2022-02-08 07:30
下一代CAR-T疗法的三个关键词
▎药明康德内容团队编辑 CAR-T疗法的诞生可谓是血液癌症治疗的一大变革。自进入临床以来，这种创新疗法已给许多患者带来了病情的控制和寿命的延长。而在接受CAR-T疗法治疗前，他们往往已用尽了其它可用的方案，预期寿命只有几周。去年，随着 复星凯特 和 药明巨诺 的两款CAR-T疗法先后获批，中国也正式迈入CAR-T疗法的新时代。
作为一种诞生才不久的创新疗法，CAR-T疗法仍然还在不断进化，科学家们也正在让这种细胞疗法变得更聪明。结合STAT的一篇报道和一篇发表于Nature Reviews Clinical Oncology 的综述，在这篇文章中，让我们一道来了解下CAR-T疗法的未来发展方向。 和任何一款疗法一样，CAR-T疗法也不是万能的。在取得出色疗效的同时，它也存在新的瓶颈和挑战，限制了它的进一步应用。比如目前的CAR-T疗法大多还仅能用于白血病和骨髓瘤，无法应用于更多的癌症类型；比如接受过CAR-T治疗的患者，虽然病情可以得到控制，但有不少还会复发；比如CAR-T疗法可能带来细胞因子风暴，严重时可能危及生命；又比如这种细胞疗法的制造成本仍然较高，限制了它的普及。 针对这些问题，科学家们正在寻找解决方案，而关键可能是对CAR结构的全新改造和设计。从结构上看，CAR由三部分组成：位于细胞外的抗原识别和结合域，位于细胞内的信号结构域，以及将两者联系在一起的铰链和跨膜结构域。
▲对CAR结构的不同设计有望解决疗法的瓶颈（图片来源：参考资料[2]） 对于这些部分的不同改造策略，有望提高CAR-T疗法的安全性和疗效，拓展应用的范围，并使人们能快速、高效、可靠地制造CAR-T细胞。 “我们看到患者经历了多线的治疗后，疾病还是出现复发。但CAR-T疗法让他们进入了长期的缓解，这非常不可思议，”麻省总医院癌症中心的细胞免疫疗法主任Marcela Maus博士说道，“这个领域发展得非常快，不同人正在解决不同的问题。理想情况下，这些数据能用来决定下一个重大突破。” CAR-T疗法之所以能成为杀伤癌细胞的勇士，关键正是在于CAR本身。作为一种人工设计合成的蛋白，CAR能识别癌细胞表面的特定抗原，然后激活T细胞，对其进行杀伤。但这样设计的CAR-T疗法比较死板，灵活性不足。它只能识别和杀伤表达特定抗原的细胞，而不会区分这些细胞是癌细胞还是健康细胞，因此可能会误伤无辜。 问题在于，科研人员们控制它们的方法并不多。
▲麻省总医院癌症中心的细胞免疫疗法主任Marcela Maus博士（图片来源： Maus博士课题组官网 ） “CAR就像是青少年孩子一样，” Maus博士说道，“一旦我们释放出CAR，就只能看着它们，却不能控制它们。所以人们想要按需求对其进行开关。” 这就是可控制的CAR的设想。具体实现这一设想的方法有很多，比如有的设计出的CAR，能在特定蓝光条件下被激活；有的CAR则能在超声状态下才能表达于细胞表面。 这样的设计都离不开合成生物学的帮忙——通过引入额外的基因环路，研究人员们可以手动让CAR激活，或是失去活性。 “这样一来，CAR-T疗法就能专注特定的区域，”加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Peter Yingxiao Wang教授说道，“当光或是超声作用于局部的肿瘤，就能激活CAR，启动杀伤。但在其它地方，CAR-T细胞会是无害的。”这是指在没有光或超声信号存在的情况下，CAR-T细胞大致就不具有杀伤作用。这样一来，它对健康组织的损伤可以降到最低。理论上说，会只限于肿瘤附近的位置。
▲加州大学圣地亚哥分校Peter Yingxiao Wang教授（图片来源： Wang教授 课题组官网 ） Wang教授也指出，这一领域目前还很初步，许多研究还处于概念验证阶段。 在应用于人体前，科学家们还需要确认它们是否安全，且局部激活是否足以杀伤肿瘤。实现这几点，我们还有很长的路要走。 另一些科学家则试图让CAR表现得如同计算机一般，能自行处理简单的逻辑判断。对于普通的CAR而言，它们只使用一种蛋白质作为识别癌细胞的判断依据，但想要找到只存在于癌细胞，不存在于健康细胞上的靶点，是一件很困难的事情。 “用简单一个标志物来区分癌细胞和健康组织，是不可能的事 ，”波士顿大学的合成生物学家Wilson Wong教授说道，“这就像只凭‘他有黑头发’这一点去找一个人一样，你永远找不到。”
