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TCR療法治療實體瘤的機遇與挑戰

日期:2018-04-02 標簽:行業動態 來源:網絡

細胞受體(TCR)療法和嵌合抗原受體(CAR)T 細胞療法是利用患者自身的 T 淋巴細胞治療癌癥的兩類前沿基因療法。由于 CAR-T細胞療法進來取得的卓越成功,TCR療法的研究相對不那么引人關注。但是在治療實體瘤方面,TCR療法可能比CAR療法更有優勢?!鞍邢驅嶓w瘤來說,TCRs通往成功的道路可能比 CARs要更短一些,”Fred Hutchinson 癌癥研究中心的 Phil Greenberg博士說。近日,Nature Biotechnology專門撰文分析了TCR療法在治療實體瘤方面的機遇和挑戰。



TCR與CAR療法比較



TCR和CAR療法都對患者自身的T淋巴細胞在體外進行改造,然后將它們注回患者體內殺傷腫瘤的癌癥療法,但是它們識別抗原的機制截然不同。TCRs利用α和β肽鏈構成的異元二聚體(heterodimer)來識別由主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex,MHC)呈現在細胞表面的多肽片段。而 CARs則利用能夠與特定抗原結合的抗體片段來識別腫瘤細胞表面的抗原。因為 MHC分子能夠呈現從細胞表面和細胞內蛋白中獲得的肽鏈,TCRs與CARs相比,能夠靶向更多種抗原。

因為 MHC 分子能夠呈現從細胞表面和細胞內蛋白中獲得的肽鏈,TCRs 與 CARs 相比,能夠靶向更多種抗原。(圖片來源:Nature Biotechnology

理論上講,在治療實體瘤方面TCRs與CARs相比有著明顯的優勢。Adaptimmune公司的聯合創始人 Bent Jakobsen 博士表示,CAR-T細胞治療實體瘤方面的問題是因為它們的靶點抗原都是細胞表面蛋白。約翰·霍普金斯大學免疫學家Jonathan Schneck博士則認為,目前尚不知道是否存在對人類癌癥具有特異性的細胞表面蛋白,即便CAR-T細胞殺傷腫瘤細胞的功能卓越,如果沒有合適的靶點,治療也無法對實體瘤產生真正的影響。

而TCRs靶向的細胞內蛋白具備腫瘤特異性。這些抗原包括由于腫瘤DNA的隨機突變造成的新抗原(neoantigen)和所謂的癌睪丸抗原(cancer testis antigens)。這些抗原通常只在某些腫瘤和生殖系組織(germline tissue)中表達,而生殖系組織不會表達 MHC。

并且表達TCR的T細胞通常侵入腫瘤內部的能力會強于CARs,而CARs通常會附著在腫瘤的外層而不向內部滲透。這是因為CAR靶向的抗原可能在腫瘤表面有上千個拷貝,它們會在CARs滲透到腫瘤內部之前就將它們都吸收了。而 TCRs在最初碰到腫瘤時遇到的抗原可能少于50個拷貝,這讓CARs能夠進一步深入腫瘤內部與抗原結合,從而保證更均衡的藥物分布。



TCR 療法的起步和挑戰



TCR 療法的概念其實早于 CARs 產生。1986 年,在巴塞爾免疫研究所(Basel Institute for Immunology)工作的 Michael Steinmetz 博士第一次將一個T細胞的TCR基因轉移到另一個T細胞中,從而賦予第二個 T 細胞相同的抗原特異性。這是當今TCR基因療法的祖先。上世紀末,在美國國家癌癥研究所(National Cancer Institute,NCI)的 Steve Rosenberg 博士和 Phil Greenberg 博士率領的研究團隊證明可以通過分離特定 TCR賦予T細胞新的抗原特異性。2004 年,Rosenberg 博士的團隊啟動了第一個TCR基因療法的臨床試驗,接受治療的15名黑色素瘤患者中有兩位的腫瘤達到完全緩解。這些患者自身的 T 細胞在體外得到擴增,并且在細胞中表達了對 MART-1抗原具有特異性的 TCRs。

Steve Rosenberg 博士(圖片來源:By Rhoda Baer (Photographer) [Public domain], via Wikimedia Commons)

