胞,企圖透過吞噬作用與引發發炎反應清除癌細胞。然而隨時間過去,巨噬細胞將被腫瘤微環境馴化為免疫抑制性 (anti-inflammatory; M2) 為腫瘤相關巨噬細胞 (tumor-associated macrophage, TAM),非但沒有抑制癌細胞生長,甚至協助癌細胞分化、血管新生與上皮細胞間質轉化 (epithelial-mesenchymal transition, EMT)。因此,如何將轉為抑制性的巨噬細胞扭轉為發炎性是癌症研究的重要問題。

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琥珀酸的累積是巨噬細胞啟動發炎的必要條件

  琥珀酸是檸檬酸循環 (citric acid cycle) 中的一員,上游來自酮戊二酸 (α-ketoglutarate) 催化而成,能夠被琥珀酸去氫酶 (succinate dehydrogenase, SDH; mitochondria complex II) 催化為延胡索酸 (fumarate)。在免疫代謝研究中,琥珀酸 (succinate) 最早在二○一三年被發表與巨噬細胞引發發炎反應有關 [2]。當巨噬細胞啟動發炎反應,能量獲取將改為仰賴爆發型的糖解作用,檸檬酸循環的各個步驟將可能被阻擋甚至反向催化。於是氧化自由基 (reactive oxygen species) 與琥珀酸開始於胞內累積,並透過避免 HIF1α (hypoxia induced factor) 水解而促進發炎基因轉錄 [2, 3]
  儘管如此,實際上琥珀酸如何輔助發炎反應仍有待研究。再者,雖然琥珀酸受體 (succinate receptor 1, SUCNR1; GPR91) 早就被發現與胞外琥珀酸感測有關,琥珀酸與其受體在巨噬細胞中的回饋與傳訊機制仍然不清楚。

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琥珀酸刺激巨噬細胞為腫瘤相關巨噬細胞

  為了研究腫瘤微環境中,癌細胞與巨噬細胞的相互關係。將培養過肺癌細胞的上清液培養巨噬細胞,可以發現巨噬細胞逐漸增加免疫抑制性 M2 標記的表現量(如 Arginase 1)。郭博士團隊鎖定腫瘤細胞分泌的小分子代謝物,並以質譜儀確認除琥珀酸之外、檸檬酸 (citrate)、乳酸 (lactate) 都可能是腫瘤細胞誘導巨噬細胞成為腫瘤相關巨噬細胞的分子。研究團隊更首次發表了針對琥珀酸的抗體,並發現使用該抗體能顯著減少腫瘤培養液刺激產生的腫瘤相關巨噬細胞比例。

巨噬細胞透過琥珀酸受體偵測癌細胞釋出的琥珀酸

  進一步的實驗顯示,巨噬細胞上的琥珀酸受體 SUCNR1 受到癌細胞排出的琥珀酸刺激,因而透過 PI3K/AKT 的訊息途徑穩定並調升 HIF1α 表現量,而誘導成為腫瘤相關巨噬細胞。同時也發現腫瘤微環境中的琥珀酸將會誘導循環系統中巨噬細胞的停駐。不僅如此,受到琥珀酸刺激產生的腫瘤相關巨噬細胞將會分泌細胞激素 IL-6 而促進腫瘤細胞於小鼠體內的轉移。
  值得注意的是,雖然文章指出癌細胞釋出琥珀酸並刺激巨噬細胞受體而穩定 HIF1α,進而誘導巨噬細胞傾向抑制性的 M2;然而誘導腫瘤細胞移轉的 IL-6 是屬於發炎性細胞激素,而 HIF1α 也被視為傾向發炎的指標。這顯示巨噬細胞的發炎性與非發炎性並非絕對,隨時間變動的交互關係才可能是巨噬細胞參與腫瘤病程發展的關鍵。

琥珀酸作為肺癌的潛在指標

  除了刺激巨噬細胞之外,琥珀酸也在實驗中被發現刺激腫瘤細胞自身的 SUCNR1,並也促進腫瘤自身的移轉與癌細胞的上皮細胞間質轉化 (EMT)。當額外的琥珀酸被打入小鼠中,將會幫助肺癌細胞於體內的移轉。在臨床檢體中,肺癌組織比正常組織有更高的 SUCNR1 表現,但卻與肺癌患者的存活率沒有相關。患有非小細胞癌 (non-small cell lung cancer) 患者的血清中含有較高的琥珀酸,使得琥珀酸成為具有潛力的癌症標記。

  總結而言,雖然琥珀酸往往被視為巨噬細胞的發炎性代謝物,然而本篇研究卻指出對琥珀酸在腫瘤微環境中可能造成巨噬細胞的抑制性作用。並點出琥珀酸及其受體在訊息調控上可能的路徑,同時更將代謝物在胞內及胞外的影響區分。小分子及代謝的研究更闡明了腫瘤微環境的複雜程度高,免疫系統與癌細胞之間的周旋更是有趣。不僅如此,本次的發現提醒我們免疫細胞及發炎程序並非是非題,而中間的過渡與調和更是跨系統合作與維持免疫恆定的關鍵。

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圖片說明:癌細胞釋出的檸檬酸循環產物-琥珀酸,能夠透過琥珀酸受體影響巨噬細胞轉向非發炎性,並以 IL-6 協助癌細胞移轉。釋出的琥珀酸也透過其受體 (SUCNR1) 刺激自身的轉錄變化,而觸發重要的移轉機制 EMT。圖片來源:doi.org/10.1016/j.molcel.2019.10.023

參考資料:

  1.     Wu, J. Y., Huang, T. W., Hsieh, Y. T., Wang, Y. F., Yen, C. C., Lee, G. L., … & Lin, H. C. (2019). Cancer-derived succinate promotes macrophage polarization and cancer metastasis via succinate receptor. Molecular cell. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.10.023
  2.     Tannahill, G. M., Curtis, A. M., Adamik, J., Palsson-McDermott, E. M., McGettrick, A. F., Goel, G., … & Zheng, L. (2013). Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1β through HIF-1α. Nature, 496(7444), 238-242. https://doi.org/10.1038/nature11986
  3.     Mills, E. L., Kelly, B., Logan, A., Costa, A. S., Varma, M., Bryant, C. E., … & Corr, S. C. (2016). Succinate dehydrogenase supports metabolic repurposing of mitochondria to drive inflammatory macrophages. Cell, 167(2), 457-470. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.08.064

撰文|蔡宗霖
審稿|黃子瑄

About the author

蔡宗霖

蔡宗霖

畢業於長庚大學生物醫學系,目前就讀陽明大學微生物與免疫學研究所碩士班,主要探討胸腺巨噬細胞與其代謝途徑在免疫恆定中扮演的角色。曾參與國際合成生物學競賽(iGEM),並於2018年前往廈門大學The Beulter Institute進修免疫學與遺傳學。一直相信自己學習到的,就有跟其他人分享的義務。希望在Investigator中認識更多人,一起創造生活刺激!

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