吹响CAR-T小车冲锋的号角 | 肿瘤免疫前沿进展-深度-知识分子

吹响CAR-T小车冲锋的号角 | 肿瘤免疫前沿进展

2019/07/13
导读
分子佐剂能吹响CAR-T抗癌战车的嘹亮号角吗?长夜漫漫,未来可期

pixabay.com


编者按:

2019年7月12日,《科学》杂志在线发表了麻省理工学院达雷尔·欧文(Darrell Irvine)教授团队题为 Enhanced CAR–T cell activity against solid tumors by vaccine boosting through the chimeric receptor 的研究。这项研究开创性地实现通过分子佐剂提升 CAR-T 细胞杀伤肿瘤细胞的效率,为研究者对抗实体瘤的攻坚战提供了新的思路。[1]


撰文 | 黄宇翔

责编 | 夏志坚

 

  


1面对实体瘤,CAR-T一筹莫展


肿瘤免疫疗法,即通过调动免疫系统实现对肿瘤细胞的清除,是当代癌症生物学最令人激动的突破进展之一。说到肿瘤免疫领域大名鼎鼎的两大疗法,其一是在2018年刚刚获得诺贝尔生理医学奖的免疫检查点抑制剂,另一个则是嵌合抗原受体T细胞免疫疗法(简称CAR-T疗法)[2, 3]


我们身体里的T细胞是可以消灭癌细胞的“特种部队”。然而,狡猾的癌细胞往往可以通过巧妙的伪装(如下调MHC复合物、肿瘤抗原表达等)逃过T细胞追杀。于是研究者通过基因工程的方法在癌症病人的T细胞中表达能够特异性识别出癌细胞的嵌合抗原受体(简称CAR),就如同给T细胞的部队安装了能够特异性靶向癌细胞的“制导系统”,从而使其能更高效地清除癌细胞。这便是CAR-T疗法的基本原理。


尽管CAR-T疗法已经在属于液体瘤的白血病中取得了非凡的成绩,但对于乳腺癌、脑癌等实体瘤,大部分时候仍鞭长莫及——相比于在血液中四处游荡的血癌细胞,实体瘤细胞扎根在CAR-T细胞难以进入的组织深处,并且在其周围营造出了具有高度免疫抑制性的肿瘤微环境。[3]


即便是冲进了实体瘤的虎穴龙潭,CAR-T 细胞在 PD-L1 分子和肿瘤微环境内众多抑制性细胞因子的重重夹击下往往还没有见到癌细胞的影子就已经精疲力竭,难以威胁到实体肿瘤细胞的一根毫毛。[4]


如何改造 CAR-T 疗法才能攻克实体瘤建立的重重堡垒的防线呢?


有研究者提出,可以敲除 CAR-T 细胞中的 PD-1受体,这样一来即使在执行清除肿瘤细胞任务时身处含有 PD-L1分子等抑制性细胞因子的环境中,CAR-T 细胞依然可以抖擞精神,奋勇杀敌。但紧跟着问题来了,不再受抑制性信号控制的 CAR-T 细胞一旦发生了癌变,后果就更加不堪设想。[5]


也有研究者提出,可以联用肿瘤免疫的“绝代双骄”,这种强强联手的策略被领域内很多专家所看好。然而,纵使免疫检查点抑制剂和 CAR-T 疗法双剑合璧,仍面临无法将足够数量的CAR-T 细胞送到实体瘤位置的挑战。[6, 7]

 

如何才能让 CAR-T 疗法在实体瘤中像液体瘤中那样大放异彩,是摆在肿瘤学家们面前的一道难题。

 

2计巧妙的分子佐剂


麻省理工学院达雷尔·欧文团队在2014年开发出能特异性靶向淋巴结的分子佐剂,这种方法利用白蛋白 (albumin) 在淋巴结中富集的性质,在分子佐剂中融合了可以结合白蛋白的结构域,使得包含有能调节免疫系统活性成分的分子佐剂能搭上白蛋白的“顺风车”进入淋巴结,发挥其免疫调控功能。[8]


此外,CAR-T 研究者已经知晓,CAR-T 细胞在通过静脉注射进入体内后,会随着循环系统四处“巡逻”。CAR-T 细胞在经过肿瘤病灶附近时,一旦检测到肿瘤抗原,就会停下脚步进入病灶执行清除肿瘤的任务。而大部分没有检测到肿瘤抗原的 CAR-T 则会回到各个淋巴结的大本营集结待命。


