王迪团队揭示肿瘤微环境和炎症过程中巨噬细胞免疫代谢的调控机制
免疫和炎症构成肿瘤微环境的两大核心，在肿瘤微环境中，细胞和分子构成了炎症与免疫此消彼长的动态变化，最终造成大量免疫抑制细胞及炎性相关因子等在肿瘤微环境中大量聚集，从而介导肿瘤的免疫抑制和逃逸。
炎症与免疫在肿瘤微环境中发挥关键作用。本研究就K+离子通过Kir2.1通道对肿瘤微环境的调节，微环境中炎性反应及免疫相互作用关系进行阐述。
肿瘤微环境 (tumor microenvironment, TME) 作为一种独特的生态位 (niche)，其稳态受到了肿瘤内各种细胞和胞外成分调控。以往的研究表明，这种以营养失衡、缺氧以及酸性为特征肿瘤微环境，对于肿瘤免疫细胞功能影响巨大。肿瘤微环境中的生物和无机因素的共同作用对于肿瘤内免疫细胞的适应性和功能塑造不可或缺。
从肿瘤-免疫共同进化的角度，了解瘤内免疫细胞对抗或妥协这种严酷微环境中所采用的策略，可以为研究肿瘤诱导的免疫抑制背后的机制带来新的见解。近年来，一系列研究表明肿瘤内的也存在离子稳态失衡情况，且离子稳态对于肿瘤内免疫细胞的功能也至关重要。其中高钾离子(high K+)是其中一种广泛存在的微环境特征。
虽然目前的研究阐明了肿瘤内高钾对肿瘤浸润效应性T细胞的免疫抑制作用，然而，作为与局部坏死相关的泛癌特征，这种离子干扰对先天免疫的影响尚不清楚。
2022年9月13日，浙江大学医学院王迪教授联合浙江大学医学院附属第二医院丁克峰教授团队在Cell Metabolism期刊发表了题目为Tumor-associated macrophages are shaped by intratumoral high potassium via Kir2.1的研究论文。
该研究同时在小鼠模型和人类样本中，首次揭示肿瘤内高K+抑制肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages, TAM）的抗肿瘤能力。揭示了肿瘤内高K+抑制了肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)的抗肿瘤能力。并将内向整流的K+通道Kir2.1确定为高K+ TME中TAM功能极化的中央调节剂，其有条件的消耗使TAM重新极化为抗肿瘤状态，从而提高了局部抗肿瘤免疫力。
该研究结果表明 Kir2.1是在离子失衡TME中恢复TAM抗肿瘤能力的决定因素和潜在治疗靶点。
机制研究上，研究人员首先确定了肿瘤内高 K+抑制肿瘤相关巨噬细胞 (TAM) 的抗肿瘤能力，并将内向整流 K+通道Kir2.1确定为高K+中TAM功能极化的关键因素。肿瘤微环境中条件性耗竭K+使TAM重新极化为抗肿瘤状态，从而提高局部抗肿瘤免疫力。
Kir2.1缺乏会干扰电化学依赖的谷氨酰胺摄取，导致TAM 代谢重编程，从氧化磷酸化向糖酵解。Kir2.1阻断减弱小鼠肿瘤和患者衍生的异种移植物生长。总的来说，该研究结果表明，Kir2.1 是在离子失衡 TME 中恢复 TAM 抗肿瘤能力的决定因素和潜在治疗靶点。
高K+抑制一系列炎症相关基因组和对肿瘤细胞的反应，并促进巨噬细胞向促肿瘤状态极化，氧化磷酸化（Oxphos）、血管生成和免疫抑制细胞因子升高生产。K+通道Kir2.1由Kcnj基因编码。
研究人员通过对照和Kcnj2 CKO小鼠中建立了移植肿瘤模型，发现Kir2.1敲除显着减弱B16F10、MC38、LLC和PDAC皮下移植肿瘤的生长，表明Kir2.1缺乏后抗肿瘤作用增强。
研究人员使用了多指标流式联合分析技术，对TAM分泌的多种细胞因子和趋化因子进行联合检测分析,发现对照组TAMs促肿瘤细胞因子和生长因子的分泌水平更高，如 IL-10、IL-6和G-CSF。而Kcnj2CKO TAMs 组的促炎细胞因子分泌水平升高， 包括CCL5、 TNF-α、和IL-1β。这些因子可能潜在的激发了抗肿瘤免疫机制。
