嵌合抗原受体（CAR）T细胞在治疗血液恶性肿瘤患者方面取得了真正的临床成功，但在实体瘤背景下的临床疗效仍然具有挑战性。今天，小编要和大家分享一篇2023年4月发表在Science Immunology（IF：30.63）上的文章，回顾了肿瘤微环境中的代谢应激和信号传导对CAR T细胞治疗疗效的影响，并总结了旨在改善CAR T细胞代谢适应性的策略。
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迄今为止，细胞疗法正在以令人印象深刻的速度推进免疫疗法。特别是，嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法代表了治疗血液恶性肿瘤的范式转变策略，并标志着癌症免疫治疗的新时代。CAR T细胞是经工程化改造的T细胞，使用重组受体进行靶抗原识别，并以主要组织相容性复合体（MHC）不受限制的方式发挥有效的抗肿瘤应答。在CAR T细胞治疗过程中，自体来源的T细胞被收集、遗传改造并重新输注到淋巴细胞耗竭的患者体内。在临床前和临床研究中，CAR T细胞疗法已成功治疗晚期恶性血液病。相反，CAR T细胞疗法在治疗实体瘤方面的疗效却令人失望，部分原因是肿瘤特异性抗原的异质性表达、T细胞持久性不足、T细胞代谢失调和免疫抑制性肿瘤微环境（TME）。新出现的证据表明，代谢重编程或肿瘤内代谢需求的干扰导致T细胞的抗肿瘤活性降低。改善T细胞的代谢适应性大大增强了它们的持久性和抗肿瘤活性，这些代谢剂的疗效正在临床评估中。因此，正在寻求新的途径来塑造TME的代谢特征并重塑CAR T细胞代谢状态以克服现有障碍。在这篇综述中，作者总结了CAR T细胞治疗过去的成功和目前的局限性，并讨论了CAR T细胞生产中代谢操纵的前景。
1.CAR T细胞治疗：癌症免疫疗法的新时代
在临床试验结果令人满意的基础上，7种CAR T细胞产品，其中6种在美国和其他国家获得批准，1种在中国获得批准，已被用于治疗复发性/难治性（R/R）疾病的血液恶性肿瘤患者。例如，推荐使用CD19 CAR T细胞治疗B细胞恶性肿瘤；两种B细胞成熟抗原CAR T细胞产品最近被FDA批准用于治疗R/R多发性骨髓瘤（MM）。此外，靶向其他肿瘤特异性抗原的CAR T细胞正在开发中，并在临床前研究和临床试验中表现出有希望的结果，例如CD30 CAR T细胞治疗霍奇金淋巴瘤（HL），CCR 9的CAR T细胞治疗T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL），Siglec-6的CAR T细胞治疗急性髓性白血病（AML）。
用于治疗实体瘤的CAR T细胞疗法，尽管面临着比针对血液恶性肿瘤的CAR T细胞更多的挑战，但似乎正在改善。例如，claudin18.2 CAR T细胞治疗CLDN18.2阳性胃癌， HER2 CAR T细胞在R/R中枢神经系统（CNS）肿瘤中的区域递送实现了有效的结局和可接受的毒性。尽管迄今为止在治疗实体瘤方面的成功仍然有限，但正在大力研究新的CAR设计、CAR T细胞制造的改进以及防止T细胞耗竭同时促进T细胞干细胞性的组合方法。
2.CAR T细胞治疗的局限性
CAR T细胞持久性对于维持患者的临床应答至关重要。CAR T细胞的增殖能力和持久性与输注产品的记忆状态正相关。例如，与CAR刺激后部分或无应答的患者相比，对脂质代谢和T细胞记忆形成至关重要的白细胞介素-6（IL-6）/信号转导和转录激活因子3（STAT3）特征在来自CR患者的CD 19 CAR T细胞中升高（图1）。此外，更多的记忆和持久的CAR T细胞也与实体瘤患者的抗肿瘤活性相关。然而，与针对B细胞恶性肿瘤的CAR T细胞相比，针对实体瘤的CAR T细胞的增殖性和持久性较低，前者可以扩增1000倍并在患者中持续数月甚至数年。值得注意的是，脂质代谢对于T干细胞记忆形成是必不可少的（下面进一步讨论）。这些临床观察结果表明，在制造和体内扩增期间改善CAR T细胞的干细胞性和对参与耗竭程序的抗性可以增强CAR T细胞疗法的功效。
