多发性骨髓瘤来源的二氧化硫通过诱导线粒体功能障碍驱动CAR-T细胞耗竭

《Redox Biology》：Multiple Myeloma Derived Sulfur Dioxide Drives CAR-T Cell Exhaustion By Inducing Mitochondrial Dysfunction

本研究揭示了多发性骨髓瘤（MM）微环境中积累的二氧化硫（SO2）通过诱导线粒体功能障碍导致CAR-T细胞耗竭的新机制。研究人员发现SO2通过促进动力相关蛋白1（DRP1）第607位半胱氨酸发生亚磺化修饰，增强DRP1-GTPase活性和线粒体分裂，最终损害CAR-T细胞的抗肿瘤功能。该研究为克服CAR-T细胞治疗中的代谢耗竭提供了新的靶点策略。

　　

在血液系统恶性肿瘤治疗领域，多发性骨髓瘤（Multiple Myeloma, MM）作为第二常见的恶性血液肿瘤，其治疗一直是临床面临的重大挑战。尽管包括蛋白酶体抑制剂、免疫调节剂和单克隆抗体在内的新型治疗策略取得了显著进展，但复发难治性多发性骨髓瘤患者的预后仍然不容乐观。嵌合抗原受体T细胞（Chimeric Antigen Receptor T-cell, CAR-T）疗法作为近年来涌现的突破性治疗手段，在复发难治性多发性骨髓瘤治疗中展现出巨大潜力，特别是靶向B细胞成熟抗原（B-cell maturation antigen, BCMA）的CAR-T细胞疗法，总体缓解率可达73%至100%。

然而，CAR-T细胞疗法在临床应用中长期面临着细胞耗竭（exhaustion）的瓶颈问题。大量患者在CAR-T细胞治疗后会出现复发，这严重限制了该疗法的长期有效性。CAR-T细胞耗竭表现为细胞持久性降低、效应功能受损、抑制性受体表达升高以及代谢特征改变，这些变化主要由持续性抗原刺激和慢性激活信号驱动。在导致CAR-T细胞耗竭的多种因素中，线粒体功能障碍日益被认为是关键因素之一，因为线粒体在调节细胞凋亡、生物能量学和免疫细胞代谢中发挥着核心作用。

近年来，含硫气体分子作为内源性信号分子的研究逐渐受到关注。二氧化硫（SO₂）作为继一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H₂S）之后的第四种气体信号分子，在心血管、神经、代谢和神经内分泌功能调节中发挥着重要作用。然而，SO₂在调节T细胞功能，特别是在CAR-T细胞耗竭中的作用机制尚不明确。四川大学华西医院血液科的研究团队在《Redox Biology》上发表了他们的最新研究成果，揭示了多发性骨髓瘤微环境中SO₂积累通过诱导线粒体功能障碍导致CAR-T细胞耗竭的新机制。

为开展此项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。研究纳定了来自患者和健康对照的骨髓样本，通过高效液相色谱-荧光检测法（HPLC-FD）测定SO₂水平。利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析了骨髓微环境中免疫细胞的转录组特征。通过生物素转换法检测蛋白质亚磺化修饰，采用透射电子显微镜观察线粒体形态，并使用GTPase活性测定和ATP定量分析评估线粒体功能。研究还构建了人源化小鼠模型，通过流式细胞术分析CAR-T细胞的表型和功能。

研究结果部分，首先发现多发性骨髓瘤细胞来源的SO₂与肿瘤免疫微环境相关。研究人员发现，与健康供者相比，多发性骨髓瘤患者骨髓微环境中SO₂水平显著升高，且在复发难治性患者中达到最高。SO₂生物合成关键酶GOT1和GOT2在多发性骨髓瘤细胞系中显著上调，其中GOT1为主要表达形式。临床数据分析显示，GOT1和GOT2高表达与患者不良预后相关。在动物模型中，复发小鼠骨髓中GOT1表达上调，SO₂水平升高，且CD8⁺T细胞比例降低，表明肿瘤来源的SO₂可能参与治疗抵抗。

