改造T細胞在癌症免疫療法中的前景

07-12

作者 Andrew D. Fesnak, Carl H. June &Bruce L. Levine

人體免疫系統的功能是區分本體和外來物，從而保護機體的健康。但腫瘤對免疫系統來說是一個獨特的挑戰——它來源於自身的細胞，讓免疫系統難以識別；此外，腫瘤構建的微環境對免疫反應的抑制也讓T細胞難以發揮殺傷功能。

近年來，通過基因工程改良T細胞作為「活的藥物」來消滅癌細胞是癌症療法的一個新方向。使用表達嵌合抗原受體 ( Chimeric Antigen Receptors, CAR )和轉基因T細胞受體( T Cell Receptors, TCRs )的T細胞在治療血癌的臨床試驗中表現驚人。這些結果也讓諸多業內資深人士繼續保持熱情，並催生了《Nature》雜誌對這一領域的盤點和展望。

T細胞的激活方式非常多樣（圖片來源：Nature）

T細胞被完全激活需要兩種不同信號：一種信號是通過T細胞表達的TCR與由主要組織相容性複合體( Major Histocompatibility Complex，MHC )呈現的抗原相結合產生。這種信號(信號1)給T細胞的反應帶來特異性。同時T細胞還需要另外一種刺激信號（信號2），這一類刺激信號是激活或關閉T細胞功能的開關。激活T細胞功能的配體包括4-1BB配體、ICOS配體、CD70等等。而著名的關閉T細胞功能的配體包括PD-L1，很多腫瘤細胞會增加細胞表面PD-L1的表達量，從而抑制T細胞的免疫反應。

TCR與CAR在結構上有著顯著差異（圖片來源：Nature）

通過轉基因方法在T細胞中表達的TCR與T細胞本身表達的TCR在結構上沒有明顯的區別。主要的區別是用轉基因方法在T細胞中表達的TCR已經過人工篩選，可以與腫瘤抗原相結合。但是這些T細胞仍然需要同時被信號2刺激才能被完全激活，因而仍然會受到PD-L1一類抑制免疫反應的蛋白的抑制。而且，腫瘤抗原仍然需要被MHC呈現才能夠被TCR識別。很多腫瘤會通過降低MHC表達量來逃避TCR的識別。而CAR將識別腫瘤抗原的抗體片段與TCR的胞內域（Intracellular Domain）片段和接受第二種刺激信號的受體胞內域片段嵌合在一起。這種受體不需要MHC的輔助就可以識別腫瘤抗原，同時也不需要信號2就可以激活T細胞。

CAR的結構自誕生以來經過了多次改進（圖片來源：Nature）

CAR 自從出現以來，它的結構經過了多次改進。第一代的CAR蛋白的胞內域只有一個媒介TCR信號的CD3ζ片段。而第二代的CAR的胞內域添加了媒介信號2的CD28或者4-1BB片段。而第三和第四代CAR則在胞內域部分整合了三種或四種刺激信號的受體片段，從而使激活T細胞的效率變得更高。

T細胞療法的生產流程（圖片來源：Nature）

T細胞療法的生產流程包括以下9個步驟：

(1) 將白細胞從患者的血液中分離出來。
(2) 通過逆流離心淘洗(Counterflow Centrifugal Elutriation)或其它方法富集淋巴細胞。
(3) 富集的淋巴細胞在體外培養環境中接受特定抗原刺激。
(4) 同時，通過病毒載體導入編碼CAR或TCR的基因片段。
(5) 這些淋巴細胞在生物反應器中分裂增殖。
(6) 當淋巴細胞達到足夠數量後會經過清洗去除沒有表達預訂CAR或TCR的T細胞。
(7) 濃縮後的細胞樣本會接受質量檢查。

(8) 然後冰凍成為最終產品運送到診所。
(9) 診所的醫生將產品解凍，注回患者體內。

CAR-T細胞的創新設計理念（圖片來源：Nature）

隨著CAR-T細胞技術的發展，更多的設計理念和模型被推出和嘗試。這些新設計賦予CAR-T細胞更豐富的功能，並對它的殺傷力做出更精確的控制。它們包括：

(a) 讓CAR-T細胞同時也表達抗腫瘤的細胞因子（例如IL12)，通過識別腫瘤的CAR，這些T細胞能夠在腫瘤細胞附近表達促進炎症的細胞因子，從而吸引更多體內免疫細胞聚集到腫瘤病灶，增強抗癌反應。

(b) 現在的CAR-T細胞需要從患者體內獲取淋巴細胞進行改造，因為這些細胞在注回患者體內時不會被患者的免疫系統排斥。如果在CAR-T細胞中敲除內源性TCR和MHC分子，可以防止這些T細胞引發宿主的免疫排斥反應，從而使這些CAR-T細胞在不同患者身上都可以使用，成為通用的CAR-T細胞。

(d) 很多腫瘤的微環境中存在大量的免疫檢查點受體的配體，它們與CAR-T細胞表面的免疫檢查點受體結合會抑制T細胞的激活。通過基因工程消除免疫檢查點蛋白的表達或者使用阻斷免疫檢查點信號通路的單克隆抗體可以讓CAR-T細胞對免疫抑制產生抗性。

(e) CAR-T細胞的一個弊端是如果CAR除了識別腫瘤細胞中的抗原，還與健康細胞中的抗原發生反應，將導致CAR-T細胞誤殺健康組織，情況嚴重可能導致患者死亡。在CAR-T細胞中引入自毀機制，可以使這些細胞在接觸特定配體後會發生細胞凋亡，從而減少CAR-T細胞誤傷的風險。

(f) 減少CAR-T細胞誤傷健康組織的另一個方法是使CAR-T細胞的激活受到某種小分子的控制，只有在這種小分子存在時T細胞才會被激活。

(g) 另一種消除CAR-T細胞毒副作用的方式是在CAR-T細胞表面表達一種被現有單克隆抗體識別的腫瘤抗原，如果CAR-T細胞的毒副作用過大，給患者使用單克隆抗體可以消滅這些CAR-T細胞。

(h) 增強CAR-T細胞對腫瘤的專一性也可以防止CAR-T細胞的毒副作用。在這方面的設想包括在CAR 的胞外域加入識別兩種不同蛋白的抗體片段，只有靶向細胞同時表達這兩種蛋白時CAR-T細胞才會被激活。

(i) 這種需要識別兩種不同抗原才能激活CAR-T細胞的調控方式也可以通過在CAR-T細胞表面表達兩種不同的CARs來實現。每一種CAR只能激活一條信息通路，只有兩條信息通路同時被激活時CAR-T細胞才會被激活。

(j) 另一種保護正常組織不受CAR-T細胞損害的方法是在CAR-T細胞上表達一種能夠抑制細胞激活的CAR. 這種CAR的抗體片段能夠識別正常細胞表達的抗原，而它的細胞內部分能夠抑制T細胞激活（比如PD1受體的細胞內片段）。這種CAR-T細胞只會在腫瘤抗原存在而正常細胞表達的抗原不存在的情況下才會被激活。

一些利用CAR-T細胞的臨床試驗（圖片來源：Nature）

▲其他一些利用改造T細胞的臨床試驗（圖片來源：Nature）

參考文獻

[1] Engineered T cells: the promise and challenges of cancer immunotherapy

[2] CAR-T - Wikipedia