从“短命”到长效：以代谢观点重塑CAR-T细胞 突破治疗极限
从“短命”到长效：以代谢观点重塑CAR-T细胞 突破治疗极限
CAR-T细胞疗法是近年来医学领域的重要突破，通过工程改造患者自身的T细胞来识别和攻击癌细胞。然而，CAR-T细胞在体内的持久性和疗效仍面临诸多挑战。近期发表在《Experimental Hematology & Oncology》期刊上的一篇研究，从代谢调控的角度为优化CAR-T细胞功能提供了新的思路。
日前，宾夕法尼亚大学的Carl June博士荣获了2024年度生命科学突破奖，以表彰他在嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法发展中的开创性贡献。这一荣誉凸显了CAR-T细胞疗法在现代医学中的深远意义。CAR-T细胞疗法代表了一种革命性的治疗方法，通过向患者输注经过体外工程改造并提高毒杀能力的CAR-T细胞，用于治疗多种难治性疾病。目前，美国FDA已批准了六种CAR-T细胞产品。其中四种靶定CD19，用于治疗复发性和/或难治性（R/R）B细胞淋巴瘤，如弥漫性大B细胞淋巴瘤（DLBCL）和B细胞淋巴母细胞白血病（B-ALL），而 idecabtagene vicleucel（ide-cel）以及传奇生物研发的西达基奥仑赛 (CARVYKTI®) 是目前获批能靶定B细胞成熟抗原（BCMA）的CAR-T细胞产品，可应用于治疗R/R多发性骨髓瘤（MM）。这些疗法的总体反应率良好，为许多使用一线药物，但病情仍无法改善的患者，争取到了更多的时间与希望。纵观目前的临床进展，CAR-T疗法已不仅应用在治疗血液系统恶性肿瘤，尚有许多进行中的研究管线，探索更加广泛的适应症，如实体肿瘤、HIV、纤维化及自身免疫性疾病方面的应用。
在过往的治疗经验上，有些患者仍会面临复发的情况，经追踪发现，患者体内CAR-T细胞的耗竭、以及肿瘤持续演变造成靶点的丢失，是两项复发的关键因素。统计结果揭示接受BCMA定向CAR-T细胞治疗的MM患者中，有4-33%的患者出现BCMA丢失。从这项长期追踪可见，开发持久存在且适应性良好的CAR-T细胞，是长期优化药物疗效的重点。一篇发表在《Experimental Hematology & Oncology》期刊上的文章，深入探讨了不同T细胞亚群的代谢特征、试图以调控细胞代谢为基础，延伸探讨CAR的结构设计、共刺激因子选择、代谢特征、氨基酸调控与线粒体的转变等多个面向，试图通过记忆印记来增强 CAR-T 细胞的功能与细胞寿命，从而改善治疗效果，替未来的新型CAR-T 药物提供崭新的开发策略。
CAR-T细胞亚群决定了临床结果
就如同人会衰老一般，T细胞也有自己的生命周期，根据不同的分化阶段，T细胞会逐渐老去，最终凋零、耗竭。而在不同的分化阶段，各种表型的T细胞具有各自的特性、功能，与扩增能力。记忆T细胞属于分化较前期的细胞，具有较少的分化表型与优越的扩增能力，细胞寿命也较长，可以长时间的存在体内，对于持久的抗肿瘤效果至关重要。当记忆T细胞在遇到肿瘤抗原时，会分化增殖产生效应T细胞，进而起到毒杀肿瘤细胞的功能。追踪接受治疗的患者，发现完全缓解的患者，其CD8+ CAR-T细胞呈现高倍数增加，且具有记忆表型的T细胞存在。这一结果再次验证了输注的CAR-T细胞产品中，记忆亚群的百分比与较佳的临床反应成呈正相关。反观反应不佳的患者，其体内 T细胞，具有较高水平的PD-1和LAG-3，表明其总体T细胞健康状况较差且具备较多的效应T细胞，这些T细胞表现出疲惫、糖酵解和凋亡基因的特性，容易耗竭。
线粒体与T细胞分化密不可分