同時,克隆TCRs并且將它們整合到病毒載體中使它們在 T 細胞中有效表達的技術日漸完善。2008年以來,多個TCR生物技術公司開始出現。其中 Adaptimmune公司在2008年脫離MediGene成為獨立公司,Kite Pharma在 2009 年成立并且隨后與NCI達成研究協議。Juno Therapeutics 在 2013 年于西雅圖成立。已被Gilead收購的Kite公司和被Celgene 收購的Juno公司在開發 TCR 療法的同時也在開發 CAR 療法。目前至少有 16 個臨床試驗正在驗證 TCR 療法在治療實體瘤方面的療效。

目前至少有 16 個臨床試驗正在驗證 TCR 療法在治療實體瘤方面的療效。(圖片來源:Nature Biotechnology

但是在TCR療法的開發過程中也遭受過嚴重挫折。2011年,在NCI利用靶向癌睪丸抗原MAGE-A3的TCRs治療實體瘤臨床試驗中,前9位患者中有3位患者在接受治療后立即出現嚴重精神狀態變化,其中兩位很快昏迷并且去世。與此同時,賓夕法尼亞大學的 Carl June教授的團隊也在使用Adaptimmune公司開發的靶向 MAGE-A3 的TCRs,前兩位接受TCR療法的患者迅速出現心源性休克,在一周內去世。

Carl June 教授(圖片來源:University of Pennsylvania 官方網站)

后續研究表明NCI的MAGE-A3 TCR意外地能夠與在大腦中的相關多肽 MAGE-A12相結合。而 Adaptimmune 公司的TCR能夠與心臟中的肌聯蛋白(titin)相結合。肌聯蛋白被MHC呈現的多肽與MAGE-A3非常相似。

為了防止類似事件的發生,Adaptimmune 公司完全更新了篩查TCR特異性的系統,讓研究人員能夠確定在整個多肽組中TCR能夠與那些多肽結合。這會大幅度提高TCR的安全性。雖然安全性一直是人們關心的問題,但是在最近的臨床試驗中檢驗的TCR療法都表現出可以接受的安全性。



權衡利弊



目前對TCR療法來說最關鍵的問題是選擇哪種與腫瘤相關的抗原作為靶點。它們可以被分為3大類:過度表達的自身抗原,癌睪丸抗原和新抗原。每一種類別都有自己的優劣,而Juno,Adaptimmune和 Kite三家公司也選擇了不同的開發方向。

Juno公司選擇的是過度表達的自身抗原。該公司將使用靶向WT1的TCR治療急性淋巴細胞白血病,間皮瘤和肺癌,利用靶向間皮素(mesothelin)的TCR治療胰腺癌的臨床試驗將在今年開始。WT1和間皮素雖然在有些正常組織中表達,但是在很多腫瘤中高度表達。在某些情況下,TCRs可以在攻擊腫瘤細胞的同時對正常細胞沒有反應。因為有研究表明可以選擇或者改進TCRs,讓它們只識別在腫瘤表面高水平表達的抗原。表達這類TCRs的T細胞應該可以安全地殺死腫瘤細胞。這一策略如果成功,意味著可能有上千種腫瘤過度表達的蛋白成為靶點。

但是靶向這類抗原同時也存在著風險,例如,WT1在包括心臟在內的幾種關鍵組織中表達。間皮素在有些組織的間皮細胞中也有低水平的表達,其中包括氣管。所以這些療法有可能帶來對健康組織的毒性。

因為這個原因,Adaptimmune公司基本上避免靶向過度表達的自身抗原,選擇的是癌睪丸抗原,最初的靶點包括MAGE-A10、MAGE-A4、PRAME 和 NY-ESO-1。這些抗原的特點是它們在成人組織中幾乎不會被處理成為多肽鏈。癌睪丸抗原的劣勢一直是表達這些抗原的癌癥種類較少。因此在癌癥患者中篩選出適合這一療法的患者是一個非常昂貴和費時的過程。但是在特定的幾種腫瘤患者中,MAGE-A4和PRAME抗原的表達比例很高,因此在這些腫瘤種類中篩選患者是可行的。

例如NY-ESO-1在滑膜肉瘤中出現的幾率高達70%,因此Adaptimmune公司募集這些患者進行了一項臨床 1 / 2期試驗。在去年六月舉行的ASCO年會上該公司公布了其中一個患者群的試驗結果:60%的患者對TCR療法產生反應,其中一名患者達到完全緩解,預計平均總存活期可以達到159周。



