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CAR-T細胞代謝對療效的作用

前言

嵌合抗原受體(CAR)T細胞在腫瘤免疫治療具有巨大的潛力。然而,接受CAR-T細胞治療的患者中有很大一部分不會達到長期完全緩解。其中一個原因在于他們的過早耗竭,這也包括過繼轉(zhuǎn)移的CAR-T細胞的代謝無能。耗竭和/或終末分化的CAR-T淋巴細胞的頻繁出現(xiàn)可能導(dǎo)致腫瘤浸潤不良、持續(xù)性有限、缺乏效應(yīng)器功能,最終導(dǎo)致腫瘤免疫逃逸。

已經(jīng)證明特別適合CAR-T細胞治療的T細胞表型顯示出某些代謝特征;以自我更新和持久性為特征的T細胞記憶(TSCM)細胞優(yōu)先通過氧化磷酸化(OXPHOS)來滿足其能量需求,效應(yīng)T細胞(TEFF)依賴糖酵解來支持其細胞毒性功能。CAR-T細胞設(shè)計和制造的各種參數(shù)共同決定最終細胞產(chǎn)物的代謝概況。

事實上,T細胞的關(guān)鍵功能甚至分化都與細胞的生物能量學緊密相連。腫瘤細胞及其微環(huán)境(TME)反過來可以以多種方式影響T細胞代謝,包括關(guān)鍵營養(yǎng)素(如葡萄糖或色氨酸)的消耗、生物活性代謝物(如乳酸或活性氧)的積累或通過免疫檢查點。考慮到T細胞代謝和功能特征之間的緊密聯(lián)系,這是有效CAR-T細胞治療的先決條件,因此研究代謝調(diào)節(jié)作為提高臨床療效甚至耐受性的手段非常有意義。

當前CAR-T細胞治療的局限性

當前,CAR-T細胞治療仍面臨一些障礙,包括治療相關(guān)的毒性、對實體瘤的療效有限、靶抗原丟失、腫瘤浸潤不良、持續(xù)性有限以及免疫抑制性TME。

CAR-T細胞相關(guān)毒性

幾種CAR相關(guān)(即靶抗原、共刺激域)和疾病相關(guān)(即腫瘤類型、腫瘤大小、促炎活性)因素決定了治療相關(guān)毒性的發(fā)生率和程度。最相關(guān)的包括細胞因子釋放綜合征(CRS)、免疫效應(yīng)細胞相關(guān)神經(jīng)毒性綜合征(ICANS)和長期血液毒性。

實體瘤浸潤不良

實體惡性腫瘤的治療決定性地取決于CAR-T細胞浸潤腫瘤部位的能力。克服這一障礙的策略包括局部給藥,用對腫瘤衍生趨化因子有反應(yīng)的趨化因子受體武裝CAR-T細胞,以及降解細胞外基質(zhì)的酶(如肝素酶)的表達。有趣的是,T細胞代謝可以影響細胞運動,從而影響腫瘤組織浸潤,糖酵解和OXPHOS都為這一耗能過程提供了能量。此外,某些營養(yǎng)素如色氨酸和精氨酸的耗竭]或TME中乳酸的積累可抑制T細胞運動。

靶抗原丟失

免疫逃逸機制之一是由于免疫壓力而導(dǎo)致靶抗原的丟失。應(yīng)對措施包括開發(fā)針對多種腫瘤抗原的多特異性CAR(例如,雙CAR或串聯(lián)CAR)。

免疫抑制性TME

從免疫代謝的角度來看,TME是CAR-T細胞的敵對環(huán)境。正常T細胞功能所需的營養(yǎng)物質(zhì)(如葡萄糖或精氨酸)被耗盡,而有害代謝產(chǎn)物(如犬尿氨酸、活性氧和乳酸)則同時累積。此外,耐受促進細胞亞群的存在,如髓系衍生抑制細胞(MDSCs)、腫瘤相關(guān)巨噬細胞(TAM)或調(diào)節(jié)性T細胞(TRegs),可對抗腫瘤導(dǎo)向的免疫應(yīng)答。上述因素都會削弱基于T細胞的免疫反應(yīng),并導(dǎo)致耗竭。

T細胞分化與代謝之間的聯(lián)系

CAR-T細胞的治療效果和持久性與其分化狀態(tài)顯著相關(guān)。T細胞分化的不同階段包括:幼稚T細胞(TN)、干細胞中央記憶T細胞(TSCM)、中央記憶T淋巴細胞(TCM)、效應(yīng)記憶T細胞、效應(yīng)T細胞和終末分化T細胞。具有高含量TN、TCM和TSCM細胞的CAR-T細胞產(chǎn)品顯示出優(yōu)異的抗腫瘤反應(yīng)和體內(nèi)持久性。T細胞的分化狀態(tài)和代謝表型緊密相連,因此了解代謝如何影響分化很重要。

