Koenzym NAD+ kan stärka tumörimmuniteten! Expertkommentar från Kinesiska vetenskapsakademin

Den 10 augusti 2021 publicerade forskare från Shanghai University of Science and Technology en artikel med titeln NAD+-tillskott förstärker tumördödande funktion genom att rädda defekt TUBBY-medierad NAMPT-transkription i tumörinfiltrerade T-celler i Cell Reports, vilket visade att NAD+ i tillskott under CAR-T-behandling och immuncheckpoint-hämmarbehandling kan förbättra T:s tumörhemmaraktivitet.

För närvarande har den kompletterande prekursoren till NAD+, som näringsprodukt, verifierats för mänsklig konsumtionssäkerhet. Denna framgång ger en enkel och genomförbar ny metod för att förbättra tumöraktiviteten hos T-celler.

Cancerimmunterapier, inklusive adoptiv överföring av naturligt förekommande tumörinfiltrerande lymfocyter (TIL) och genetiskt modifierade T-celler, samt användning av immuncheckpointblockad (ICB) för att förbättra T-cellers funktion, har framträtt som lovande metoder för att uppnå hållbara kliniska svar på annars behandlingsresistenta cancerformer (Lee et al., 2015; Rosenberg och Restifo, 2015; Sharma och Allison, 2015). Även om immunterapier har använts framgångsrikt i kliniken, är antalet patienter som drar nytta av dem fortfarande begränsat (Fradet et al., 2019; Newick et al., 2017). Tumörmikromiljö (TME)-relaterad immunosuppression har framkommit som den främsta orsaken till låg och/eller ingen respons på båda immunterapierna (Ninomiya et al., 2015; Schoenfeld och Hellmann, 2020). Därför är insatser för att undersöka och övervinna TME-relaterade begränsningar i immunterapier av stor brådska.

Det faktum att immunceller och cancerceller delar många grundläggande metabola vägar innebär en oförsonlig konkurrens om näringsämnen i TME (Andrejeva och Rathmell, 2017; Chang et al., 2015). Under okontrollerad proliferation kapar cancerceller alternativa vägar för snabbare metabolitproduktion (Vander Heiden et al., 2009). Som en följd kan näringsbrist, hypoxi, surhet och bildning av metaboliter som kan vara toxiska i TME hindra framgångsrik immunterapi (Weinberg et al., 2010). Faktum är att TIL:er ofta upplever mitokondriell stress i växande tumörer och blir utmattade (Scharping et al., 2016). Intressant nog visar flera studier också att metabola förändringar i TME kan omforma T-cellers differentiering och funktionella aktivitet (Bailis et al., 2019; Chang et al., 2013; Peng et al., 2016). Alla dessa bevis inspirerade oss att hypotesera att metabol omprogrammering i T-celler kan rädda dem från en stressad metabolisk miljö och därigenom återuppliva deras antitumöraktivitet (Buck et al., 2016; Zhang et al., 2017).

I denna aktuella studie identifierade vi, genom att integrera både genetiska och kemiska screeningar, att NAMPT, en nyckelgen involverad i NAD+-biosyntesen, var avgörande för T-cellsaktivering. NAMPT-hämning ledde till en robust NAD+-minskning i T-celler, vilket därmed störde glykolysregleringen och mitokondriens funktion, blockerade ATP-syntesen och dämpade T-cellsreceptorns (TCR) nedströms signalkaskad. Med utgångspunkt i observationen att TIL:er har relativt lägre NAD+- och NAMPT-uttrycksnivåer än T-celler från perifera blodmononukleära celler (PBMC) hos äggstockscancerpatienter, genomförde vi genetisk screening i T-celler och identifierade att Tubby (TUB) är en transkriptionsfaktor för NAMPT. Slutligen tillämpade vi denna grundläggande kunskap i (pre)kliniken och visade mycket starka bevis för att tillskott med NAD+ dramatiskt förbättrar den antitumördödande aktiviteten både vid adoptivt överförda CAR-T-cellsterapi och immuncheckpunktsblockadbehandling, vilket indikerar deras lovande potential att rikta in sig på NAD+-metabolism för att bättre behandla cancer.

1. NAD+ reglerar aktiveringen av T-celler genom att påverka energimetabolismen

Efter antigenstimulering genomgår T-celler metabolisk omprogrammering, från mitokondrieoxidation till glykolys som huvudkälla till ATP. Samtidigt som tillräckliga mitokondriefunktioner bibehålls för att stödja cellproliferation och effektorfunktioner. Eftersom NAD+ är huvudkoenzymet för redox verifierade forskarna effekten av NAD+ på ämnesomsättningsnivån i T-celler genom experiment som metabol massespektrometri och isotopmärkning. Resultaten från in vitro-experiment visar att NAD+-brist avsevärt minskar nivån av glykolys, TCA-cykeln och elektrontransportkedjans metabolism i T-celler. Genom experimentet med att fylla på ATP fann forskarna att bristen på NAD+ främst hämmar produktionen av ATP i T-celler, vilket minskar nivån av T-cellsaktivering.