▲波士顿大学的合成生物学家Wilson Wong教授（图片来源： Wong教授 课题组官网 ） 但如果，CAR-T细胞学会的不是癌细胞的一个特征，而是多个特征呢？这就好比在发色之外，我们还知道寻访对象的身高体重，外貌特征，常见服饰等。那找到一个人的概率自然要高上不少。 如果能特异性识别多个蛋白，那CAR-T疗法也能更准确地找到癌细胞。这就是逻辑门控有用武之地的地方。 像Wong教授这样的研究人员们正在改造CAR-T细胞，使其只在极为复杂的情况下才会被激活，譬如只有同时存在多个癌症特异蛋白的情况才会激活，这样就能在很大程度上避免对健康细胞的误伤，因为健康细胞几乎不存在同样的特异蛋白组合。由于这样的判断类似于早期的布尔计算机（采用“是“和”否“的简单逻辑），因此科学家们也将对CAR-T细胞的调控方式比作是计算机的”逻辑门“。 在几种癌症蛋白都存在的情况下激活CAR-T细胞，只是逻辑门中的一种（即“AND“）。类似的，科学家们还可以在某些蛋白中只存在部分的情况下激活CAR-T细胞，或者将不同层的逻辑进行叠加。加州大学洛杉矶分校（UCLA）的合成生物学家Yvonne Chen教授提到，在这些细胞里可以建设很多很酷的基因环路。但同样，这些逻辑门可能会进一步增加CAR-T细胞的复杂性，从而增加出错的风险。
▲加州大学洛杉矶分校的合成生物学家Yvonne Chen教授（图片来源： Chen教授 课题组官网 ） “很重要的一点是，不要让设计过于复杂。复杂的环路令人激动，但有时候解决方案本身也会带来新的问题，” Chen教授提到，“比如对于AND逻辑门，也会让肿瘤更容易进行免疫逃逸。因为肿瘤只要丢失任何一个靶点，就能逃脱疗法的攻击。 ” 传统CAR-T疗法的另一个潜在问题难以治疗实体肿瘤——类似肺癌或胰腺癌的实体肿瘤会进化出一定的策略，使其逃脱CAR-T细胞的攻击。这些都使得接受治疗的患者可能不见病情好转，或是治疗后疾病复发。 正是出于这个原因，科学家们尝试将CAR武装起来，使这些细胞能发挥更强的功效。比如Chen教授的团队就开发了一种创新的CAR，能将肿瘤免疫微环境中的TGF-beta蛋白化敌为友，增加自身的杀伤效果——通常情况下，肿瘤免疫微环境中的TGF-beta能关闭T细胞的活性，并帮助癌细胞逃脱免疫系统的监控。而这种创新的CAR不仅能抵抗TGF-beta的负面效果，甚至还能利用TGF-beta，让自己更具杀伤力。 “它们不仅没有失去功能，还被激活了，”Chen教授说道，“这能将肿瘤的防御机制变为T细胞的刺激信号，并告诉T细胞，你们处于可能遇到肿瘤细胞的环境里，做好准备。” 另外，在接受治疗的一段时间后，T细胞可能会停止工作，失去它们的功能——如果不断激活T细胞，就会让细胞迅速进入耗竭。对于这一情况，研究人员们正在寻找解决的手段。 比如斯坦福大学的免疫学家Crystal Mackall教授改造了一种CAR，使其劳逸结合，能先进行休息，再重新前去工作——这种CAR能短暂表达，且能被开启和关闭。通过让它们定期休息，能增强T细胞的功能，限制耗竭。
▲斯坦福大学的免疫学家Crystal Mackall教授（图片来源： Mackall 教授 课题组官网 ） 当然，目前这些进展还较为初步，科学家们也尚未找到能让CAR-T细胞长期奏效的方法。对于免疫系统来说，清除癌症是一件需要持续终身的大事。仅仅短暂延长CAR-T疗法的效果，还是不够的。如今，我们能找到短暂延长这些细胞功能的方法。未来，突破口可能在于不同方式的组合。 作为一类全新的疗法，CAR-T还有不少潜力可以挖掘。而通过合成生物学和基因编辑技术，我们有望对CAR进行设计，使这些细胞发挥更好的功效，治疗更多的疾病类型。又或者，我们可以简单将这些细胞当作递送工具，将免疫调节性的分子递送到肿瘤微环境中。 人们也需要意识到，对CAR-T细胞的进一步修改和编辑，可能会增加与其相关的风险，比如出现基因编辑的潜在脱靶效应，或是增加制造复杂程度等。为了减少CAR-T疗法的时间与金钱成本，未来还需要更创新的改造技术。Nature Reviews Clinical Oncology 的综述指出，非病毒载体可能有助于提高这种创新疗法的可负担性。
图片来源：123RF
当然，未来的细胞疗法并不一定要局限于T细胞上。巨噬细胞以及自然杀伤细胞，同样可以插上CAR的翅膀，用于治疗不同疾病。甚至有一些科学家开始畅想，有朝一日我们能开发出人造细胞用于细胞疗法的开发——这些细胞稳定且不会发生突变，非常理想。 在需要时，它们又能自我摧毁，避免副作用。当然，这不会是一朝一夕之功。能否成为现实，还有待更多科学家们的努力。 参考资料：
[1] Scientists are making CAR-T cells more clever. Here’s what the next generation could look like, Retrieved February 1, 2022, from https://www.statnews.com/2022/01/14/cancer-cart-cell-therapy-research
[2] Rafiq, S., Hackett, C.S. Brentjens, R.J. Engineering strategies to overcome the current roadblocks in CAR T cell therapy. Nat Rev Clin Oncol 17, 147–167 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/s41571-019-0297-y
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