CAR-T毒性的病理生理学及临床管理

前言

过继性免疫治疗是血液学的一种变革性治疗方法，它通过基因工程在T细胞表达合成嵌合抗原受体（CAR）。针对 B 细胞白血病和淋巴瘤中的 CD19 抗原的 CAR-T 细胞已得到临床认可，目前成为全球范围癌症中心实施的“常规” 治疗手段。

然而，CAR-T在许多病人身上观察到的临床益处可能是有代价的。在高达三分之一的患者中，会出现与诱导强大的免疫效应反应直接相关的显著毒性，最常见的免疫介导毒性是细胞因子释放综合征（CRS）和免疫效应细胞相关神经毒性综合征（ICANS）。CRS通常以发烧和体质症状开始，如僵硬、不适和厌食，在严重病例中，CRS表现为全身炎症反应的其他特征，包括低血压、缺氧和/或器官功能障碍。然而，如果CRS的症状和体征得到及时识别和处理，那么大多数患者的器官功能障碍是可以预防或可逆的。

ICAN通常表现为中毒性脑病，首先是发现单词困难、困惑、发育不良、失语症、精细运动技能受损和嗜睡。在更严重的病例中，癫痫、运动无力、脑水肿和昏迷已被发现。大多数ICAN临床特征的患者都会有CRS之前的症状。因此，CRS可被视为ICAN的“发起事件”或辅助因子，ICAN通常发生在CRS症状消退后，与CRS类似，ICAN在大多数无永久性神经功能障碍的患者中是可逆的。

CRS的病理生理学

CRS的病理生理可分为五个主要阶段：第1阶段，CAR-T细胞输注到患者体内后向肿瘤部位的转运以及CAR介导的抗原表达靶细胞的识别；在第2阶段，肿瘤部位的CAR-T细胞增殖，激活的CAR-T细胞和肿瘤微环境的细胞成分原位产生细胞因子，激活“旁观者”内源性免疫细胞，直接和间接杀死肿瘤细胞，以及发生CRS；在第3阶段，细胞因子水平增加，外周血中CAR-T细胞群增多，这与全身炎症反应有关。这导致多个组织和器官的内皮损伤和血管渗漏，以及它们的相关影响，包括缺氧、低血压和/或器官损伤。在第4阶段，细胞因子扩散，CAR-T细胞、内源性T细胞和外周激活的单核细胞进入脑脊液（CSF）和中枢神经系统（CNS），包括血脑屏障（BBB）的破坏，与ICANS的发病相一致。在第5阶段，肿瘤清除后活化诱导的T细胞死亡导致血清细胞因子水平降低和全身炎症反应减少，CRS和/或ICANS症状结束，并可能导致长期记忆性T细胞的持续存在。  

细胞相互作用

动物模型显示CRS是由一个多细胞网络引起的，该网络包括CAR-T细胞和宿主细胞，巨噬细胞和单核细胞系细胞参与其中。目前尚不确定CAR-T细胞与宿主髓系细胞之间是否需要接触依赖性相互作用。CD40–CD40L相互作用虽然不是诱导CRS所必需的，但可以加剧巨噬细胞的活化，从而增加IL-6的产生并加剧CRS。此外，鉴于CD28–CD80/CD86轴在诱导髓细胞产生IL-6方面的双向信号和潜在作用，CD28–CD80/CD86轴在CRS中可能特别重要。阻断这些相互作用可能降低CRS的严重程度。

IL-6和IL-1

细胞因子IL-6和IL-1在CRS的病理生理学中具有重要作用。IL-6是一种多效性细胞因子，具有促炎和抗炎作用。IL-6主要由巨噬细胞和其他髓系细胞产生，并能以自分泌方式发挥作用，与其他炎症信号一起促进巨噬细胞成熟和活化。在许多患者中，IL-6阻断可导致大多数症状的逆转和细胞因子的全面下调。

