利用改进的CAR-T治疗实体瘤大有可为

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CAR-T(Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy),即嵌合抗原受体T细胞免疫疗法。该疗法是一种出现了很多年但近几年才被改良使用到临床中的新型细胞疗法。在急性白血病和非霍奇金淋巴瘤的治疗上有着显著的疗效,被认为是最有前景的肿瘤治疗方式之一。正如所有的技术一样,CAR-T技术也经历一个漫长的演化过程,正是在这一系列的演化过程中,CAR-T技术逐渐走向成熟。

嵌合抗原受体(chimeric antigen receptors, CAR)T细胞(CAR-T)是对病人自己的T细胞经过基因修饰而构建出的,在治疗血癌上取得成功,但是利用CAR-T治疗实体瘤—是由异质的细胞群体组成的,这些异质的细胞具有不同的表面分子—并不那么成功,这是因为正常组织含有CAR-T靶向的蛋白,因而,CAR-T不仅攻击肿瘤,也会攻击正常组织。

一般而言,CAR-T免疫疗法涉及通过一种类似于透析的方法从癌症患者的血液中收集T细胞,然后对它们进行基因修饰,让它们表达特定的CAR,而能够识别癌细胞表面上的特异性分子。这些经过基因修饰的T细胞在灌注回患者体内后,能够靶向杀死癌细胞。

2016年6月,来自美国宾夕法尼亚大学和丹麦哥本哈根大学的研究人员描述了他们经过基因修饰设计出一种识别一种组合物–由一种已知的癌症相关表面蛋白和一种癌症相关糖分子组成—的CAR能够用于CAR-T免疫疗法中以便治疗一系列实体瘤。他们在胰腺癌模式小鼠体内证实了这种新的CAR-T疗法的有效性。相关研究结果发表在Immunity期刊上,论文标题为“Engineered CAR T Cells Targeting the Cancer-Associated Tn-Glycoform of the Membrane Mucin MUC1 Control Adenocarcinoma”。

研究人员构建出表达特定CAR的CAR-T细胞,其中这种CAR特异性地识别粘蛋白1(MUC1)上截短的糖分子。MUC1蛋白在正常的细胞表面上并不存在,但在很多类型的实体瘤和白血病的癌细胞表面上大量存在。

当将这些CAR-T细胞注射回白血病或胰腺癌小鼠体内后,这些肿瘤都萎缩了,而且在大多数小鼠中被消除了,从而导致存活期增加。在接受CAR-T治疗后,胰腺癌小鼠仍然活了113天;然而,在接受不能够靶向识别具有截断的糖分子的MUC1蛋白的CAR-T治疗的小鼠当中,在这项实验结束时,仅有三分之一的小鼠存活下来。重要的是,这些经过基因修饰的CAR-T不能够伤害正常的人细胞,也不能够伤害不具有这种异常糖分子的细胞。

此外,利用高性能显微镜证实正常的细胞仅在细胞内部表达不成熟的癌症相关的MUC1蛋白版本,然而,癌细胞将这种异常的蛋白运送到它的表面上,因此,这有助解释为何这些经过基因修饰的CAR-T仅能够识别肿瘤细胞表面上的这种癌症特异性的蛋白。

这些发现提示着靶向识别在正常组织和实体瘤中发现的蛋白上存在的异常的癌症特异性糖分子可能成为一种治疗实体瘤的新免疫疗法。这种肿瘤组合识别能力可能导致人们在未来为癌症患者开发出一种安全的有效的疗法。

研究人员当前正在与哥本哈根大学同事Catharina Steentoft博士合作开发这种类型的新疗法。Johnson说,“我们的研究证实这种新的癌症靶向疗法的安全性和有效性。我们正在其他的模型中继续评估这种疗法的安全性。一旦新的模型评估完毕,我们计划将这种疗法推向针对实体瘤患者的I期临床试验当中。”

而在最新的一项研究中,来自美国贝勒医学院、德州儿童癌症中心、贝勒细胞与基因疗法中心、德州儿童医院和休斯顿卫理公会医院的研究人员发现一种基于靶向特异性表面分子的新策略能够清除胶质母细胞瘤模式小鼠体内的大多数癌细胞、阻止肿瘤逃避免疫检测、更好地控制肿瘤和改善小鼠存活。相关研究结果于2016年7月18日发表在Journal of Clinical Investigation期刊上,论文标题为“Tandem CAR T cells targeting HER2 and IL13Rα 2 mitigate tumor antigen escape”。论文通信作者为贝勒医学院和德州儿童癌症中心儿科副教授Nabil Ahmed博士。