此外，TME提出了许多挑战，可能会降低CAR T细胞在患者中的疗效。例如，在HER2 CAR T细胞的局部治疗后，在CNS肿瘤患者的脑脊液和血清中检测到高水平的C-C基序趋化因子配体2，其将T regs和MDSC募集到神经胶质瘤微环境中。因此，克服抑制性TME被认为是改善CAR T细胞疗法的主要挑战。
由于TME内的靶细胞识别导致的慢性抗原暴露通过表观遗传重编程驱动CAR T细胞功能障碍，并降低患者的临床疗效。T细胞记忆形成和T细胞的表观遗传重塑都与T细胞代谢密切相关。下面讨论了代谢应激如何导致临床研究中观察到的CAR T细胞功能障碍的潜在影响，以及如何利用代谢干预来改善CAR T细胞治疗。
图1. 当前CAR T细胞疗法的挑战
3.癌细胞和其他肿瘤浸润细胞的代谢适应
癌细胞具有代谢活性，并从环境中大量消耗葡萄糖、氨基酸和脂肪酸以满足其营养需求。肿瘤的快速生长产生了营养缺乏和缺氧的TME。癌细胞采用有氧糖酵解支持能量需求，同时保留代谢中间体，支持大规模生长和增殖。此外，癌细胞可通过上调谷氨酰胺转运蛋白氨基酸转运蛋白2和系统N转运蛋白2或谷氨酸-氨连接酶以Myc依赖性方式增加细胞内谷氨酰胺水平，再通过氨解补充TCA循环中间体或柠檬酸盐通过还原羧化作为从头脂肪生成前体。由于在高度增殖性肿瘤中由于有限的脉管系统而缺氧，因此已经进化出几种代谢适应以克服缺氧环境。例如，缺氧可稳定缺氧诱导因子1α（HIF1α），并通过上调癌细胞中的丙酮酸脱氢酶激酶和乳酸脱氢酶A促进有氧糖酵解。癌细胞还增强脂肪酸的摄取，以维持缺氧条件下的膜稳态。然而，代谢重编程在不同的癌症类型中是不同的，并且由突变谱、起源组织和局部微环境决定。此外，乳酸和脂肪酸也可用作支持T reg 抑制功能的燃料。通过抑制肿瘤和抑制性肿瘤浸润细胞中高度需求的营养物质或特定代谢途径的摄取来靶向这些代谢适应具有巨大的治疗潜力。此外，阻断抑制性代谢产物的产生或对这些代谢产物的反应的几种抑制剂也在临床评价中。
4.TME中代谢应激导致T细胞耗竭
T细胞亚群-包括幼稚（TN）、效应、记忆（TM）、干细胞记忆（TSCM）和耗竭的T细胞-依赖于存活和发挥抗肿瘤免疫的不同代谢特征。然而，TME中的细胞之间存在严重的营养限制和串扰，特别是肿瘤和免疫细胞。在这里，作者总结了TME内的细胞内和细胞外代谢产物谱如何驱动免疫抑制并协调T细胞耗竭（图2）。
图2. 代谢物驱动TME内的免疫抑制和T细胞耗竭
糖酵解可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。在某些肿瘤类型中，TME内葡萄糖可用性的缺乏阻碍肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）细胞因子的产生，并促进体内和体外肿瘤生长。然而，最近的一项研究表明，肿瘤内的葡萄糖水平并不普遍受限，并且至少在MC 38小鼠结肠癌肿瘤中，TIL可以消耗与肿瘤细胞相当量的葡萄糖。此外，通过程序性死亡-1（PD-1）的信号传导也已显示会损害小鼠效应T细胞中的有氧糖酵解并促进对脂质氧化的依赖性。除了限制葡萄糖可用性和有氧糖酵解活性之外，TME中的乳酸积累也损害效应T细胞功能。
除了葡萄糖和乳酸之外，几种氨基酸-包括精氨酸，色氨酸和谷氨酰胺-与肿瘤发生和T细胞命运密切相关。TME中这些氨基酸的缺乏可能会导致CAR T细胞和TIL的功能障碍。
