科研赋能|CAR-T细胞治疗中的代谢挑战

CAR-T细胞疗法已经在治疗晚期血液恶性肿瘤方面取得了巨大的成功。然而，其在实体肿瘤方面的疗效还不尽人意，部分原因是肿瘤特异性抗原少，肿瘤相关性抗原异质性表达、T细胞持久性不足、T细胞代谢失调以及免疫抑制肿瘤微环境（TME）^[1]。代谢重编程或肿瘤内代谢需求的干扰导致T细胞抗肿瘤活性降低^[2]，改善T细胞的代谢适应性可以大大增强它们的持久性和抗肿瘤活性。

癌细胞代谢活跃，从环境中大量消耗葡萄糖、氨基酸和脂肪酸来满足其营养需求。肿瘤的快速生长造成了营养缺乏和缺氧的TME。有氧糖酵解，即使在氧气存在的情况下也能将葡萄糖分解代谢转化为乳酸，主要被癌细胞所采用。这种适应性在支持能量需求的同时保留了代谢中间体，可以作为脂质、氨基酸和核苷酸合成的碳源支持大规模增长和增殖。有趣的是，抑制性肿瘤浸润免疫细胞，包括M2样肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)、髓系抑制性细胞（MDSCs）和调节性T细胞（Tregs），能够很好地适应酸性、营养剥夺和缺氧的TME^[3]。例如，乳酸促进TAM分化为M2样表型，其特征是精氨酸酶1 (Arg1)的表达升高，以及TME中MDSCs的积累，而不是巨噬细胞或树突状细胞^[4]。乳酸和脂肪酸也可以作为燃料来支持Tregs抑制功能^[5]。目前正在研究通过抑制肿瘤和肿瘤浸润细胞对高需要量营养物质或特定代谢途径的摄取来靶向这些代谢适应的治疗潜力。

T细胞亚群（包括naïve (TN)、效应细胞(effector)、记忆细胞(memory)、干细胞记忆细胞(TSCM)和耗竭T细胞）依赖于不同的代谢特征来生存和发挥抗肿瘤免疫功能。TME内的细胞内和细胞外代谢物可以驱动免疫抑制和协调T细胞衰竭。例如，糖酵解可以通过调节特定代谢物来支持效应细胞因子的产生，如干扰素-γ^[6]。TME中的乳酸也可以通过各种机制来抑制T细胞增殖和效应功能^[7.8]。一些氨基酸（包括精氨酸、色氨酸和谷氨酰胺）与肿瘤的发生和T细胞的命运密切相关。然而，TME中这些氨基酸的缺乏会导致CAR-T细胞和肿瘤浸润性淋巴细胞（TILs）功能障碍。除了营养限制外，TME中产生的一些代谢物和可溶性因子，包括免疫抑制介质、活性氧(ROS)和前列腺素E2 (PGE2)，可直接诱导T细胞功能障碍^[9]。重组缺氧反应可能会调整T细胞分化，维持CAR-T细胞的持久性和抗肿瘤反应。了解TME内的代谢调节为设计CAR-T细胞的代谢程序，以最大限度地提高其在肿瘤内的持久性和功能能力提供了关键的基础。

图片来源：Sci Immunol. 2023 Apr 14;8(82)

CAR-T细胞中促进记忆特征、抵抗免疫抑制信号和衰竭程序的策略正在深入研究中。代谢重编程是记忆T细胞分化和存活的关键步骤，在慢性病毒感染和肿瘤侵袭期间，代谢不足可以驱动T细胞的衰竭程序^[10]。因此，在CAR-T细胞中，调节代谢适应度以促进记忆T细胞分化被认为是一种有希望的方法，可以提高持久性，克服敌对的TME，并维持CAR-T细胞对慢性抗原刺激的功能^[9]。研究发现，可以通过以下几种方式来维持CAR-T细胞持久性和效应功能：

（1）CAR信号基序的选择--增强T细胞的持久性：CAR中的共刺激结构域提供的共刺激信号不仅能增强效应功能，还能影响CAR-T细胞的代谢程序。在实体瘤和恶性血液病的临床前模型中，与CD28ζ和4-1BBζ CAR-T细胞相比，Myd88-CD40ζ (MC) CAR-T细胞表现出强大的增殖能力，抵抗衰竭程序，以及优越的肿瘤控制能力[11]。MC CAR-T细胞表现出低分化状态，并富集FOXM1和MYB靶基因^[11]。FOXM1已被证明是多发性骨髓瘤和肝细胞癌中糖酵解和氧化磷酸化(OXPHOS)的积极调节因子。除此之外，来自OX40的共刺激信号也促进T细胞记忆表型。表达带有OX40共刺激信号域的第二代CAR-T细胞表现出强大的增殖能力^[12]。如何修改CAR-T细胞中的共刺激结构域以优化代谢重编程，从而使体内持久性和抗肿瘤活性最大化，仍有待明确。

（2）优化CAR-T细胞生成过程中的代谢策略：优化体外扩增方案可以诱导代谢重编程，支持TSCM和TCM的形成。例如，IL-2促进糖酵解以支持快速增殖，通常用于CAR-T细胞培养。然而，抑制CAR-T细胞中的糖酵解已被证明可以维持低分化状态，延长体内持久性，并提高抗肿瘤活性^[13]。因此，在CAR-T细胞扩增过程中，调节IL-2的浓度和时间或用其他细胞因子替代IL-2可能是提高TSCM样细胞和TCM样细胞比例的有效途径。其他细胞因子（包括IL-7、IL-15和IL-21）已被发现可以促进氧化磷酸化并促进记忆表型的形成。在临床前研究和I期临床试验中，包括神经母细胞瘤、黑色素瘤、肉瘤和骨肉瘤患者，IL-7和IL-15被发现可以最大限度地减少CAR-T细胞耗损，并提供出色的抗肿瘤活性^[13]。除了细胞因子信号外，在扩增过程中优化其他营养物质的水平也会影响CAR-T细胞输注产物。

图片来源：Sci Immunol. 2023 Apr 14;8(82)

综上所述，改善CAR-T细胞的持久性和克服对TME代谢应激的抵抗是CAR-T细胞治疗的关键挑战。T细胞浸润TME并与肿瘤靶标结合后的命运与肿瘤内发生的代谢重编程密切相关。了解TME中T细胞代谢失调可以确定重振T细胞抗肿瘤活性的关键靶点。在临床前研究中，利用代谢途径促进记忆T细胞形成，或逆转营养受限TME对效应功能抑制的策略可以有效的改善CAR-T细胞控制肿瘤的效果。

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