IL-1也是一种具有多种功能的多效性细胞因子。主要由单核细胞和巨噬细胞产生。IL-1可诱导组织产生下游促炎细胞因子，如IL-6，以及一系列组织免疫细胞成熟和募集的趋化因子。此外，IL-1可激活促炎性脂质介质（如前列腺素E2，可促进水肿）的产生，诱导急性期蛋白并向下丘脑以及垂体和肾上腺发出信号，对循环系统产生直接和间接影响。

损伤相关的分子和其他可溶性介质

肿瘤细胞损伤相关分子的释放可导致巨噬细胞在体外活化产生IL-6和IL-1。

粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）由多种细胞类型产生，包括活化的CAR-T细胞，将其阻断可消除体外单核细胞产生IL-6和其他细胞因子。然而，GM-CSF可能仍然是CRS的一个促发因素，而不是CRS的必要条件。

肿瘤坏死因子(ΤΝF）是另一种通过激活T细胞、巨噬细胞、单核细胞和免疫系统其他细胞来介导炎症的多效性细胞因子。与IL-1和IL-6相比，TNF还具有直接的抑瘤活性。近年来，TNF被认为是由HER2人源化小鼠乳腺癌病毒（MMTV）模型中CD3和HER2双特异性抗体诱导CRS的潜在因子。

干扰素-γ (IFN-γ) 由活化的T细胞能大量产生，通过iNOS诱导，促进巨噬细胞成熟，促进NO的产生。此外，IFNγ 通过松动紧密连接，可促进其他组织（包括BBB）的渗透性增加。

肾上腺系统也参与CRS的发展和维持，因为儿茶酚胺肾上腺素和去甲肾上腺素直接影响CAR-T细胞的激活和随后的细胞因子释放。

ICANS的病理生理学

尽管ICANS的临床特征很容易识别，但其病理生理学仍知之甚少。最近的动物模型表明内皮细胞的活化和血脑屏障的破坏导致直接的神经细胞损伤，以及各种促炎细胞因子的作用。 血管通透性、内皮细胞破坏与胶质细胞损伤

ICANS患者脑脊液中蛋白、CD4+T细胞、CD8+T细胞和CAR-T细胞水平升高，提示BBB的完整性丧失。临床研究表明，脑脊液中CAR-T细胞数量与细胞因子水平与ICANS的严重程度之间存在相关性。

除了BBB的破坏和血管通透性的增加外，儿童和年轻成人患者在CD19 CAR-T细胞治疗后出现ICANS的患者中还报告有胶质细胞损伤。急性神经毒性患者脑脊液中GFAP和S100b水平显著升高。GFAP是一个很好的星形胶质细胞损伤的标志物，而CSF中S100b是星形胶质细胞激活的标志。

细胞因子

许多临床试验表明，血清中各种细胞因子水平的升高与ICANS的风险之间存在关联。在多个研究中（使用各种CAR结构和不同靶向恶性肿瘤）中持续增加的细胞因子包括IL-2、IL-6、IL-10和IL-15。然而，虽然小鼠模型提示单核细胞来源的免疫细胞在细胞因子分泌和CRS和ICANS发病机制中起着明显作用，但在临床试验中，尚不可能确定ICAN患者细胞因子的特异性来源。此外，在发生严重ICANS的患者的脑脊液中，髓细胞数量明显增加。

靶抗原在中枢神经系统中的表达

来自临床试验的数据表明，抗原阳性肿瘤细胞在中枢神经系统中的存在不是ICANS发生所必需的。然而，在最近的一项研究中，单细胞RNA测序分析显示CD19在人脑壁细胞中表达，包括周细胞和血管平滑肌细胞，这增加了靶向非肿瘤效应可能导致与CD19 CAR-T细胞相关的神经毒性的可能性。这一观察结果可以解释CD19定向治疗与靶向CD20、CD22和BCMA治疗相比观察到的ICANS发生率更高的原因。

脑水肿

脑水肿是一种罕见并可能致命的神经系统并发症，在CAR-T细胞治疗后有观察到。现有证据表明，脑水肿的病理生理学可能不同于ICANS常见的脑病表现。对CAR-T治疗后出现致命性脑水肿患者的尸检显示血脑屏障完全破坏，但中枢神经系统中缺乏活化的T细胞。这提示血脑屏障的破坏和随后的脑水肿可能是由于炎性细胞因子激增，而不是由于CAR-T细胞浸润到中枢神经系统。