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。ROS的产生通常由TME中的几个因素调节，包括缺氧、线粒体呼吸活性和葡萄糖剥夺。高水平的线粒体ROS可以抑制NFAT5，减少T细胞增殖，进一步诱导小鼠和人T细胞耗竭。PGE2是一种丰富的免疫抑制分子，可以在许多肿瘤类型的TME中富集。PGE2与T细胞上的PGE2受体结合，以削弱其细胞因子分泌的能力，抑制存活，并增强衰竭。此外，在TME中经常检测到低pH值（pH 6至6.5），这会导致T细胞的可逆功能障碍。因此，了解TME内的代谢调节为设计CAR T细胞的代谢程序以最大化其在肿瘤内的持久性和功能能力提供了关键基础。
5.CAR T细胞的代谢重编程用于改善肿瘤控制
图3. 代谢干预用于维持CAR T细胞的持久性和效应子功能
选择CAR信号传导基序以增强T细胞持久性
CAR中的共刺激结构域提供共刺激信号，其不仅增强效应子功能，而且影响CAR T细胞中的代谢程序。CD28和4-1BB共刺激结构域广泛并入CAR构建体中。CD28共刺激信号激活PI3K-AKT信号通路，其增加葡萄糖摄取和有氧糖酵解以支持T细胞活化和分化。相反，4-1BB结构域通过激活肝激酶B1-AMP-激活的蛋白激酶-乙酰辅酶A羧化酶信号通路来激活葡萄糖和脂肪酸代谢。表达基于CD 28β的CD19 CAR的T细胞在与CD19抗原接合后表现出效应子记忆特征并有利于糖酵解代谢。相反，基于4-1BBβ的CD19 CAR T细胞倾向于形成中央记忆亚群并使用氧化代谢。CD19 4-1BBζ CAR T细胞可以在患者体内持续数年甚至十年，而CD19 CD28ζ CAR T细胞可以更快地扩增，但在输注后几个月内就会消失。
表面CAR表达的丧失是由延长的抗原暴露引起的缺陷之一，这消除了实现共刺激信号传导的优势。在抗原刺激后，表面CAR被内吞至早期内体并被泛素化用于溶酶体降解。通过在CAR的胞质尾中用精氨酸替换赖氨酸残基而抵抗泛素化的可再循环CAR保留了CAR表面表达和持续的共刺激信号。
来自OX40的共刺激信号也促进T细胞记忆表型。在OX40连接后，诱导TNF受体相关因子6的表达，触发脂肪酸代谢并增加CD8+记忆T细胞形成。
具有两个共刺激信号结构域的第三代CAR可以整合与每个共刺激信号相关的特定优势。例如，表达具有CD 28和4-1BB共刺激结构域的第三代CAR的PSMA CAR T细胞在RM1.PGLS肺转移小鼠模型中表现出上级抗肿瘤活性。CAR中每个结构域的构型也影响每个共刺激信号的协同效应。已经开发了几个平台来筛选共刺激信号结构域及其配置，以增强长期持久性和细胞毒性。类似的方法将适用于筛选CAR构型以保留TME中的CAR T细胞代谢适应性。
在生产CAR T细胞期间优化代谢的策略
CAR T制造方法涉及六个步骤：（1）收集，从患者获得自体T细胞；（ii）体外T细胞活化；（iii）转导，即将CAR编码病毒DNA掺入T细胞；（iv）CAR T细胞扩增；（V）患者淋巴细胞耗竭；（vi）患者输注CAR T细胞。CAR T细胞制造的每个阶段的成功可能依赖于不同的功能和代谢要求。一般而言，CAR T细胞在富含营养物和精氨酸的条件下用常规T细胞活化和扩增方案离体产生和扩增。由于不同的T细胞亚群具有特定的代谢程序和偏好，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。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，IL-2也可能有利于终末分化T细胞亚群的形成。在制造过程中调节IL-2的浓度和时机或用其他细胞因子替代IL-2可能是在CAR T细胞扩增过程中提高T SCM样和T CM样细胞比例的有效方法。
