利用免疫學治療手段來攻克腫瘤,一直是免疫學在轉化醫學方面應用的重要方向。隨著各種組學(基因組學,蛋白組學等)的發展,腫瘤細胞由於突變產生的免疫原性得到了廣泛的認可,這為腫瘤免疫治療奠定了理論的基礎。
同時,隨著腫瘤免疫學研究自身的積累,腫瘤免疫治療近期取得了巨大的進步,一系列新的免疫治療手段逐步進入臨床,其中以嵌合抗原受體T細胞(CAR-T細胞)治療為代表的腫瘤細胞免疫療法在白細胞等血液系統惡性腫瘤的治療中,取得了很大的進步。然而,CAR-T細胞究竟是何方神聖?CAR本身又有何含義呢?
CAR-T細胞起源於過繼細胞轉移,實現於轉基因技術
嵌合抗原受體——CAR是一種基因工程技術製造的人工受體分子,它可以賦予免疫效應細胞(如T淋巴細胞)針對某個靶點抗原表位的特異性,從而增強T淋巴細胞識別抗原信號與活化的功能[1]。CAR-T細胞療法本質上是一種過繼細胞轉移(ACT),ACT是最早被提出是在器官移植過程中,供體的淋巴細胞被輸入受體體內的過程,該過程抗原介導移植器官排斥反應的發生,後逐漸發展為治療惡性腫瘤的療法[2]。
1989年,著名科學家Gross G 、Waks T和Eshhar Z在一項研究中,將表達特定抗體的基因序列賦予細胞毒性T細胞(CTL),該抗體賦予T細胞識別半抗原——2,4,6-三硝基苯基(TNP)的能力,這使得T細胞實現了抗原特異性的、非MHC限制的活化及其效應的增強。這三位科學家認為:「賦予T細胞一個嵌合的抗原受體,將是未來人類對抗腫瘤的一種重要途徑。」這便是人類歷史上,首次提出CAR這一概念。
20世紀90年代,隨著轉基因技術的出現,使得人們可以自由編碼基因組(如改造TCR或人工合成CAR),並對編碼的基因進行轉染,從而改變T淋巴細胞識別抗原的特異性。由此,過繼細胞療法開啟了新的篇章。
CAR的發展史
2008年,Fred Hutchison腫瘤研究所等機構首次使用CAR-T細胞對B細胞淋巴瘤來進行治療,雖然治療結果不太理想,但這一臨床實驗的關鍵在於證實了以表達CD20的B細胞作為靶點的CAR-T細胞治療是相對安全的。
隨後,在2010年NCI雜誌報導了一例B細胞淋巴瘤治療成功的病例,利用針對CD19的CAR-T,患者的淋巴瘤得到控制,然而,人體內正常B細胞也被清除,血清免疫球蛋白也顯著降低,但值得慶幸的是,人體在一段時間內可耐受B淋巴細胞的耗竭,這一報導也為CAR-T細胞治療B細胞來源的淋巴瘤的有效性提供了理論和實際的支持。
在2011年,美國賓夕法尼亞大學的Carl June教授領導的團隊將特異性識別CD19的CAR-T細胞用於B細胞來源的慢性淋巴細胞白血病的治療,顯示了「治癒」的療效,隨後在復發難治性急性淋巴細胞白血病展開臨床實驗,也取得了良好的療效。由於這一突破性的進展以及其他免疫調控手段的發展,Science雜誌將腫瘤免疫治療評為了2013年科技突破進展的第一名。由此,CAR-T細胞研發的成功在世界各國引起了廣泛的影響,各國開始大量開展基於CAR-T細胞的科學研究和腫瘤治療的臨床試驗。
圖1: CAR的發展簡史
歷代CAR結構進化歷程
經過近三十年的發展,迄今為止,根據CAR的不同, 可以將CAR-T 細胞分為無共刺激信號CAR-T 細胞( 第1 代)、單一共刺激信號CAR-T細胞(第2 代)、雙/多共刺激信號CAR-T 細胞(第3 代)和精準CAR-T 細胞(第4 代)等4 個發展階段。這4 代CAR-T 細胞的胞外識別區都是抗體的V 區或其衍生片段( 如單鏈抗體V 區片段,ScFV等等),跨膜區也並無很大區別,所以一般以CAR的胞內段結構進行它們的階段劃分。
圖2: CAR結構[3]
1、第一代CAR
第一代CAR-T細胞的胞內段結構相對簡單,主要是由CD3分子ζ鏈的ITAM區所組成的[1]。第一代CAR-T細胞胞內段缺乏T細胞活化所必須的第二信號,即共刺激信號,因此第一代CAR-T細胞必須與抗原提呈細胞表面共刺激分子配體相互作用,從而獲得天然的共刺激信號,這使得其被激活效率較低,所以並未在臨床應用中獲得預期的療效。
2、第二代CAR
第二代CAR-T細胞在第一代CAR-T細胞的基礎上,在胞內段添加了一個來自共刺激分子CD28或者CD137(4-1BB)的ITAM區,胞外的抗原識別區與靶抗原結合後,可使T細胞同時獲得抗體刺激信號及共刺激信號[4]。這使得第二代CAR-T細胞的活化能力遠遠強於第一代,同時也在臨床治療中展現了令人驚喜的治療效果。一般認為,CD28所傳遞的活化信號,相較於CD137更強,可使T細胞在較短時間內達到很高的殺傷活性;而CD137所傳遞的活化信號則會維持的更加持久。由於第二代CAR-T細胞使用的轉染病毒載體多為逆轉錄病毒,可容納及攜帶的基因片段有限,難以將CD28和CD137這兩個共刺激信號分子的ITAM區同時轉染入T淋巴細胞內,因此人們不得不在獲得CAR-T細胞更強的激活強度與活化持久度中進行選擇。
3、第三代CAR
第三代CAR-T細胞的主要結構與第二代CAR-T細胞大同小異,但第三代CAR-T細胞使用了慢病毒作為轉染載體,可攜帶更大的基因片段進入T淋巴細胞,因此,它的CAR胞內段常常可以含有2個或者更多的共刺激信號ITAM區[5]。理論上,第三代CAR-T細胞相較於第二代CAR-T細胞應該更具活化及殺傷能力,然而有的研究表明,第三代CAR-T細胞殺傷活性並沒有獲得明顯的提升[6]。因此,簡單的添加共刺激分子ITAM區,並不一定能給CAR-T細胞療法帶來更好的療效,這也許是因為一個共刺激分子的ITAM在T淋巴細胞內產生的活化信號就已經達到T淋巴細胞活化信號的閾值,單純在數量上添加ITAM區不會再進一步提升CAR對T淋巴細胞的活化效果。