2. NAD+ salvagesyntesvägen som regleras av NAMPT är avgörande för T-cellsaktivering

Den metabola omprogrammeringsprocessen reglerar aktivering och differentiering av immunceller. Att rikta in sig på T-cellsmetabolism ger en möjlighet att modulera immunsvaret på cellulärt sätt. Immunceller i tumörmikromiljön, deras egen metabola nivå påverkas också därefter. Forskarna i denna artikel har upptäckt NAMPT:s viktiga roll i aktiveringen av T-celler genom genomomfattande sgRNA-screening och metabolismrelaterade småmolekylinhibitor-screeningsexperiment. Nikotinamidadenin-dinukleotid (NAD+) är ett koenzym för redoxreaktioner och kan syntetiseras via salvage-vägen, de novo-syntesvägen och Preiss-Handler-vägen. NAMPT:s metabola enzym är huvudsakligen involverad i NAD+ salvagesyntesvägen. Analys av kliniska tumörprover visade att i tumörinfiltrerande T-celler var deras NAD+- och NAMPT-nivåer lägre än i andra T-celler. Forskare spekulerar i att NAD+-nivåer kan vara en av faktorerna som påverkar tumörinfiltrerande T-cellers antitumöraktivitet.

3. Tillskott av NAD+ för att öka tumörhemmen hos T-celler

Immunterapi har varit utforskande forskning inom cancerbehandling, men huvudproblemet är den bästa behandlingsstrategin och immunterapins effektivitet i hela befolkningen. Forskare vill undersöka om ökad aktiveringsförmåga hos T-celler genom att komplettera NAD+-nivåer kan förbättra effekten av T-cellsbaserad immunterapi. Samtidigt verifierades det i anti-CD19 CAR-T-terapimodellen och anti-PD-1 immuncheckpoint-inhibitor-modellen att tillskott av NAD+ signifikant förstärkte tumördödande effekten av T-celler. Forskarna fann att i anti-CD19 CAR-T-behandlingsmodellen uppnådde nästan alla möss i CAR-T-behandlingsgruppen som tillskott NAD+ tumörrensning, medan CAR-T-behandlingsgruppen utan NAD+ endast uppnådde tumörrensning. I enlighet med detta är B16F10-tumörer relativt toleranta mot anti-PD-1 immuncheckpunktshämmar-behandlingsmodellen, och den hämmande effekten är inte signifikant. Tillväxten av B16F10-tumörer i behandlingsgrupperna anti-PD-1 och NAD+ kan dock hämmas avsevärt. Baserat på detta kan NAD+-tillskott förstärka den tumörhemliga effekten av T-cellsbaserad immunterapi.

4. Hur man kompletterar NAD+

NAD+-molekylen är stor och kan inte direkt absorberas och användas av människokroppen. NAD+ som tas direkt oralt hydrolyseras huvudsakligen av borstgränsceller i tunntarmen. När det gäller tänkande finns det faktiskt ett annat sätt att komplettera NAD+, nämligen att hitta ett sätt att tillskotta ett visst ämne så att det kan syntetisera NAD+ autonomt i människokroppen. Det finns tre sätt att syntetisera NAD+ i människokroppen: Preiss-Handler-vägen, de novo-syntesvägen och räddningssyntesvägen. Även om de tre sätten kan syntetisera NAD+, finns det också en primär och sekundär skillnad. Bland dessa står NAD+ som produceras av de två första syntetiska vägarna endast för cirka 15 % av den totala mänskliga NAD+, och de återstående 85 % uppnås genom remedierande syntes. Med andra ord är räddningssyntesvägen nyckeln till människokroppen som komplement till NAD+.

Bland föregångarna till NAD+ syntetiserar nikotinamid (NAM), NMN och nikotinamidribos (NR) alla NAD+ via en salvage-syntesväg, så dessa tre ämnen har blivit kroppens val för tillskott av NAD+.

Även om NR i sig inte har några biverkningar, omvandlas det mesta inte direkt till NMN i NAD+-syntesprocessen, utan måste först brytas ner till NAM och sedan delta i syntesen av NMN, som ändå inte kan undkomma begränsningen av hastighetsbegränsande enzymer. Därför är också möjligheten att komplettera NAD+ genom oral administrering av NR begränsad.

Som en föregångare för att komplettera NAD+ kringgår NMN inte bara begränsningen av hastighetsbegränsande enzymer, utan absorberas också mycket snabbt i kroppen och kan direkt omvandlas till NAD+. Därför kan det användas som en direkt, snabb och effektiv metod för att komplettera NAD+.

Expertrecensioner:

Xu Chenqi (Excellence and Innovation Center of Molecular Cell Science, Chinese Academy of Sciences, expert på immunologiforskning)

Cancerbehandling är ett problem i världen. Utvecklingen av immunterapi har kompenserat för begränsningarna i traditionell cancerbehandling och utökat läkarnas behandlingsmetoder. Cancerimmunterapi kan delas in i immuncheckpointblockerande terapi, konstruerad T-cellsterapi, tumörvaccin med mera. Dessa behandlingsmetoder har spelat en viss roll i den kliniska behandlingen av cancer. Samtidigt gör detta också att immunoterapiforskningens nuvarande fokus ligger på hur man ytterligare kan förstärka immunterapins effekt och utöka mottagarna av immunterapi.