當TN離開胸腺時,它們主要依賴葡萄糖衍生丙酮酸或脂肪酸氧化(FAO)提供的OXPHOS一旦進入外周,TN很可能遇到抗原,經(jīng)歷T細胞受體(TCR)激活,并向TEFF細胞分化。盡管存在足夠的氧氣進行OXPHOS,但該過程與代謝偏向有氧糖酵解并行。這種代謝重編程允許產(chǎn)生快速細胞生長和增殖所需的代謝中間體,并在應(yīng)激條件下維持細胞氧化還原平衡。這一過程受到關(guān)鍵代謝調(diào)節(jié)劑哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)的嚴格調(diào)控。除了糖酵解,已經(jīng)證明線粒體活性對支持T細胞效應(yīng)器功能也很重要。

抗原相遇并成功清除后,TEFF細胞群收縮。然而,一小部分作為長壽記憶T細胞存在,其特征是抗原再暴露后快速激活、增殖和效應(yīng)器功能。與TEFF細胞相比,雷帕霉素對mTOR的抑制增強了體內(nèi)記憶T細胞的形成。在這種情況下,5′腺苷一磷酸激活蛋白激酶(AMPK)調(diào)節(jié)記憶T細胞代謝。記憶T細胞通過FAO和OXPHOS為其能量需求提供燃料。這導(dǎo)致備用呼吸能力(SRC)增加,這使得T細胞能夠在壓力或營養(yǎng)限制的情況下快速滿足能量需求。

不同的T細胞亞群依賴于不同的代謝程序,這些程序決定了基于T細胞的免疫療法的功能、壽命、持久性以及療效。一些臨床T細胞試驗報告了輸注分化程度較低的T細胞與更好的臨床結(jié)果之間的正相關(guān)。

TME中的T細胞代謝

T細胞代謝不僅受到T細胞分化和活化狀態(tài)等的影響,而且還受到腫瘤免疫微環(huán)境條件的影響。其中一個原因是活化的T細胞和惡性細胞具有相似的代謝特征,這導(dǎo)致對葡萄糖等營養(yǎng)素的競爭,這種競爭可能會阻礙T細胞反應(yīng)。

糖酵解腫瘤抑制T細胞功能的另一種間接機制是通過過量乳酸釋放。乳酸對T細胞代謝具有抑制作用,特別是糖酵解,這是由于細胞外環(huán)境和細胞質(zhì)之間的乳酸梯度不利。事實上,許多腫瘤衍生代謝副產(chǎn)物具有抑制潛力。TME中鉀的積累阻斷了T細胞的氨基酸和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白。腫瘤上高度表達的外核苷酸酶CD39和CD73將細胞外ATP轉(zhuǎn)化為腺苷。后者干擾NfκB信號傳導(dǎo),限制T細胞的抗腫瘤活性并促進TRegs的誘導(dǎo)。腺苷還直接影響T細胞代謝和功能,事實上,腺苷使mTOR靶蛋白S6磷酸化減弱,從而導(dǎo)致糖酵解代謝降低。除了損害新陳代謝,腺苷還減少細胞因子的產(chǎn)生和T細胞脫顆;钚。此外,TME內(nèi)脂質(zhì)(例如膽固醇)濃度的增加會引發(fā)所謂的脂質(zhì)毒性,導(dǎo)致細胞死亡和T細胞耗竭。另一項研究還表明,TME中長鏈脂肪酸的積累導(dǎo)致胰腺癌T細胞功能障礙。

除了上述分子,TME中的不同細胞因子也對T細胞代謝和分化產(chǎn)生影響。一方面,IL-2通過持續(xù)的mTOR激活維持糖酵解轉(zhuǎn)變,這已證明有利于TRegs的產(chǎn)生和抑制活性。另一方面,已知IL-7、IL-15和IL-21等細胞因子通過增加甘油攝取、SRC、CPT1α表達,甚至通過抗氧化分子(谷胱甘肽還原酶、硫氧還蛋白還原酶1、過氧化物酶和超氧化物歧化酶)的表達來驅(qū)動線粒體和脂肪酸代謝,從而補償OXPHOS后ROS的增加。

此外,PD-L1等免疫檢查點是腫瘤免疫逃逸的驅(qū)動因素。最近的數(shù)據(jù)表明,它們通過干擾T細胞代謝發(fā)揮部分作用。PD-L1與PD-1的結(jié)合通過降低糖酵解活性而削弱其效應(yīng)器功能。這表明,目前采用的免疫檢查點阻斷可能恢復(fù)免疫代謝適應(yīng)性,需要進一步研究。

