Nat. Biomed. Eng. | 可编程信号调控的合成受体计算设计：提升癌症T细胞疗法的新策略

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肿瘤微环境（TME）中丰富的可溶性因子与免疫抑制信号显著限制了嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）的疗效。如何使T细胞在抑制性环境中动态调控信号并维持功能，是实现实体瘤免疫治疗突破的关键。研究人员开发了一种基于计算设计的合成受体平台，能够编程化调控信号强度与方向性。这一平台支持构建可响应TME可溶性因子的受体，并将外部信号转化为协同刺激与细胞因子信号，从而增强T细胞效应。研究人员将这一新型受体命名为 T-SenSER。他们设计并验证了针对 VEGFA 与 CSF1 的两类 T-SenSER，这两种因子在多种肿瘤组织中高丰度存在。通过计算建模与实验验证，研究人员证明这些受体能在生理浓度下被激活，并显著增强T细胞在肺癌与骨髓瘤模型中的抗肿瘤效能。该研究展示了合成免疫受体设计的计算化、可编程化方向，为下一代个性化T细胞疗法提供了新框架。

过继性T细胞疗法（如CAR-T）在血液肿瘤治疗中取得突破性进展，但在实体瘤中疗效受限。主要挑战包括：

• 抑制性肿瘤微环境（TME）：存在大量免疫抑制细胞因子、代谢抑制物和低营养状态；
• 信号失衡：T细胞长期暴露于抑制性环境，协同刺激信号缺乏；
• 结构局限：传统CAR受体设计无法实现环境感知或自调节信号。

研究人员设想通过构建人工受体，使T细胞能识别TME信号并将其转化为增强性信号，从而恢复活性。然而，合成受体的信号强度、配体依赖性和耦合效率难以预测。

因此，本研究提出一个基于蛋白计算设计的受体构建系统，旨在精准定义受体几何结构与信号传导模式，实现“输入—输出”可控的免疫调节。

图1. 研究概念与T-SenSER总体框架

方法

设计理念与计算流程

T-SenSER由三大模块组成：

• 传感模块（sensor）：识别TME信号因子（如VEGFA、CSF1）；
• 跨膜模块（transmembrane）：传导构象变化；
• 响应模块（responder）：激活下游信号（如JAK/STAT）。

研究人员利用 Rosetta、AlphaFold2、EFDOCK-TM、RoseTTAFold 等工具构建了多层计算筛选体系：

• 预测跨膜二聚体构象稳定性；
• 优化连接肽序列（linker）以调控活化态构象；
• 计算信号传播路径与能量耦合程度；
• 选择具有期望基础活性与激活差值的候选结构。

受体构建与实验验证

研究人员构建了两类T-SenSER：

• VEGF感应型（VMR）：以VEGFR2为传感模块，c-MPL为响应模块；
• CSF1感应型（CMR）：以CSF1R为传感模块，c-MPL为响应模块。

每类受体设计了三种跨膜长度与linker构型（FL、INT、SHORT），用于比较构象变化与信号强度的影响。

在人T细胞中表达这些受体后，研究人员通过磷酸化STAT5信号检测受体活化，并与计算预测得分进行相关分析。

结果

分子模拟揭示受体构象变化与信号传导机制

分子动力学模拟表明，VEGF结合后T-SenSER的跨膜结构域发生几何旋转，使胞内c-MPL区域形成稳定的二聚体构象，促进信号传导。

关键残基（如R514、W515）在配体结合后形成稳定的π-阳离子相互作用，增强跨膜通信。这些结果证实了计算预测的活化构象与实验信号一致。

图2. 分子动力学模拟揭示T-SenSER的激活机制

T-SenSER信号强度与构象设计的定量关系

在人T细胞实验中：

• VMR系列受体均为完全配体依赖型，其中 VMRFL 激活最强；
• CMR系列具有低水平基础活性，CSF1刺激可显著增强信号；
• 信号强度与计算预测的通信耦合度呈显著正相关（r > 0.8）。

这说明计算模型能有效预测受体活性，并支持通过结构优化实现信号定量调控。

图3. 不同构型T-SenSER在人源T细胞中的信号响应分析

T-SenSER激活下游JAK/STAT与PI3K信号通路

研究人员通过磷酸化蛋白组分析发现，T-SenSER激活后可显著增强STAT5、STAT3、S6与ERK磷酸化。

剂量依赖性实验显示：

• VEGFA-VMRFL 的半最大有效浓度（EC₅₀）为 144 pg/mL；
• CSF1-CMRFL 的 EC₅₀ 为 316 pg/mL；

均位于TME的生理浓度范围内。

图4. T-SenSER激活的下游信号网络与剂量响应曲线

T-SenSER增强CAR-T细胞的抗肿瘤效应

将T-SenSER与EphA2-CAR共表达于T细胞中后，在肺癌异种移植模型中：

• VEGFA诱导型受体显著增强T细胞扩增与肿瘤清除；
• 与CAR单独组相比，T-SenSER-CAR组的肿瘤体积减少约60%，T细胞浸润密度提升2倍。

图5. VEGFA-T-SenSER增强EphA2-CAR-T细胞在肺癌模型中的抗肿瘤效应

CSF1感应型T-SenSER增强骨髓瘤CAR-T功能

在BCMA-CAR骨髓瘤模型中：

• CSF1依赖型T-SenSER（CMRFL）增强T细胞存活、细胞因子分泌（IL-2、IFNγ）与杀伤效率；
• 在长期共培养实验中，CMRFL组的存活细胞比例高出CAR单独组约1.8倍。

图6. CSF1-T-SenSER增强BCMA-CAR-T细胞的持久性与细胞因子反应

转录组揭示T-SenSER驱动的免疫激活特征

RNA测序分析表明，T-SenSER激活的T细胞中：

• 上调 IL2、CCL3、STAT4、BATF3 等效应基因；
• 下调疲劳相关基因 LAG3、PDCD1、TOX；
• 富集于“细胞增殖”“细胞因子产生”“抗凋亡”通路。

这表明T-SenSER通过重塑信号平衡，促进T细胞从耗竭状态恢复到活化表型。

图7. 转录组分析揭示T-SenSER激活的免疫增强信号模式

讨论

T-SenSER代表了一种将计算蛋白设计与免疫工程相结合的可编程信号系统。研究人员通过精确控制受体构象与信号耦合，实现了对T细胞功能的空间与环境特异性调节。

主要创新点包括：

• 通用受体设计框架 —— 通过计算优化连接域与跨膜构象，实现信号可预测；
• 配体可控的信号放大机制 —— 使T细胞能响应TME中的免疫抑制性因子并转化为激活信号；
• 协同增强抗肿瘤效应 —— 与CAR联用显著提升抗肿瘤能力与持久性；
• 机制可解释性强 —— 模拟与实验验证一致，揭示信号跨膜耦合机制。

研究人员指出，未来可进一步扩展该框架以实现多输入信号整合（如pH、代谢因子、细胞因子）与自适应反馈控制，从而推动智能化T细胞疗法的开发。T-SenSER为精准免疫治疗提供了新思路，也为计算机辅助免疫受体设计奠定了重要基础。

整理 | DrugOne团队

参考资料

Rath, J.A., Rudden, L.S.P., Nouraee, N. et al. Computational design of synthetic receptors with programmable signalling activity for enhanced cancer T cell therapy. Nat. Biomed. Eng (2025).

https://doi.org/10.1038/s41551-025-01532-3

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