已发现其他细胞因子-包括IL-7、IL-15和IL-21-可促进氧化磷酸化并促进记忆表型的形成。除了细胞因子信号外，在扩增过程中优化其他营养素的水平也会影响CAR T细胞输注产品。例如，氨基酸组成，包括l-精氨酸和肌肽水平，可以改变T细胞代谢谱从糖酵解到OXPHOS，并在体外使活化的T细胞偏向中央记忆样细胞。调节脂质代谢，如阿伐米贝诱导的胆固醇酯化抑制，可以通过增加质膜上微结构域的存在来加强TCR信号传导，增强CAR T细胞的有效性。暴露于谷氨酰胺拮抗剂刺激OXPHOS和FAO，同时抑制糖酵解活性，导致CAR T生产过程中产生更多的TN或TCM亚群。总之，这些发现强调了CAR T细胞制造过程中细胞因子和营养物质浓度对代谢预处理和灵活性的影响。
PI3K信号传导途径的药理学抑制已显示出抑制T细胞糖酵解并调节记忆细胞形成和终末T细胞分化之间的平衡。在CAR T细胞体外扩增期间，用艾代拉里斯抑制PI3K信号传导增强TCM样和TSCM样细胞群体并延迟终末分化，AKT和mTOR抑制剂也达到了类似的效果。此外，除了糖酵解，PI3K抑制剂可能影响多种信号传导途径，因此，PI3K抑制调节CAR T细胞活性的潜在机制仍有待研究。
调节线粒体也能可塑性调节T细胞分化和持久性。此外，线粒体生物量可能是评估CAR T细胞代谢适应性和适应性的定义标准。最近，线粒体丙酮酸载体（MPC）的瞬时抑制显示靶向代谢-表观遗传轴以驱动记忆性CD8+ T细胞分化。除了调节线粒体活性外，线粒体自噬是清除功能失调/受损线粒体和维持TME中CD8+ T细胞抗肿瘤应答的关键过程。这些发现强调了研究线粒体稳态和动力学在CAR T细胞产生过程中指导T细胞分化的作用的必要性。
6.对CAR T细胞进行遗传改造以重塑其代谢活性
当将CAR T细胞输注到患者体内时，由于其高度复杂和免疫抑制性质，必须考虑TME。如前所述，T细胞必须通过维持高代谢活性和灵活性来应对TME中发生的代谢应激，以维持抗肿瘤活性。因此，需要赋予CAR T细胞对免疫抑制环境的抗性的策略来延长持久性和抗肿瘤反应。例如，已经通过利用Notch信号转导来扩增靶向CD19的CAR T细胞，以有利于人和鼠TSCM样细胞的产生。此外，为了克服低精氨酸水平，改造人CAR T细胞以表达精氨酸合成酶，包括氨基琥珀酸合酶和鸟氨酸转氨甲酰酶，能够增加CAR T细胞增殖和小鼠白血病和实体瘤的清除。
有氧糖酵解和合成代谢是活化T细胞生长、增殖和效应子功能所必需的。葡萄糖剥夺抑制T细胞糖酵解并下调下游代谢物磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），PEP通过维持TCR介导的Ca2+-NFAT信号传导来调节抗肿瘤应答的关键代谢物。发现在鼠CD8+ T细胞中过表达PCK1以恢复PEP产生可导致更强的抗肿瘤反应。此外，通过过表达PCK1也能诱导鼠CD8+ TM细胞的存活和命运维持。然而，这种方法是否可以应用于CAR T细胞还有待探索。
7.总结
对CAR T细胞持久性的改善和克服TME中对代谢应激的抗性是CAR T细胞疗法的关键挑战。而T细胞在浸润TME并与肿瘤靶标接合后的命运与肿瘤内发生的代谢重编程密切相关。因此，了解TME中T细胞代谢的失调已经确定为重新激活T细胞抗肿瘤活性的关键。利用代谢途径促进记忆T细胞形成或逆转营养限制性TME对效应子功能抑制的策略在临床前研究中显示出CAR T细胞肿瘤控制的有希望的改善。此外，代谢重塑也可能是在肿瘤中空间调节CAR T细胞功能的潜在方法。
参考文献：
Peng, Jhan-Jie, et al. "Metabolic challenges and interventions in CAR T cell therapy." Science Immunology 8.82 (2023): eabq3016.
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