CAR設(shè)計對T細胞代謝的影響

分化程度較低的T細胞表型似乎有利于CAR-T細胞的臨床療效。某些CAR成分的設(shè)計可以共同確定代謝表型和干性。

共刺激域

CAR中使用各種共刺激域,目前大多數(shù)構(gòu)建體屬于以下超家族之一:腫瘤壞死因子受體超家族(4-1BB/CD137,OX40)或免疫球蛋白超家族(CD28,ICOS/CD278)。許多比較4-1BB與CD28的研究表明,與CD28相比,4-1BB的基礎(chǔ)耗氧率(OCR)更高,這種差異在TCM和TN中最強。相反,代謝通量分析顯示CD28 CAR T細胞的細胞外酸化率(ECAR)增強,這是有氧糖酵解的產(chǎn)物。CD28 CAR-T細胞顯示參與糖酵解的關(guān)鍵基因表達增加,包括GLUT1、磷酸甘油酸激酶(PGK)和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)。4-1BB CAR-T細胞中增強的FAO、SRC和OXPHOS由增強的線粒體生物發(fā)生以及融合支持,這也見于記憶T細胞。這些差異可能來自于每個共刺激域觸發(fā)的分子通路。這些代謝特征可能解釋了4-1BBCAR-T細胞傾向于TCM表型、效應(yīng)器反應(yīng)較慢和體內(nèi)持久性更長的原因。

總體而言, 4-1BB共刺激使CAR-T細胞代謝偏向OXPHOS和FAO,并促進分化程度較低的表型。有趣的是,具有CD28和4-1BB共刺激結(jié)構(gòu)域的第三代CAR-T細胞似乎保持了4-1BB CAR-T的高線粒體代謝,但同時伴隨著糖酵解代謝的增加。隨著時間的推移,這種總體增強的代謝活性促使雙CAR-T細胞中持續(xù)的緊張性TCR信號傳導(dǎo)、增殖和代謝適應(yīng)性。

其他CAR相關(guān)因素

除了共刺激域,CAR設(shè)計的其他方面也可以影響CAR T細胞的代謝。研究表明,泛素化缺陷的CD19 CAR-T細胞表現(xiàn)出較高的OCR和SRC。泛素化的抑制導(dǎo)致CAR構(gòu)建體循環(huán)到表面并增強溶酶體信號傳導(dǎo),從而促進OXPHOS,進而促進記憶T細胞的形成。

靶向CAR-T細胞代謝的策略

隨著關(guān)于能量代謝對CAR-T細胞功能和持久性的數(shù)據(jù)越來越多,目前正在開發(fā)許多干預(yù)策略。

優(yōu)化細胞培養(yǎng)條件

CAR-T細胞制造過程中的培養(yǎng)條件可以決定分化狀態(tài)和代謝表型。一個重要因素是補充血清,動物或人類來源的血清是支持細胞生存和生長的培養(yǎng)基的重要組成部分。傳統(tǒng)配方包括胎牛血清(FBS)和人血清(HS),最近的研究探討了用于間充質(zhì)干細胞(MSCs)擴增的人血小板裂解物(HPL)的用途。在HPL存在下擴增的CAR-T細胞顯示出TCM細胞的富集、優(yōu)異的體內(nèi)擴增和增強的抗腫瘤活性。此外,作為一種替代方案,血清可以被PhysiologixTM(Phx)代替,這是一種從全血中提取的生長因子。Phx增強了CAR-T細胞的功能性和體內(nèi)擴增,同時,代謝從糖酵解轉(zhuǎn)向OXPHOS。

另一方面,CAR-T細胞生產(chǎn)的持續(xù)時間會影響分化和功能。通常,CAR-T細胞擴增持續(xù)9至14天。然而,更短的間隔允許產(chǎn)生具有更高增殖能力、更少分化和更大細胞毒性活性的CAR-T細胞。這些優(yōu)化方案的范圍為3-5天。

CAR T細胞產(chǎn)生最常用的細胞因子是IL-2。然而,IL-2促進糖酵解以快速增殖,但會導(dǎo)致短壽命、高分化和耗竭的CAR -T細胞的形成。替代IL-2的努力集中于替代γ鏈細胞因子,包括IL-7、IL-15和IL-21。證據(jù)支持IL-15通過mTOR抑制來保持細胞干性,并誘導(dǎo)更高的抗腫瘤活性和增殖。干擾mTOR信號導(dǎo)致糖酵解減少,并向OXPHOS轉(zhuǎn)移。此外,IL-21是一個有趣的候選因子,因為它增強了FAO,從而支持TCM細胞的生成和體內(nèi)持久性。與IL-15相比,IL-21可能產(chǎn)生更好的抗腫瘤活性。其他策略包括IL-21與IL-4和IL-7的組合,這保持了干細胞的穩(wěn)定性,并減少了CAR-T細胞中抑制性受體(包括PD-1和TIM3)的表達。