在2017年加入达雷尔·欧文团队的马乐园博士也深为 CAR-T 细胞应用于实体瘤中所遇的困境感到忧虑。在了解 CAR-T 集中在淋巴结待命的这一事实后,一个简单的想法跳进他的脑海:如果能人为地向 CAR-T 细胞驻扎的“大本营”(即各个淋巴结)输送一些模仿肿瘤抗原的分子,是不是就能够动员起更多的 CAR-T 细胞扩增活化,进而离开淋巴结随着循环系统四处巡逻呢?如果在血液中巡逻的 CAR-T 细胞数目增加了,是不是会有更多的 CAR-T 细胞有机会浸润到实体瘤组织中,夺取抗癌斗争的胜利呢?


再联想到欧文团队此前的研究,马乐园博士的灵感就来了:如果在分子佐剂中加入肿瘤抗原的成分,先让其搭着白蛋白的顺风车来到淋巴结,进而凭借其物理化学特性插到一些可以与CAR-T 细胞结合的细胞的细胞膜上(主要是抗原递呈细胞,简称APC细胞),不就可以将大本营待命的大量 CAR-T 细胞激活送往前线抗击肿瘤了吗?

 

图1 如果能设计出一种靶向淋巴结“大本营”的分子佐剂,是不是能够动员更多的CAR-T细胞奔赴抗癌战场的前线呢?图中长着红色圆脑袋和两条细长腿的那个分子就是马博士设想的分子佐剂“传令官”理想中的样子。来源:Ma et al., (2019) Science

 

于是,一个用于增强 CAR-T 抗肿瘤性能的分子佐剂的结构框架跃然纸上:图2中左侧两条长长的脂肪酸链借鉴了欧文团队2014年发表的设计,脂肪酸链能够牢牢结合驶向淋巴结区域的白蛋白“高速列车”,是一张通向淋巴结的“顺风车车票”;中间的聚乙二醇能增加其在血液中的溶解性;右侧的基团插在 APC 细胞膜上后可以激活 CAR-T 扩增,促使 CAR-T 离开淋巴结去杀伤癌细胞。


这个设计巧妙的分子佐剂究竟能不能在实体瘤的攻坚战中助 CAR-T 战车一臂之力呢?



图2 分子佐剂“传令官”的庐山真面目:左侧两条长腿可以结合白蛋白,是搭上前往淋巴结大本营的“上车凭证”;中间的聚乙二醇可以增强分子佐剂的溶解性;右侧的基团是传令官到达大本营后被CAR-T驻扎部队识别传达“活化”命令的虎符军令。来源:Ma et al., (2019) Science

 

3动物模型:初战告捷


在分子佐剂在体外实验表现出能够促进 CAR-T 细胞扩增和具有更高靶细胞杀伤力的性质之后,马乐园博士和他的同事们对分子佐剂在体内的表现充满了期待。


他们关心的第一个问题是,分子佐剂在体内是否能像他们预想的那样促进 CAR-T 细胞的扩增呢?


实验的结果没有让研究者失望:分子佐剂的引入显著提升了外周血(即不包括骨髓的血液)中T细胞的数量。


图3 分子佐剂在体内能活化CAR-T细胞增殖,提升外周血中杀伤性T细胞的数目。比较图中的绿线和蓝线在第一次注射疫苗后的第14天,可以看到添加分子佐剂能使得外周血中杀伤性T细胞的数目达到了不加分子佐剂时注射高200倍CAR-T细胞所能达到的效果。来源:Ma et al., (2019) Science

 

为了检验分子佐剂是否可以增强 CAR-T 细胞清除肿瘤的能力,研究者们在一种小鼠脑瘤模型中观察到分子佐剂能显著增加肿瘤中的 CAR-T 细胞数目、更有效地抑制肿瘤的增长、延长脑瘤模型小鼠的存活时间。


分子佐剂在动物模型中的实验,首战告捷。

 

图4 分子佐剂在动物模型中初战告捷:图A显示分子佐剂的加入显著增加了肿瘤中CAR-T的数目;图B显示分子佐剂能帮助CAR-T细胞对肿瘤增长产生更强的抑制效果;图C显示分子佐剂助力CAR-T细胞更好地延长带瘤小鼠的生存时期。来源:Ma et al., (2019) Science