在T细胞分化过程中，能量代谢和线粒体发挥了关键作用，积极地影响其细胞命运。每种T细胞亚群都具有不同的功能信号传导和独特的代谢，由线粒体的状态便能探知T细胞的代谢情况。从天然T细胞分化到记忆T细胞和效应T细胞的过渡期间，线粒体经历了显著的适应性改变，对应到不同分化阶段的T细胞，其也各自展现出截然不同的代谢表征。天然T细胞通常含有圆形线粒体，记忆T细胞的线粒体则因线粒体融合蛋白(Opa-1)的影响而显得更狭长、趋近管状。效应T细胞具有由动力蛋白相关蛋白1（DRP1）介导的点状线粒体，使其更依赖于有氧糖酵解。经过单细胞RNA测序显示，耗竭的T细胞存在线粒体障碍与Opa-1表达下调的特征。反向操作，若透过分子技术在效应T细胞中过表达Opa-1来增强线粒体融合，有助于记忆T细胞的形成，延长T细胞在体内存活的时长。
糖酵解让CAR-T成为“短命”细胞
从细胞的代谢特征上来看，效应T细胞的糖酵解能力较高，而记忆T细胞更仰赖线粒体氧化营养物质提供能量。然而高度糖酵解的细胞寿命较短，而长期存活的T细胞与线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）直接相关。若抑制OXPHOS将会诱导耗竭相关的基因表现，最终诱发细胞凋亡。
未分化的天然T细胞，主要依赖于OXPHOS和脂肪酸氧化 (FAO)来满足其能量需求。记忆T细胞展现出类似于天然T细胞的代谢特征，但其OXPHOS水平和线粒体备用呼吸能力（SRC）较高，有助于在遇到抗原时能快速激活。临床上的结果也再次应证此结论，CAR-T细胞治疗失败的患者，其体内的CAR-T细胞代谢表徵更偏向于「糖酵解」，并且细胞的新陈代谢功能较弱，伴随着细胞寿命短、容易在短时间内耗竭的特性。值得庆幸的是，科学家发现通过细胞工程技术调节CAR-T的表观遗传与表型，能将CAR-T细胞的代谢表征转为倾向氧化磷酸化的状态，增加细胞的寿命，进而改善治疗效果和预后。这项技术将有机会提升未来细胞治疗的成功率。
另外，尚有几个调控因子也会影响CAR-T细胞的能力。FOXO1已被确定为T细胞记忆印记的主要调控因子，在CAR-T细胞中，抑制FOXO1基因将导致细胞耗竭并降低抗肿瘤反应，而提高FOXO1的表达则会增强抗肿瘤能力，并且增加线粒体质量。另一方面，PD-1介导的Akt信号传导途径也是其中一个重要的影响途径，调高PGC-1α的表达能增强了线粒体活性、持久性和形成细胞记忆，从而提高了CAR-T在体内的疗效。
氨基酸调节对CAR-T表型与性能的影响
T细胞的代谢中，另一个重要的调控环节便是氨基酸相关的基因表现。PRODH2在 proline 的代谢中扮演重要角色，被认定为是CAR-T细胞的功能促进剂，其会促进 OXPHOS 及增加线粒体的数量来重塑T细胞的代谢，改善了长期共培养后的细胞记忆表型。ASS (argininosuccinate synthase)和OTC(ornithine transcarbamylase)的过表达导致CAR-T细胞增殖增加、体内持久性改善以及疲劳减少。在CAR-T细胞中过表达色氨酸转运蛋白SLC7A5还会增加对肿瘤微环境（TME）的耐受性。过表达犬尿氨酸酶则会对犬尿氨酸的作用产生抗性，但却能提高细胞的毒杀能力与记忆分化。
CAR-T细胞的生成积极影响细胞活性与代谢
CAR-T治疗药物中，最关键的部份，莫过于对T细胞进行的体外编辑，使其增加靶向能力(如靶向特定癌细胞)。但T 细胞在经过人工编辑，产生CAR的过程里，不仅是增加了其靶向能力，也可能会同步改变其他的基因表现与细胞特性，对细胞寿命产生一定程度的影响。
CAR的主要构造是位于细胞外作为靶抗原结合物的scFv片段。此scFv片段会连接到一段穿透细胞膜的共刺激部件，通常来源于CD8α或CD28，再接到细胞内部活化细胞的信息传导路径。在第二代CAR的设计中，共同刺激的元件通常源于CD28或4-1BB，此元件会链接到CD3ζ，并能触发TCR信号传导路径。CAR的设计不仅关乎此CAR-T的靶向能力，能深远的影响了细胞寿命与活性，将多种类似设计的CAR相互比较后，发现仅因靶向不同的抗原，就会改变内部信号传导路径的活化程度。比如，两个CAR同样采用CD28作为共刺激分子并连接到CD3ζ，一个靶向CD19,另一个靶向GD2，仍旧会造成CD3ζ磷酸化程度不同，进而影响细胞的活化表现。
