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