CRS和ICANS的临床管理

低度CRS使用退烧药的支持性治疗来管理，同时确保没有并发的发热原因，如感染。中度至重度CRS使用IL-6R阻断抗体tocilizumab治疗，同时使用或不使用糖皮质激素进行免疫抑制，以及进行强化支持治疗。

尽管tocilizumab对CRS的治疗非常有效，但它在大多数ICANS病例中没有效果。这可能是因为CRS和ICANS之间的病理生理学差异和/或tocilizumab对BBB的渗透性差。事实上，预防性使用tocilizumab降低了严重CRS的发生率，但增加了严重ICANS的发生率，这可能是由于tocilizumab给药后观察到的血清IL-6水平升高。此外，大多数研究表明，使用tocilizumab似乎不会影响CAR-T细胞的疗效。           

非特异性免疫抑制剂，如皮质类固醇，可缓解许多患者的症状。此外，其他广谱细胞因子抑制剂，如Ruxotitinib，它阻断JAK1和JAK2或Itatinib，阻断JAK1的可能会减弱促炎性细胞因子如IFN-γ和IL-6的影响。同样，ibrutinib，一种布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）抑制剂，也抑制IL-2酪氨酸激酶（ITK），导致小鼠模型体内细胞因子分泌减少，包括IL-6的分泌。但非特异性的免疫抑制剂也可能会直接影响CAR-T细胞的活化水平，从而影响临床疗效。

Dasatinib是一种BCR ABL靶向激酶抑制剂，被批准用于治疗各种血液恶性肿瘤，它以快速可逆的方式有效地抑制了CAR-T细胞介导的细胞毒性和细胞因子的产生。此外，短期给药Dasatinib可降低CRS相关死亡率，但不影响体内抗肿瘤作用，停药后可恢复CAR T细胞活性。

此外，IL-1R抑制剂anakinra对在CAR-T治疗后出现严重ICANS的患者近半数有益。

其他临床因素的影响

CAR-T细胞治疗后CRS和ICANS的发生、严重程度和持续时间可能受到宿主、肿瘤和/或治疗相关因素的影响。基线炎症状态较高的患者（如C-反应蛋白、铁蛋白、D-二聚体和促炎细胞因子水平）发生CRS和ICANS的风险增加。更严重的CRS和/或ICANS病例也与多发性恶性肿瘤中更高的肿瘤负担有关，这可能与CAR-T细胞群的扩大和同步激活有关。此外，年龄越大，严重CRS或ICANS的风险越高。

CAR设计的影响

最近的研究表明，CAR分子本身的设计可以显著影响CAR-T细胞的增殖和细胞因子的分布，从而影响CRS和/或ICANS的发生率和严重程度。具有CD28共刺激信号结构域的CAR-T细胞产物在输注后似乎增殖更快，并且其数量似乎比具有4-1BB共刺激信号结构域的产物更早达到峰值。在临床研究中，这与更严重的CRS和ICANS的发病更早和发病率更高有关。然而，到目前为止，还没有对具有CD28和4-1BB共刺激域的CAR-T细胞产物进行直接比较。

此外，文献中的证据也表明，改变CAR分子的非信号域，包括铰链和跨膜区或抗原结合域（scFv），也可能影响与CAR-T细胞治疗相关的毒性。

展望

目前，CAR-T细胞疗法的广泛应用在一定程度上受到限制，这是由于在治疗中CRS和ICANS的发生以及由此产生的负担。对CRS和ICANS的分子和细胞病理生理学的深入了解将有助于开发有效的靶向治疗，降低毒性，同时又不影响抗肿瘤活性。目前，新的CAR结构已经被设计用于最小化诱导CRS和ICANS的风险，同时优化肿瘤抗原的识别和有效的T细胞信号。未来如何有效和可靠地预防这些并发症将是CAR-T细胞治疗成功的关键因素之一。