Resource: 《Experimental Hematology & Oncology》
不同的共刺激元件，将影响CAR-T细胞代谢表征与记忆印记
在CAR设计中，共刺激部件的选择也是可能改变代谢状态的重要关键，CD28和4-1BB是最广泛使用的共刺激部件，其各自激活独特的信息传递通路，从而调节免疫代谢通路以生成足够的能量来维持T细胞的活化和活动。CD28会激活触发PI3K-Akt-mTOR信息传递通路，导致一系列信号接续反应，包括上调GLUT1表达以增强葡萄糖的摄取。
4-1BB（或称CD137或TNFRSF9）属于肿瘤坏死因子受体（TNFR）基因家族，除了存在于T细胞中，也存在其他免疫细胞，如 NK细胞和树突状细胞。4-1BB采用两种不同的信号机制来调控T细胞的代谢与存活能力，在 T 细胞活化时，TRAF-1 表现量会激增，而 TRAF-2 则是被表达在未活化的T 细胞中。通过 TRAF-2，能进一步上调与 NF-κB 相关的促存活基因（如 Bcl-XL、Bcl-2 和 survivin），并且刺激 p-38 MAPK 的信息传递通路，而通过 NF-κB 和 p38/MAPK 介导的共刺激信息传递通路也更加仰赖线粒体代谢来维持细胞功能。上述与CD28和4-1BB相关的独特信息传递通路（PI3K/Akt、MAPK、NF-κB或ERK），与不同的代谢通路紧密相连，突显了它们在CAR设计中不可或缺的作用。
特定共培养细胞因子，提升CAR-T细胞记忆表型
经病毒转染后的CAR-T细胞会在富含细胞因子的培养基中继续培养与扩增，而选用的细胞因子会影响到不同表型亚群的分化。细胞因子IL-7和IL-15将促进CAR-T细胞增殖和分化成记忆T细胞；IL-15通过抑制mTORC1信息传递通路和增加肉碱棕榈酰转移酶1A（CPT1A）的表达，来增强记忆T细胞的表型；L-21与乳酸脱氢酶A（LDHA）抑制剂联合使用的情况下，会提升T细胞的记忆特性与干细胞特性。充分利用上述的细胞因子共培养，能让CAR-T细胞分化出对葡萄糖依赖度较低，且较能长期存在的记忆T细胞，提升治疗成功率。
无独有偶，另一篇发表于《Nature Immunology》的论文亦提出了重新编程细胞代谢来提升CAR-T细胞抗肿瘤效果的新思维，本论文的通讯作者、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL） 生物工程研究所的唐力博士对媒体表示「如果能解决代谢与能量供应问题，T 细胞则会拥有持续杀伤肿瘤的能力，IL-10 就是这样一种使 T 细胞代谢进入更加平衡和稳定状态的细胞因子。」唐力博士的研究团队发现 IL-10 具有重编程 T 细胞代谢的功能和作用，IL-10-Fc 融合蛋白可调升T 细胞的 OXPHOS 代谢，进而增强了耗竭 T 细胞的增殖能力。研究团队尝试将 IL-10-Fc 融合蛋白与 CAR-T 或 PD-1 抗体联用，在在黑色素瘤或结肠癌实体瘤小鼠模型中，此联合疗法的治愈率达到了 90%，是相当亮眼的治疗效果。
CAR-T细胞疗法的持续发展和技术革新正推动着细胞治疗领域的进步。通过精细化的CAR-T细胞设计、代谢调节及细胞表型特性等研究，不仅优化了治疗效果，更扩展了CAR-T细胞疗法在难治性疾病中的应用前景。进一步提高CAR-T细胞的疗效与持久性。这些创新和科学进展有望改写现今的治疗现状，为广大患者带来新的治疗希望和更好的生活质量。
参考信源 :
1.https://ehoonline.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40164-024-00535-1
2.https://www.163.com/dy/article/INJKA1PJ0532PL1J.html