4长夜漫漫,未来可期


CAR-T 治疗的领军人物、宾夕法尼亚大学肿瘤免疫中心 Carl June 教授在评论这项研究时写道:“马乐园博士等人的研究一大创新之处在于他们表明 CAR 分子的作用不止于识别、杀伤癌细胞,还可能可以起到增强 CAR-T 活性的功能。”[9]


“这项技术推向临床指日可待,因为我们只需要根据靶点对分子佐剂进行调整,而无需变动CAR-T 细胞本身。我乐观地估计在未来1-2年内分子佐剂在 CAR-T 治疗的促进效果将会在病人中得到检验。”达雷尔·欧文教授在接受《麻省理工学院新闻》采访时说。[10]


尽管,关于分子佐剂是否在异种肿瘤移植实验中依然有效、促进 CAR-T 杀伤效果能否延伸到更多肿瘤类型等问题的阐明还有待更多动物实验的严谨检验;


尽管,人们对分子佐剂潜在的毒副作用目前了解还很有限;


尽管,分子佐剂促进 CAR-T 疗法在人类患者中的效果也充满了未知数。


但在今天,达雷尔·欧文团队在分子佐剂促进 CAR-T 清楚肿瘤效果方向上成功迈出了试探性的一小步。这一步,无疑在人类与癌症抗争的漫漫长夜中,又点亮了一盏灯,指引出未来前进的一个方向。


分子佐剂能吹响 CAR-T 抗癌战车的嘹亮号角吗?


期待在不久的将来,实验台前辛勤耕耘的研究者们能为我们呈现更多的证据。


参考文献

[1] Ma et al., (2019) Enhanced CAR–T cell activity against solid tumors by vaccine boosting through the chimeric receptor. Science. DOI: 10.1126/science.aav8692

[2] Ribas, A., & Wolchok, J. D. (2018).Cancer immunotherapy using checkpoint blockade. Science, DOI:10.1126/science.aar4060

[3]June, C. H., O’Connor, R. S., Kawalekar, O.U., Ghassemi, S., & Milone, M. C. (2018). CAR T cell immunotherapy for human cancer. Science, DOI: 10.1126/science.aar6711

[4] Martinez, M., & Moon, E. K. (2019). CAR T cells for solid tumors:new strategies for finding, infiltrating, and surviving in the tumor microenvironment. Frontiers in immunology, DOI: 10.3389/fimmu.2019.00128

[5]Huang, K., Sun, B., Luo, N., Guo, H., Hu,J., & Peng, J. (2018). Programmed Death Receptor 1 (PD1) Knockout and HumanTelomerase Reverse Transcriptase (hTERT) Transduction Can Enhance Persistence and Antitumor Efficacy of Cytokine-Induced Killer Cells Against Hepatocellular Carcinoma. Med Sci Monit., DOI: 10.12659/MSM.910903

[6]Cherkassky, L., Morello, A., Villena-Vargas,J., Feng, Y., Dimitrov, D. S., Jones, D. R., ... & Adusumilli, P. S.(2016). Human CAR T cells with cell-intrinsic PD-1 checkpoint blockade resisttumor-mediated inhibition. The Journal of clinical investigation, 126(8),3130-3144. DOI: 10.1172/JCI83092.

[7]Rafiq, S., Yeku, O. O., Jackson, H. J.,Purdon, T. J., van Leeuwen, D. G., Drakes, D. J., ... & Yan, S. (2018).Targeted delivery of a PD-1-blocking scFv by CAR-T cells enhances anti-tumorefficacy in vivo. Nature biotechnology. DOI: https://doi.org/10.1038/nbt.4195

[8]Liu, H., Moynihan, K. D., Zheng, Y., Szeto,G. L., Li, A. V., Huang, B., ... & Irvine, D. J. (2014). Structure-based programming of lymph-node targeting in molecular vaccines. Nature, DOI:10.1038/nature12978

[9]Singh., et al., (2019) Boosting engineered Tcells. Science. DOI: 10.1126/science.aax6331

[10] http://news.mit.edu/2019/car-t-cell-therapy-cancer-0711

 

制版编辑 | 皮皮鱼


参与讨论
0 条评论
评论
暂无评论内容
科学新媒体"知识分子"撰稿人、密歇根大学分子生物学在读博士研究生
订阅Newsletter

我们会定期将电子期刊发送到您的邮箱

GO