Nature子刊最新研究：CAR-T细胞中GLUT1的过表达诱导代谢重编程并增强抗肿瘤效力

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Highlights

1. CAR-T细胞通过过表达GLUT1提升了葡萄糖的摄取和代谢，增加了能量供应。

 

 

2. GLUT1过表达有助于减少T细胞耗竭并促进特定类型的T细胞（Th17）分化，增强了免疫反应。

 

 

3. 在动物模型中，GLUT1过表达的CAR-T细胞显示出更好的肿瘤控制能力和持久性。

 

近日，“Nature Communications”（IF=14.7）上发表了一篇题为“GLUT1 overexpression in CAR-T cells induces metabolic reprogramming and enhances potency”的文章。这篇文章探讨了在CAR-T细胞中过表达葡萄糖转运蛋白GLUT1对细胞代谢和抗肿瘤效能的影响。

 

研究背景介绍

 

 

CAR-T细胞疗法是一种革命性的癌症治疗手段，通过基因工程技术将患者的T细胞改造成能够识别并攻击特定癌细胞的细胞。这种疗法通过在T细胞表面表达特定的嵌合抗原受体（CAR），使其能够靶向癌细胞上的特定抗原。

 

 

葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）是一种葡萄糖转运蛋白，负责将葡萄糖从细胞外转运到细胞内，为细胞提供能量。在肿瘤微环境中，葡萄糖是细胞生存和增殖的关键资源，因此GLUT1在肿瘤细胞的代谢中扮演着重要角色。

 

研究思路分析

 

研究技术路线图

 

01基础代谢效应

 

 

①研究发现葡萄糖剥夺显著降低了CD19.28ζ-CAR和GD2靶向的HA.28ζ-CAR细胞的活性和扩增。通过过表达GLUT1，发现CAR-T细胞的葡萄糖摄取增加，糖酵解能力和线粒体呼吸作用增强。这种改变在CD19.28ζ-CAR细胞中比在持续激活的HA.28ζ-CAR细胞中更为显著，后者由于基础状态下GLUT1表达较高，对葡萄糖的需求已部分满足。表明，葡萄糖可用性是CAR-T细胞抗原驱动激活的限制因素，GLUT1过表达能在此情况下提高糖酵解和线粒体呼吸。

 

 

②RNA测序分析发现，GLUT1过表达（GLUT1OE）CD19.28ζ T细胞在静息状态和激活后显示出糖酵解和氧化磷酸化相关基因表达的增加，并表现出向记忆和效应细胞转变的特征。此外，GLUT1OE还诱导了与多种代谢途径相关的基因，包括精氨酸、谷氨酸、谷胱甘肽和脂肪酸代谢等。

 

 

③研究还发现，GLUT1OE促进了Th17细胞分化，并上调了Th17相关细胞因子IL17F和IL22的表达。GLUT1OE的CAR-T细胞在抗原刺激后，表现出CCR4+和CCR6+蛋白表达的增加，并且CD19.28ζ-GLUT1OE T细胞在刺激后分泌了更高水平的IL-17A和IL-17F。表明GLUT1OE减少了与耗竭相关的转录特征，诱导了Th17细胞分化，并促进了与增加糖酵解和氧化磷酸化相关的代谢重编程。

 

 

02代谢途径与抗肿瘤效能

 

 

①GLUT1OE的CAR-T细胞显示出GLUT3和ATP合酶表达的增加，以及参与谷胱甘肽（GSH）生产的两种酶——谷胱甘肽合成酶和胱硫醚酶的转录上调。质谱分析显示CD19.28ζ-GLUT1和HA.28ζ-GLUT1细胞都含有较低的氧化型GSH（GSSG），线粒体ROS降低。

 

 

②此外，RNA测序数据显示GLUT1OE的CD19.28ζ CAR-T细胞谷氨酰胺代谢相关基因表达上调，且这些细胞中的谷氨酰胺水平降低，支持GLUT1OE增加谷氨酰胺代谢和抗氧化剂生产的模型。实验还表明，GLUT1OE的CAR-T细胞对H2O2诱导的抑制更具抵抗力，这种效果在GSH水平降低时被消除。表明，GLUT1OE诱导了促进抗氧化的途径，赋予了对ROS诱导抑制的抵抗力，预计将增强抗肿瘤效力。