干擾糖酵解

TME通常以營養(yǎng)素缺乏為特征,惡性細胞和T細胞爭奪生物能量底物。一般來說,營養(yǎng)缺乏對T細胞有害。然而,最近的研究表明,代謝應(yīng)激,特別是葡萄糖缺乏,可能會促進T細胞的持久性。研究最多的糖酵解抑制劑之一是2-脫氧-D-葡萄糖(2-DG)。2-DG是一種葡萄糖衍生物,通過葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白進入細胞,然后被糖酵解的啟動酶己糖激酶2(HK2)磷酸化。產(chǎn)生的2-DG-6-磷酸不能被進一步代謝,由于終產(chǎn)物抑制,HK2活性顯著降低。在體外擴增期間用2-DG處理T細胞有利于記憶T細胞的形成。

此外,在TCR結(jié)合時激活的主要途徑之一是PI3K/Akt/mTOR信號軸,其促進糖酵解以支持快速T細胞增殖和分化。因此,干擾這種信號通路可能導(dǎo)致分化程度較低的CAR-T細胞。研究測試了在PI3K抑制劑存在下B細胞成熟抗原(BCMA)導(dǎo)向的CAR-T細胞的擴增,將這些CAR-T細胞輸注給多發(fā)性骨髓瘤小鼠,導(dǎo)致長期腫瘤消退。

促進線粒體代謝

鑒于線粒體代謝與CAR-T細胞的干性和體內(nèi)持久性有關(guān),目前正在研究幾種策略以相應(yīng)地調(diào)節(jié)CAR-T細胞的生物能量學。線粒體生物發(fā)生的一個關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子是PGC1α。PGC1α由增強的能量需求觸發(fā),它通過AMPK激活后的磷酸化激活,并通過DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子(包括核呼吸因子NRF1和NRF2)的結(jié)合和激活發(fā)揮作用,這些轉(zhuǎn)錄因子參與控制線粒體活性增加時產(chǎn)生的過量ROS。在小鼠黑色素瘤模型中,將抗PD-1治療與PGC1α激動劑benzafibrate聯(lián)合使用,導(dǎo)致OXPHOS增加,T細胞凋亡減少。

調(diào)節(jié)線粒體動力學是增強線粒體適應(yīng)性的另一種策略。如Mdiv-1,一種線粒體分裂抑制劑,或消融基因,如動力蛋白相關(guān)的GTPase(DRP1)或線粒體分裂動力蛋白I(DNM1)。這兩種方法都導(dǎo)致了融合的線粒體,增加了線粒體的適應(yīng)性,以及腫瘤浸潤淋巴細胞的抗腫瘤活性。

營養(yǎng)支持

考慮到TME內(nèi)營養(yǎng)素的競爭,目前有幾項工作正在關(guān)注氨基酸和核苷酸的補充。例如,L-精氨酸可以通過增強OXPHOS和記憶細胞形成,提高體外和體內(nèi)T細胞的抗腫瘤活性。關(guān)于核苷酸,肌苷似乎是一種有吸引力的補充物,因為它有可能進入糖酵解和磷酸戊糖途徑。例如,在小鼠模型中,即使在缺乏營養(yǎng)的條件下,它也能提高腫瘤清除率。

小結(jié)

盡管CAR-T細胞療法已經(jīng)徹底改變了癌癥治療領(lǐng)域,但仍有一些障礙需要克服,包括毒性和療效。為了克服這些局限性,目前的重點是優(yōu)化CAR-T細胞設(shè)計,包括調(diào)節(jié)CAR-T細胞活性和毒性、細胞因子介導(dǎo)的CAR-T細胞重定向、通用CAR或武裝CAR-T細胞等策略。

除了目前開發(fā)的CAR外,還致力于優(yōu)化CAR-T細胞培養(yǎng)、制造和轉(zhuǎn)移,以改變T細胞適應(yīng)性和代謝的某些方面。新的證據(jù)表明T細胞代謝與功能、分化和持久性之間的存在相互聯(lián)系。因此,評估代謝調(diào)節(jié)作為改善CAR-T細胞治療的策略似乎是不可避免的。CAR的設(shè)計,尤其是共刺激域的設(shè)計,會強烈影響代謝、表型、持久性,可能還會影響毒性。未來,我們應(yīng)該更加關(guān)注所利用的信號域的代謝影響,此外,還可以進行進一步的基因干預(yù),允許某些關(guān)鍵代謝分子的表達。總的來說,這些方法將產(chǎn)生具有高抗腫瘤活性、保持TME中生存和持久性的干性CAR-T細胞。

參考文獻:

1.Roleof CAR T Cell Metabolism for Therapeutic Efficacy. Cancers (Basel).2022Nov 4;14(21):5442.

       原文標題 : CAR-T細胞代謝對療效的作用

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權(quán)或其他問題,請聯(lián)系舉報。

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