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CAR-T研發曆史——如何由設想變為現實

發布日期:2017/3/29 來源:原創
  腫瘤免疫專家很早就意識到免疫係統在對抗腫瘤時起到了關鍵性的作用,但是早期的嚐試均不盡如人意,原因在於早期研究沒能將免疫係統中關鍵的T細胞的殺傷能力充分激活。


追溯到1980年,人們通過將T細胞從病人身體中提取出來,體外培養,擴增,然後再重新注射回病人體內的方式來對抗腫瘤,這一方法成效甚微,因為大部分T細胞在重新注射回患者體內之後很快就失去活性。

 

 

June 和 Levine在90年代中期一直在嚐試通過強化自身免疫,或者說使用強化的T細胞治療HIV的研究,其所使用的理念和技術如今已經得到了認可。


過去幾年,嵌合抗原受體的T細胞—或CAR-T—的概念已近家喻戶曉,超過1000名白血病或淋巴瘤患者接受過相關的臨床試驗,其中絕大部分患者的存活時間超過了預期,近百人甚至痊愈。


CAR-T在白血病或淋巴瘤治療領域的成果已經證明CAR-T理念和技術的正確,目前要做的就是將這一技術繼續發展,使得其他類型的腫瘤患者也能收益。

 

 

渦輪增壓版T細胞

最初的設想其實很簡單,就是如何增強T細胞的殺傷能力。通常,T細胞需要接收到樹突狀細胞給予的信號才能激發自身的殺傷能力,包括分化,產生大量針對同一靶點的相同個體,以及釋放一種叫做細胞因子的化學物質,這種化學物質可以刺激機體產生更強烈的免疫反應,但是幾天之後,T細胞就失去活性,身體就恢複到正常狀態。


June和Levine在90年代中期試圖通過體外培養T細胞的方法治療HIV。當時麵臨的第一個挑戰就是如何激活T細胞,理論上講,將T細胞暴露在同樣從患者體內取出的樹突狀細胞就可以實現激活。但是,樹突狀細胞的數量和質量在癌症或HIV患者體內差異很大,幾乎無可操作性。最終,他們使用塗抹兩種蛋白的微小磁粒來模擬並改善了這種刺激作用,這一方法目前成為被廣泛應用於體外培養T細胞的技術。


重塑T細胞

機體在增強自身免疫能力對抗惡性細胞時需要麵對兩個挑戰:第一,惡性細胞可能來源於自身細胞的畸變,而我們的免疫係統一般情況下不會對自身細胞進行攻擊,這就使得大部分來源於自身的惡性細胞得以逃逸。第二,惡性細胞會使用各種手段躲避免疫係統的擊殺,或者幹擾免疫係統正常運行。


為了避免自身健康細胞受T細胞攻擊,T細胞需要同時識別目標細胞表麵上兩個關鍵的分子才能進攻。第一個是一種蛋白複合物,MHC分子,由樹突狀細胞呈遞給T細胞的抗原。第二個是共同刺激性配體,提供T細胞進攻指令。若想T細胞進攻,二者缺一不可。因此,惡性細胞有兩種逃逸T細胞追殺的方法,阻止MHC產生,或呈遞使T細胞“關”的共同刺激性配體。


在洞悉激活T細胞的自然途徑之後,科學家們不禁自問,若T細胞可以從遺傳水平得到改造,使其可以識別惡性細胞表麵特有的信號,而無視是否有MHC? 若T細胞可以不再遵從其天生的“兩步”進攻過程而直接對腫瘤進攻?而這些問題的答案,在CAR-T技術成功問世之前是沒有人敢正麵回答的。


解決的答案,從基因水平武裝T細胞,通過安裝人造分子(CAR),一次性解決識別和激活的問題。事實上,單克隆抗體結合T細胞刺激蛋白似乎是一種不錯的選擇,通過設計一種類單抗的CAR,將其一部分暴露於T細胞外,用於結合腫瘤細胞的受體,另一部分植於T細胞內,用於在結合腫瘤細胞之後產生足夠的刺激。

 

 

此時,問題的核心變成如何讓T細胞產生所需的抗體激活分子(antibody-activator molecule),他們想到了使用HIV病毒(HIV病毒是一種專門入侵免疫係統的病毒,它可以將自身基因整合到T細胞的基因上),將HIV病毒上有害的部分替換為抗體激活嵌合體基因(antibody-activator chimera),然後用這種改造過的HIV病毒感染從患者體內提取的T細胞,就像特洛伊木馬一樣將必要的遺傳信息帶入T細胞內,並改造了T細胞,後代T細胞會在表麵表達CAR。


實踐檢驗

在90年代中期至2000年,June 和 Levine與他人合作不斷完善了HIV對T細胞的改造技術,為之後的CAR-T技術奠定了基礎。


之後,科學家們開始考慮應該把T細胞改造成什麽樣,改造之後的T細胞應該隻攻擊惡性細胞,而非健康細胞,但是惡性細胞都是由健康細胞演變而來的,他們幾乎擁有相同的抗原,這就使得T細胞很難區分二者。


白血病和淋巴腫瘤都是由B細胞惡性增殖造成的,這種腫瘤細胞表麵有種特殊的蛋白CD19,該蛋白僅在白血病和淋巴瘤腫瘤細胞表達,健康細胞不表達。這使得CD19成為了完美的靶點。


June 和 Levine首先在小鼠身上測試了理論的可行性,在得到肯定的結果後,於2010年初,他們挑選了3名其他治療方法無效的晚期CLL患者進行實驗。


第一個接受實驗的是William Ludwig,有近十年的白血病病史,在2010年8月接受了改造T細胞的注射,但是在注射10天之後,出現了一係列劇烈的不良作用,發燒,低血壓,呼吸困難。後來人們意識到這種不良作用是由於改造的T細胞產生過多細胞因子引起的。幸運的是William Ludwig最終還是挺了過來,一個月後,他的身體裏已經沒有白血病B細胞了,並且在6年間未出現複發的情況,其他兩名受試者身上也出現了這樣令人欣喜的結果。


經過這樣改造的T細胞究竟多有活力?後期研究顯示,改造的T細胞可以在患者的血液和骨髓中增殖。據估計,每個CAR-T細胞可以殺死1,000至93,000個腫瘤細胞。在初次注射一個月之後,將後代細胞從患者體內取出,發現這時候的T細胞依然可以在體外繼續殺傷惡性細胞。


之後,由於缺乏經費,當局認為這樣的實驗危險太高,項目不得不暫時擱置。June 和 Levine將已有臨床研究發表在國際頂尖雜誌上,並得到了重視。


之後通過各方努力,以及一些公司確實看到了這一技術的應用前景,June 和 Levine開始著手開始新的臨床試驗,在製藥企業諾華(Novartis)的幫助下,他們開始對兒童患者進行實驗,並最終於今年成功上市全球首款CAR-T治療方法,另外一家很可能獲FDA批準的是Kite。


目前,CAR-T療法所麵臨的主要挑戰:1) 不良反應很強,主要是細胞因子引起的一係列不良反應。2) 需要找到除了CD19之外的靶點,才能治療更多種類的腫瘤。雖然進展很緩慢,失敗,倒退都在所難免,但是誰又能說未來不是光明的呢?


1. Marcela V. Maus et al. in Annual Review of Immunology, Vol. 32, pages 189–225; 2014.

2. a.S. L. Maude et al. in New England Journal of Medicine, Vol. 371, No. 16, pages1507–1517; October 16, 2014.