寫在前面
對於體細胞治療而言，免疫細胞的基因工程改造是達到療效和實現安全性的關鍵。近年來，隨著自體細胞療法在商業化進程中取得了前所未有的突破，以及前沿科學的迅速進展，各種全新的免疫細胞構建也在不斷湧現，並在不斷推動中進入臨床研究，讓人們看到了巨大的潛力和廣闊的前景。
然而，目前似乎仍然很難判定，細胞治療已經逐步邁向成熟的產業化進程，其最主要的原因就在於對於這類異質性程度較高的細胞製品，很難找到一個通用的標準去衡量一個工藝的有效性。
筆者認為，所謂異質性有多種角度去理解，其一是病人自身的異質性，其二是免疫細胞本身的異質性（如處於不同的分化狀態），其三是基因改造的異質化（如基因編輯本身的隨機性）。無論是自體療法或是異體療法工藝，在宏觀到微觀的層面，都不可避免存在著不同程度的異質性，而近年來已經有很多研究已經發現，相比較其他生物製品，在細胞本身作為一種藥品的前提下，這些不同層級的異質性均有一定的療效相關性。更為重要的是異質性會讓工藝本身的目標和範圍顯得模糊，進而影響工藝過程控制的不確定性。
本文關注免疫細胞本身的異質性，主要探討免疫細胞激活，分化與代謝表現之間的關係，並期望從這一角度，能進而引起更多關於如何從過程代謝表現來預測細胞異質性的思考。
糖代謝切換與免疫細胞激活
糖代謝切換在很多細胞培養過程中都可以觀察到，最為典型的如，葡萄糖消耗速率的突然下降，乳酸從生成轉為消耗等。在一些工藝過程中，這些代謝切換往往與過程有效性有密切關聯。同樣，免疫細胞的代謝特點在很多疾病（如癌症）研究中已經被廣泛探討，並形成了很多規律性的認識。我們很難說，免疫細胞（有時往往在腫瘤環境中）在體內的代謝切換，是一種instructive（指導性），還是一種responsive（響應性），但這些聯繫的存在，對於體外培養免疫細胞而言，可能是非常有意義的信息。
圖一.The Metabolic Phenotype of Quiescent and Activated T Cells
一些研究發現，由CD28/CD3通路介導的T細胞激活信號，會引起糖酵解速率的迅速提高，具體表現為顯著的葡萄糖消耗和乳酸生成，偏向於有氧糖酵解的表現（Aerobic glycolysis）。而要實現這種顯著提高的糖酵解水平，T細胞會迅速表達與葡萄糖親和力最強的GLUT1轉運蛋白。在一些研究中也發現，僅僅通過TCR/CD3或CD28通路激活並不能引起顯著的GLUT1過表達，只有在共刺激條件下，才能顯著地觀察到GLUT1的高表達。高表達的GLUT1直接關聯高葡萄糖消耗速率，同時也觀察到顯著的乳酸生成，表現為典型的有氧糖酵解（Aerobic glycolysis）。
T細胞激活後的快速擴增以大量的能量需求為前提，在限制性葡萄糖濃度條件下，有氧糖酵解轉變為完全氧化磷酸化（OXPHOS）以產生“足量”ATP，且依然維持較高的糖酵解速率，並支持細胞快速分裂，說明T細胞在一定的激活信號下，確實有著某種自調節（homeostatic ability）的特質。從這點上來看，免疫細胞（如T細胞）代謝切換似乎更像是一種對外在條件變化的響應（response），同時也是對細胞生長的一種指示（instruction）。
另外需要指出的是，免疫細胞的代謝表現，有時候會是一種更上游的信號，並非僅僅影響細胞擴增。在一種線粒體電子鏈傳遞複合物缺失的小鼠T細胞中，就無法實現抗原特異性激活，而只能通過活化T細胞核因子（NFAT）來實現激活擴增。由此來看，很難說糖代謝切換（從有氧糖酵解到完全氧化磷酸化）與T細胞的激活，一定是某種因果關係或是相關關係，但越來越多的研究已經證實，通過調節代謝的轉換，可以影響或控制免疫細胞的一些行為，例如激活或分化，而這些研究也為過程控制的有效實施提供了有價值的理論基礎。
糖代謝切換與免疫細胞分化
免疫細胞如T細胞在激活後的分化導致了其在細胞層面的異質性。對如CAR-T細胞治療而言，目前尚無定論，究竟何種分化程度的T細胞能引起持續的療效，但學界似乎更樂於接受一個較少分化程度的記憶亞群。
圖二.Cell Fate and Function in the Immune System Is Supported by the Engagement of Metabolic Pathways
不同分化程度的T細胞亞群，從轉錄水平，到蛋白水平，再到細胞功能上都有著截然不同的表現。同時，它們的代謝水平也與以上有著密切關聯。眾多研究揭示了記憶性T細胞和效應性T細胞的在代謝水平上的差異。相較於效應性T細胞，記憶性T細胞在激活擴增後，完全氧化磷酸化水平顯著提高，具體體現在更高的氧氣消耗，更多的線粒體生成和維持。與效應性T細胞的擴增更多依賴於糖酵解，或大量消耗葡萄糖不同，記憶性T細胞似乎更多依賴於脂肪酸的氧化，但同樣能保持不低的糖酵解速率，因此即使在與腫瘤共存的營養物限制環境中，依然能高效合成ATP和進行物質代謝，以維持快速的細胞生長。
近年來許多研究指出，記憶性T細胞的這種代謝特點，並非完全是對外在環境變化的一種響應。一些轉錄水平的分析都發現了代謝表現在基因層面上的痕跡，其更可能是這一類細胞亞群的“天然”屬性。
圖三.Model Relating Metabolic State of Different T Cell Subsets to Cell Function
對於不斷分化中的T細胞動態進程，代謝調控似乎也能起到了一定調控其亞群分佈的作用。在體內免疫應答中觀察到的記憶性T細胞，在受到強制性有氧糖酵解條件維持下，其並沒有被清除，而是轉而形成更多的效應性亞群。在體外培養的情況亦是如此，當使用葡萄糖結構類似物阻斷實際的糖酵解時，分化成效應性亞群的能力被顯著地抑制，從而觀察到低分化程度亞群比例的提高。
越來越多的研究認為，免疫細胞例如記憶性T細胞在分化進程中存在著可調控的窗口，其理論基礎來源於這類細胞在轉錄水平上同時表達了記憶性和效應性的雙重特徵。無論是在體內免疫環境的作用下，還是在體外短暫的“控制”環境下，都存在改變其最終分化命運的途徑。換而言之，過程控制可以是積極有效的，而非被動的，只是目前還並不清楚控制能及的程度，以及這些調控如何影響細胞最終發揮殺傷功能和長期續存的能力。
正如本文最初提及的，免疫細胞的高異質性使工藝開發遭遇了前所未有的挑戰，但從另一方面而言，這種“混合”狀態有可能也使其應用於免疫治療的多樣性成為可能。從工藝開發角度，界定範圍是一切控制策略的起點和關鍵，否則就無法衡量過程的穩健性。當然，對於細胞治療的工藝過程而言，也許需要去關注過程表現更上游的指標，代謝水平是否可以作為一種新的indicator，還需要更多時間和努力去驗證。
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