肿瘤相关巨噬细胞 (TAM) 在肿瘤内和肿瘤之间构成动态且异质的细胞群。这种异质性反映了 TAM 在肿瘤进展和结果方面的双重功能：它们不仅可以发挥杀肿瘤功能并诱导抗肿瘤反应，还可以促进肿瘤免疫逃逸和对免疫治疗的抵抗。这种可塑性使 TAM 能够在 TME 的各种扰动期间快速获得一系列表型、代谢和功能谱。特别是，营养缺乏的 TME 内的代谢适应极大地影响了 TAM 的功能状态，反之亦然。
尽管已经在炎症、组织再生和 TME 的背景下对驱动巨噬细胞极化的代谢线索进行了广泛研究，但对于细胞代谢程序与 TME 内对外部营养物质的偏好 (metabolic preference) 之间的内在联系知之甚少。此外，描述 TAM 如何适应 TME 的独特利基的基本机制可能为开发 TAM 靶向免疫疗法提供新的见解。
在这项研究中，研究人员利用多种小鼠肿瘤模型以及人临床肿瘤样本，发现肿瘤内高 K+ 显示出对 TAM 抗肿瘤极化 (anti-tumor) 的抑制作用。
作者进一步利用RNA-seq和膜片钳技术，鉴定了内向整流K+通道Kir2.1作为TAM感知高K+ TME并发生极化的重要调控分子。Kir2.1的条件性敲除能够解除高K+对TAM的抑制作用，使TAM复极化以重新获得抗肿瘤作用，降低肿瘤负荷。通过流式细胞仪和单细胞分析，研究人员系统地描绘了Kir2.1巨噬细胞条件性敲除可以全局性重塑TME中免疫细胞的抗肿瘤功能。
进一步机制研究发现，Kir2.1 缺乏会干扰电化学依赖的谷氨酰胺摄取，导致 TAM 代谢从氧化磷酸化向糖酵解重编程。功能代谢分析揭示了 Kir2.1 在 TAM 的代谢偏好性中发挥重要作用，Kir2.1 维持的巨噬细胞膜电势对于电化学依赖的谷氨酰胺转运体 SNAT2 的功能至关重要。
为了进一步探索 Kir2.1与肿瘤预后的关联性，研究人员在一个单中心回顾性队列中发现 TAM Kir2.1的表达水平与结直肠癌患者临床结果的相关性。不仅如此，Kir2.1 high TAM的特征基因也可以区分TCGA泛癌患者的生存期。
通过流式细胞仪和单细胞测序数据，研究人员发现Kir2.1巨噬细胞条件性敲除可以重塑TME中免疫细胞的抗肿瘤功能，分子机制是Kir2.1缺乏会干扰电化学依赖的谷氨酰胺摄取，导致TAM代谢从氧化磷酸化向糖酵解重编程。
功能代谢分析则表明，Kir2.1维持的巨噬细胞膜电势对电化学依赖的谷氨酰胺转运体SNAT2的功能至关重要。最后，发现在小鼠模型中，ML133与PD-1单抗的联合利用达到了更好的治疗效果。并且，ML133在小鼠移植肿瘤和结直肠癌患者来源的类器官中均显示出重编程TAM的巨大潜力，Kir2.1阻断减弱小鼠肿瘤和患者衍生的异种移植物生长。
总的来说，这项研究确定了在离子紊乱的肿瘤微环境中，Kir2.1作为TAM极化的关键调控分子。Kir2.1通过代谢重编程调节TAM的极化，从而影响其免疫功能。这些发现表明 Kir2.1能够作为重塑TAM抗肿瘤能力的潜在靶点，这也拓宽了人们对肿瘤微环境中离子紊乱的认识。
浙江大学医学院免疫学系王迪教授和浙江大学医学院附属第二医院大肠外科丁克峰教授为本文通讯作者，八年制博士研究生陈晟和崔文羽博士为论文共同第一作者。该研究得到了浙江大学钱俊斌教授、杨巍教授等课题组的帮助。
期刊：Cell Metabolism
影响因子：31.373
客户单位：浙江大学医学院
文章作者：浙江大学医学院陈晟博士、崔文羽博士
通讯作者：浙江大学医学院王迪教授、丁克峰教授
ABclonal产品：
Cat.NO：RK04392
Product Name ：ABplex Mouse 18-Plex Custom Panel
Target：IL-6，IL-12 p40，IL-4，IL-5，KC，IL-10，VCAM-1，TNF-α，GM-CSF，IFN-γ，IL-12 p70，IL-1 β，IL-17A，IL-2，IL-1 α，CCL5/Rantes，G-CSF，IL-3，MIP-1 alpha/CCL3，M-CSF
Instrument：ABplex-100