 

 

③通过全局质谱分析，发现GLUT1OE的CAR-T细胞的甘氨酸和丝氨酸代谢途径显著富集。尿素循环相关的代谢物也高度富集，精氨酸在GLUT1OE细胞中减少，可能是转化为高精氨酸。为了评估尿素循环活性变化的影响，分析了GLUT1OE对MTOR活性的影响。流式细胞术确认了HA.28ζ-GLUT1细胞在CAR激活后24小时内pS6的增加。

 

 

④此外，使用标记的葡萄糖进行碳追踪，发现GLUT1OE促进了乳酸的形成和来源于TCA循环的谷氨酸的产生。GLUT1OE的CAR-T细胞中还发现了显著增加的肌苷生物合成，这是通过PPP间接形成的。表明GLUT1OE诱导了广泛的代谢重编程，涉及 PPP、TCA和尿素循环，而非单一酶或途径的影响。

 

 

03体内抗肿瘤效果

 

 

①研究发现，GLUT1OE在CD4+和CD8+CAR-T细胞中未增加耗竭标志物表达。而与白血病细胞共培养时，分泌了更多的IL-2和IFNγ，显示出更强的抗肿瘤能力。此外，GLUT1OE CAR-T细胞在多次肿瘤刺激后，耗竭标志物的表达降低，记忆细胞的比例增加，显示出更好的抗肿瘤持久性和功能性。对于GPC2.28ζ CAR-T细胞，GLUT1OE同样增强了其对低抗原密度的敏感性和对实体瘤的细胞毒性。表明，GLUT1OE提升了CAR-T细胞的抗肿瘤效力和功能。

 

 

②在小鼠应激测试模型中，将亚适量的CD19.28ζ±GLUT1OE注入患Nalm6白血病的NSG小鼠体内，CD19.28ζ-GLUT1 CAR-T细胞在延缓肿瘤生长、脾细胞中CAR-T细胞比例以及残留Nalm6水平等方面表现更优。将Nalm6-GD2细胞植入NSG小鼠后，HA.28ζ-GLUT1能长期控制肿瘤，在特定天数在外周血中持续存在，且多次挑战后仍有抗肿瘤免疫力和抗原特异性保护。对肾包膜植入SMS-SAN细胞的NSG小鼠进行测试，发现肿瘤生长控制与GLUT1OE无关，但GPC2-28ζ-GLUT1治疗的小鼠血液中循环人T细胞和TSCM群体水平更高。表明GLUT1OE增强了CAR-T细胞在体内的效力和持久性。

图1. GLUT1过表达增强糖酵解

图2. GLUT1过表达增强氧化磷酸化

图3. GLUT1过表达诱导转录重编程

图4. GLUT1过表达促进Th17分化

图5. GLUT1过表达增强了抵抗氧化还原抑制的代谢途径

图6. GLUT1过表达改变精氨酸和肌苷代谢

图7. GLUT1过表达增强了对肿瘤挑战的响应效能

图8. GLUT1过表达增强了CAR-T细胞的体内肿瘤清除能力

图9. GLUT1过表达增加了针对神经母细胞瘤的GPC2-CAR T细胞的效能

图10. GLUT1过表达增强了CAR-T细胞在体内的肿瘤清除能力

 

 

结论与讨论

本研究显示，通过在CAR-T细胞中过表达GLUT1，可以显著提升这些细胞的代谢活性，包括增加糖酵解和氧化磷酸化，减少T细胞耗竭，并促进Th17细胞分化。这些代谢改变与增强的抗肿瘤活性相关，GLUT1过表达的CAR-T细胞在体外和体内模型中都显示出更高的肿瘤清除能力，为CAR-T细胞治疗提供了新的策略。

未来研究需要进一步探索GLUT1过表达对CAR-T细胞长期功能和安全性的影响，以及这些细胞在不同类型肿瘤中的有效性。此外，研究者也提出了对GLUT1过表达CAR-T细胞在临床应用中可能面临的挑战进行深入研究的必要性，包括最佳剂量、给药途径和长期监测其对患者的影响。

 

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