4、第四代CAR
第四代CAR-T細胞,也稱為精準CAR-T細胞。這一代CAR-T細胞的設計主要從腫瘤等疾病的精準治療角度考慮。目前,已知CAR-T細胞可在患者體內存活長達10年以上,長期生存有利於CAR-T細胞在體內監視腫瘤細胞,防止腫瘤復發;但另一方面,CAR-T細胞在清除完腫瘤細胞後,也可因識別正常細胞表面的腫瘤相關抗原而攻擊體內正常的細胞。CAR-T細胞所帶來的這種毒性反應,不同於其他的免疫療法,這更傾向於是一種「on-target」(中靶)反應。因此,這種毒性反應是可逆的,在CAR-T細胞被消耗完後,這種不良反應也就隨之消失。所以,有學者在CAR的結構中添加了自殺基因或者可控性自殺基因(例如某些藥物敏感基因),從而實現對CAR-T細胞在體內存活時限的可控[7]。目前CAR-T細胞主要用於治療血液系統腫瘤,在實體瘤的治療中還未見顯著的成效,這主要是因為CAR-T細胞常常無法進入腫瘤內部。因此,有學者在CAR的設計中添加了細胞因子或者趨化因子的受體結構,從而增加T淋巴細胞在腫瘤組織中的浸潤,從而達到增強殺傷實體瘤的效果,這也是第四代CAR-T細胞的常用設計思路之一[8]。
圖3:各代CAR-T發展歷程[9]
CAR-T細胞療法或能終結癌症
目前,CAR-T 細胞已經被廣泛應用於各種腫瘤的細胞免疫治療中。據統計,包括美國FDA在內的多個國家藥監部門已經批准了多達300 個以上的CAR-T 細胞治療臨床實驗的項目,同時,也有部分CAR-T細胞已上市生產。
表1: 市場主要CAR-T細胞產品
來自這些臨床實驗治療項目的統計數據表明,雖然由於使用了不同的CAR和T細胞來源與製備工藝,以及預處理和聯合用藥的差異,導致各個臨床項目的效果存在一定差異, 但總體顯示,CAR-T細胞治療腫瘤是有效的,其有效率為30%~70%,甚至可以高達90%以上。例如,FDA 已經批准上市的諾華CTL019 治療非何杰金淋巴瘤的完全緩解率竟然達到了令人驚訝的93%。也許,CAR-T 細胞治療將徹底終結人類因腫瘤喪生的宿命。
參考文獻:
1. Sadelain, M., R. Brentjens, and I. Riviere, The promise and potential pitfalls of chimeric antigen receptors. Curr Opin Immunol, 2009. 21(2): p. 215-23.
2. Mitchison, N.A., Studies on the immunological response to foreign tumor transplants in the mouse. I. The role of lymph node cells in conferring immunity by adoptive transfer. The Journal of experimental medicine, 1955. 102(2): p. 157-177.
3. Gill, S., M.V. Maus, and D.L. Porter, Chimeric antigen receptor T cell therapy: 25years in the making. Blood Reviews, 2016. 30(3): p. 157-167.
4. Maher, J., et al., Human T-lymphocyte cytotoxicity and proliferation directed by a single chimeric TCRζ/CD28 receptor. Nature Biotechnology, 2002. 20(1): p. 70-75.
5. Morgan, R.A., et al., Case report of a serious adverse event following the administration of t cells transduced with a chimeric antigen receptor recognizing ERBB2. Molecular Therapy, 2010. 18(4): p. 843-851.
6. Ramello, M.C., et al., An immunoproteomic approach to characterize the CAR interactome and signalosome. Sci Signal, 2019. 12(568).
7. Chmielewski, M. and H. Abken, TRUCKs: the fourth generation of CARs. Expert Opin Biol Ther, 2015. 15(8): p. 1145-54.
8. Kagoya, Y., et al., A novel chimeric antigen receptor containing a JAK-STAT signaling domain mediates superior antitumor effects. Nat Med, 2018. 24(3): p. 352-359.
9. Abreu, T.R., et al., Current challenges and emerging opportunities of CAR-T cell therapies. Journal of Controlled Release, 2020. 319: p. 246-261.