进一步研究发现，SO₂降低CD8⁺T细胞比例并促进T细胞耗竭。体外实验显示，SO₂处理显著降低了CD8⁺T细胞和CAR-T细胞对肿瘤细胞的杀伤能力。敲低肿瘤细胞中GOT1表达可恢复CD8⁺T细胞的细胞毒性。流式细胞术分析表明，SO₂处理增加了耗竭标志物PD-1、LAG-3和TIM-3的表达。在体内实验中，SO₂处理组小鼠CD8⁺T细胞浸润减少，耗竭标志物表达增加，而SO₂/GOT1通路抑制剂HDX处理可逆转这一现象。

研究人员还证实SO₂促进CAR-T细胞耗竭并损害抗肿瘤免疫。SO₂处理显著减弱了CAR-T细胞对靶细胞的杀伤作用，而上调耗竭相关表面标志物。在人源化小鼠模型中，SO₂处理组的CAR-T细胞肿瘤清除能力受损，小鼠生存期缩短，肿瘤浸润CAR-T细胞比例降低，耗竭标志物表达升高。

机制研究表明，SO₂损害CD8⁺T细胞和CAR-T细胞的线粒体功能。转录组分析显示，SO₂处理引起线粒体功能障碍和代谢应激相关通路的显著富集。透射电镜观察发现SO₂处理导致CD8⁺T细胞和CAR-T细胞线粒体碎片化，ATP生成减少。

深入研究揭示，SO₂通过DRP1第607位半胱氨酸的亚磺化修饰损害CAR-T细胞线粒体动力学。研究人员发现，SO₂处理增加了DRP1的亚磺化修饰，但不影响总DRP1蛋白水平。免疫共沉淀实验显示SO₂增强了DRP1与线粒体外膜蛋白VDAC1的相互作用。通过点突变实验证实，DRP1第607位半胱氨酸是SO₂诱导亚磺化修饰的关键位点。该位点位于DRP1的GTPase效应结构域，对调节GTPase活性和线粒体分裂至关重要。SO₂处理增加了DRP1的GTPase活性，破坏了线粒体膜电位，而C607S突变可逆转这些效应。

最后，研究证实DRP1第607位半胱氨酸的亚磺化修饰损害CAR-T细胞功能和抗肿瘤免疫。与表达野生型DRP1的CAR-T细胞相比，表达DRP1-C607S突变体的CAR-T细胞在SO₂存在下仍保持较强的肿瘤细胞杀伤能力，耗竭标志物表达较低，细胞因子分泌能力较强。在动物实验中，DRP1-C607S CAR-T细胞即使在高SO₂环境下也能维持抗肿瘤活性，延长小鼠生存期。

研究结论部分强调，该研究首次揭示了多发性骨髓瘤微环境中积累的SO₂通过诱导线粒体功能障碍导致CAR-T细胞耗竭的新机制。SO₂通过促进DRP1第607位半胱氨酸发生亚磺化修饰，增强DRP1-GTPase活性和线粒体分裂，最终损害CAR-T细胞的抗肿瘤功能。与传统的免疫抑制代谢物不同，SO₂通过氧化还原修饰关键细胞内代谢调节因子来损害T细胞功能，这为理解T细胞耗竭的分子机制提供了新视角。

该研究的重要意义在于，不仅揭示了SO₂-DRP1轴在CAR-T细胞耗竭中的关键作用，还为改善CAR-T细胞治疗耐久性提供了新的策略。通过基因工程技术构建DRP1-C607S突变型CAR-T细胞，可能使CAR-T细胞在肿瘤微环境中抵抗SO₂的抑制作用，从而增强其持久性和功能。这一发现对于提高CAR-T细胞在多发性骨髓瘤及其他恶性肿瘤治疗中的疗效具有重要的临床意义。