導讀
結直腸癌 (Colorectal cancer, CRC) 是世界范圍內診斷頻率最高、致死率最高的癌癥之一，為各個國傢的公共衛生帶來瞭沉重的負擔。因此，尋找預防和減少結直腸癌癌變的新策略至關重要。
二甲雙胍是一種廣泛用於治療 2 型糖尿病的藥物。前期有研究表明，二甲雙胍可抑制小鼠結直腸癌的發生。二甲雙胍還是一種很有前景的預防結直腸癌的藥物，因為它降低瞭息肉切除術後腺瘤或息肉的復發率和數量。此外，二甲雙胍還可以通過增加細胞毒性 T 淋巴細胞的活性來增強免疫治療的效果。因此，有必要去探索二甲雙胍介導的結直腸癌發生中免疫特征重組的潛在機制。
近日，來自上海交通大學的熊華團隊在 Cancer Research 雜志發表瞭題為 Metformin reprograms tryptophan metabolism to stimulate CD8+ T cell function in colorectal cancer 的文章，在這項研究中，他們探究瞭二甲雙胍是如何調節腸道免疫細胞多樣性及其代謝活動。結果發現，二甲雙胍治療重塑瞭 CRC 的免疫景觀，特別是擴大瞭 CD8+ T 細胞的比例並增強瞭它們的功能。進一步的研究發現，二甲雙胍重編程瞭 CRC 腫瘤微環境 (TME) 細胞的色氨酸代謝，通過恢復 CD8+ T 細胞對色氨酸的獲取而增加其細胞毒性。
總之，這項工作強調瞭二甲雙胍作為 T 細胞抗腫瘤免疫的重要調節劑，提示它可能是治療結直腸癌的潛在免疫治療策略。
圖片來源：Cancer Research
主要研究內容
二甲雙胍處理改變瞭結直腸的免疫環境
為瞭研究二甲雙胍對結直腸腫瘤發生中其免疫微環境的影響，研究人員對二甲雙胍處理的 APCmin/+小鼠結腸組織中的未分類細胞和 CD45 陽性的免疫細胞進行瞭單細胞轉錄組分析。分析結果顯示，與對照組相比，二甲雙胍組 T 細胞和 B 細胞顯著擴增，上皮細胞、先天淋巴樣細胞 (ILC)、NK 細胞和髓樣細胞比例減少。
為瞭進一步闡明免疫細胞群的改變，他們首先關註腫瘤中占主導地位的免疫細胞類型 T 細胞，它在抗腫瘤免疫中起著核心作用。進一步的細化分析顯示，與對照組相比，二甲雙胍組 CD8+ T 細胞比例增加，CD4+ T 細胞比例降低。此外，二甲雙胍還增加瞭巨噬細胞、pDCs、cDC1s 和肥大細胞的比例，同時減少瞭中性粒細胞的比例。總的來說，這些數據表明，二甲雙胍可能通過調節結直腸免疫微環境來抑制結直腸腫瘤的發生。
圖片來源：Cancer Research
二甲雙胍重編程結腸直腸 TME 中的色氨酸代謝
為瞭全面瞭解 CRC 微環境的代謝譜，研究人員使用代謝相關通路的基因集對 APCmin/+小鼠的整體細胞類型進行瞭基因集富集分析。發現在給藥小鼠的 CD8+ T 細胞、CD4+ T 細胞和上皮細胞中，氨基酸代謝和核苷酸代謝高度富集。有趣的是，他們發現二甲雙胍對氨基酸水平的影響有顯著差異。
隨後，他們探討瞭二甲雙胍在單細胞水平上改變代謝活動的細節。首先，他們使用 2752 個具有既定代謝功能的基因對所有細胞進行重新聚類分析，共鑒定出 11 個亞群。在對每個亞群進行基因集富集分析後，將這些亞群分別定義為氨基酸代謝、糖酵解、脂質代謝和氧化磷酸化四組。值得註意的是，氨基酸亞群顯著富集色氨酸代謝，而未檢測到其他氨基酸的富集。這些結果表明，在二甲雙胍治療後，色氨酸代謝在結直腸 TME 中主要被重編程。後續的分析也提示二甲雙胍可抑制結直腸 TME 中上皮細胞的色氨酸代謝，反而促進 CD8+ T 細胞色氨酸代謝。
總之，在結直腸癌 TME 中，色氨酸代謝在 CRC 細胞中增強，在 CD8+ T 細胞中被抑制，不過這種現象可以被二甲雙胍逆轉。