科学家们想要了解当一种疗法靶向单个表面分子时,肿瘤会发生什么。论文第一作者、贝勒医学院儿科助理教授Meenakshi Hegde博士在实验室利用人胶质母细胞瘤细胞和胶质母细胞瘤模式小鼠开展研究。她利用嵌合抗原受体(CAR)T细胞(CAR-T)靶向肿瘤细胞上的单个表面分子。CAR-T是T细胞经基因改造后,通过在其表面上表达CAR来识别和杀死表面上携带一种特异性抗原的肿瘤细胞。

Hegde想知道当利用CAR-T靶向肿瘤细胞表面上的单个抗原时,肿瘤会如何应对。CAR-T清除表面上携带靶分子的细胞,同时留下表面上未携带靶分子的细胞。当在模式小鼠体内开展这项实验时,她观察到尽管部分肿瘤被CAR-T及时地清除了,但是肿瘤还是会复发。这些复发的肿瘤细胞并不携带CAR-T识别的靶分子,相反会携带其他的表面分子。

Ahmed说,这些结果教导科学家们“靶向肿瘤上的一种表面分子仅杀死携带这种抗原的肿瘤细胞。那些不携带这种表面分子的肿瘤细胞不被杀死,而且能够继续生长。它们变成能够导致肿瘤复发的细胞。”

为此,在这项新的研究中,研究人员测试了如果他们利用CAR-T靶向两种不同的肿瘤表面分子将会发生什么。Ahmed说,他们发现“如果我们靶向不止一种抗原,那么我们有更好的机会阻止肿瘤逃避免疫检测”。

研究人员选择的两种抗原—HER2和IL13Rα2—是抗肿瘤疗法的良好候选分子,这是因为它们在大多数胶质母细胞瘤细胞表面上表达,但是体内正常组织中非常低水平地表达。这对于让CAR-T靶向和杀死正常细胞的副作用最小化是比较重要的。

研究人员确定了如果T细胞表面上的单个双价CAR分子能够同时结合HER2和IL13Rα2,那么将会发什么。Ahmed说,当CAR-T通过这种双价CAR分子同时识别HER2和IL13Rα2时,它的抗肿瘤“活性要比使用各自的单价CAR分子高很多”。

CAR-T同时识别HER2和IL13Rα2的效应要高于单个识别的累加效应,即具有超加性(superadditive),其中这种同时识别HER2和IL13Rα2的CAR-T也被称作二价CAR-T。

接下来,Hegde和Ahmed想要可视化观察二价CAR-T和胶质母细胞瘤细胞之间到底发生什么。

Ahmed说,“首先,我们试着解决大分子成像问题,因此我们与贝勒医学院生物化学与分子生物学助理教授Matthew Baker博士合作。利用这种大分子成像技术,我们模拟了HER2、IL13Rα2和同时靶向这两种分子的双价CAR之间的组装。我们确定这种三组分组装在能量上是可行的。这种双价CAR很可能以串联的形式将HER2和IL13Rα2结合在一起。我们因此称它为串联CAR(Tandem CAR),或者说TanCAR。”

接下来,研究人员想要观察TanCAR T细胞(TanCAR-T)与胶质母细胞瘤细胞之间如何相互作用。利用一种分辨率在150nm以下的受激辐射耗尽(Stimulation Emission Depletion, STED)显微技术,研究人员吃惊地发现当TanCAR-T与胶质母细胞瘤细胞相互接触时,它们产生一种表面分子聚集圆盘结构,即免疫突触(immunological synapse)。一旦TanCAR与胶质母细胞瘤细胞表面上的抗原HER2和IL13Rα2结合在一起时,这会触发T细胞内部的激活,从而导致胶质母细胞瘤细胞死亡。

研究人员期待利用TanCAR-T治疗实体瘤能够在临床试验中取得不错的结果。Ahmed说,“当我们靶向肿瘤中的单个组分时,肿瘤有办法继续存活。但是当我们利用TanCAR-T同时靶向两个组分时,我们能够让TanCAR-T更加特异性地和更加高效地杀死肿瘤细胞。同时靶向两个组分要比靶向单个组分好。”

参考文献:

【1】New CAR T cell therapy using double target aimed at solid tumors

【2】Dual antigen targeting may improve CAR T cell cancer therapy

【3】Engineered CAR T Cells Targeting the Cancer-Associated Tn-Glycoform of the Membrane Mucin MUC1 Control Adenocarcinoma

【4】Tandem CAR T cells targeting HER2 and IL13Rα2 mitigate tumor antigen escape