圖片來源：Cancer Research
二甲雙胍通過抑制 CRC 細胞對色氨酸的競爭來恢復 CD8+ T 細胞的功能
基於上述發現，研究人員假設 CRC 細胞和 CD8+ T 細胞競爭色氨酸，而這種競爭則可能被二甲雙胍抑制。後續的實驗結果也的確表明二甲雙胍顯著降低瞭 6 種 CRC 細胞系的細胞內色氨酸濃度。與此相一致，二甲雙胍還降低瞭 CRC 細胞中色氨酸的消耗及其代謝。
為瞭進一步研究二甲雙胍是否可以通過抑制腫瘤色氨酸消耗來抑制 CRC 細胞對 CD8+ T 細胞的競爭，他們進行瞭共培養實驗，結果發現二甲雙胍降低瞭 CRC 細胞中的色氨酸濃度，但增加瞭 CD8+ T 細胞中的色氨酸濃度。
為瞭研究二甲雙胍對 CD8+ T 細胞功能的影響，首先，他們使用單細胞轉錄組測序數據對二甲雙胍處理 APCmin/+小鼠的 CD8+ T 細胞進行瞭富集分析。結果顯示，二甲雙胍增強瞭 CD8+ T 細胞的功能，而對髓系細胞功能卻沒有影響。進一步的實驗結果發現二甲雙胍增加瞭共培養體系中 CD8+ T 細胞中幹擾素 g (IFN-g)、腫瘤壞死因子 a (TNF-a) 和顆粒酶 B 的產生。此外，二甲雙胍還增加瞭異種移植腫瘤 CD8+ T 細胞中顆粒酶 B、IFN-g 和 TNF-a 的產生。
這些數據表明，二甲雙胍可能通過抑制 CRC 細胞對色氨酸的競爭來促進 CD8+ T 細胞的細胞毒性。
圖片來源：Cancer Research
二甲雙胍通過下調 SLC7A5 抑制 CRC 細胞色氨酸攝取
為瞭進一步探索二甲雙胍抑制 CRC 細胞對色氨酸競爭的機制，他們重點研究瞭色氨酸攝取的調節。色氨酸攝取轉運體包括 SLC7A5、SLC1A5、SLC3A2 和 SLC36A4。他們發現在四種轉運蛋白中，SLC7A5 在結直腸癌上皮細胞中與正常結腸相比表達上調最為顯著，提示 SLC7A5 可能在結直腸癌細胞中發揮重要作用。
隨後的數據顯示，二甲雙胍下調瞭 Slc7a5 的 mRNA 表達，但對 Slc1a5、Slc36a4 和 Slc3a2 的 mRNA 表達沒有顯著影響。二甲雙胍還降低瞭 CRC 細胞系中 SLC7A5 的 mRNA 和蛋白水平。但是，在人 CD8+ T 細胞中並未檢測到色氨酸轉運蛋白表達的顯著變化。SLC7A5 在腫瘤和 CD8+ T 細胞中表達的差異調節表明，二甲雙胍可能通過 SLC7A5 抑制 CRC 細胞與 T 細胞爭奪色氨酸，後續的實驗也的確證實瞭這一結果。
圖片來源：Cancer Research
最後，他們還進一步探討瞭二甲雙胍控制 SLC7A5 表達的分子機制。通過數據分析，他們共確定瞭三個轉錄因子 (MYC、TRIB3 和 NRF1)。其中，MYC 的統計學顯著性最強，後續的一系列實驗數據表明，二甲雙胍的確是通過 MYC 降低 CRC 細胞中 SLC7A5 的表達。
圖片來源：Cancer Research
結語
綜上所述，在這項工作中，研究人員通過單細胞轉錄組測序分析，發現二甲雙胍重塑瞭結直腸癌的免疫微環境。進一步的代謝分析表明，二甲雙胍重編程瞭腫瘤微環境中的色氨酸代謝。機制層面上，他們發現二甲雙胍通過下調 MYC，進而抑制 CRC 細胞的色氨酸攝取，從而導致色氨酸轉運體 SLC7A5 的減少。
總之，該研究首次發現二甲雙胍可以通過抑制腫瘤細胞與 CD8+ T 細胞競爭色氨酸，從而在結腸直腸癌發生發展中驅動免疫介導的抗腫瘤作用。
圖片來源：Cancer Research
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