新抗原:個體化醫療的可行性



Juno公司通過謹慎靶向自身抗原來治療常見癌癥,而Adaptimmune的TCR策略將療法安全性放在首位,與此同時,NCI的Rosenberg博士研究團隊以及Kite Pharma的合作伙伴則嘗試在保證安全性的同時,提高可治療患者數量。他們選擇的是個體化TCR療法的方向。為了達到這一目標,他們靶向的是腫瘤中出現的新抗原,這些抗原由于腫瘤細胞的DNA突變產生。它的優點是幾乎所有癌癥患者都會產生新抗原,而且這些新抗原都具備腫瘤特異性?!皦南⑹怯捎诿總€患者產生的新抗原都不同,這意味著療法需要對每個患者進行個體化的優化,生產工序將變得非常復雜?!盧osenberg博士說。

使用新抗原作為TCR的靶點首先需要發現這些新抗原,腫瘤細胞DNA上發生的突變只有少量能夠導致新抗原的產生,目前沒有很好的算法能夠從DNA序列的變化預測新抗原的產生。Rosenberg博士的團隊將攜帶患者腫瘤基因突變的 DNA序列表達在樹突狀細胞中,然后檢測哪些序列能夠產生被MHC呈現的含有突變的多肽鏈。同時檢測從患者身上收集的T淋巴細胞能否對呈現的多肽鏈產生反應。如果患者的淋巴細胞能夠產生反應,這意味著一個新抗原被發現了。研究人員可以收集患者的T淋巴細胞并且富集對新抗原有反應的淋巴細胞作為療法。

利用這種方法,Rosenberg博士的團隊成功在一名膽管癌復發的患者身上發現一種新抗原,將針對這種新抗原的T淋巴細胞進行富集并且注入患者體內導致患者在肺部和肝臟的轉移瘤縮小并且反應時間長達 2.5年。他的研究團隊已經在結腸癌、乳腺癌、膽管癌和宮頸癌患者身上獲得過成功。Rosenberg博士的團隊目前使用的是利用對新抗原反應性進行富集的T淋巴細胞,可以預見的是下一步研究人員將嘗試針對新抗原的TCRs。TCRs的優勢是它們可以通過人工設計產生非常高的親和力。

但是這種個體化的TCR療法工序能否推廣和擴大化是一個有爭議的話題。使用目前的制造工藝,整個產生個體化TCR療法的過程要花費大半年的時間,在這期間患者的癌癥將繼續惡化。目前限制這一療法的兩大阻礙是TCR克隆和病毒載體的構建和驗證。TCR克隆過程通常需要6~8周才能完成,而在良好生產規范狀態下構建病毒載體并且對它進行安全性檢測需要花費6個月的時間和大約25萬美元?!澳壳斑@種方法無法進行擴大化生產,”Greenberg博士說:“成本實在太高了?!倍彝ǔR粋€基因突變不會在所有腫瘤細胞中存在,于是你要對多個新抗原做同樣的事。腫瘤異質性對所有TCR 療法都是一個挑戰,但是靶向單個新抗原可能是一種事倍功半的做法。

Rosenberg博士的團隊在使用機器人系統力圖用最少的細胞篩選更多基因突變,從而加快TCR的克隆過程。在構建載體方面,病毒載體可能被睡美人轉座子(sleeping beauty transposon)系統或CRISPR-Cas9基因編輯系統取代。位于波士頓的Ziopharm公司的轉座子系統已經被證明可以將靶向新抗原的TCR成功轉移到T細胞中。這一系統已經在幾項臨床試驗中使用。轉座子載體的構建和擴增都在質粒DNA中完成,這將大幅度減少與病毒載體相關的花費和監管負擔。

雖然研究人員承認靶向新抗原的個體化TCR療法目前還不完善?!八€是太慢了,太貴了,”Rosenberg博士的長期合作者Nick Restifo博士說:“但是它正在變得更快和更便宜?!备嗟纳锕疽布哟髮@一領域的投入。位于麻省劍橋的 Neon Therapeutics公司最近與瑞士巴塞爾的CRISPR Therapeutics公司達成合作,共同開發基于新抗原的T細胞療法?!拔覐膩頉]有想過基于新抗原的TCR 療法能夠獲得商業成功,”June博士說:“但是它將會發生?!?/span>



打破腫瘤耐受的方法



擁有迅速并且廉價的靶向新抗原的TCR系統本身并不足以治愈大多數轉移性癌癥。因為這些腫瘤通常會制造一個免疫耐受的環境,讓針對腫瘤的T細胞無法被正常激活?!?/span>最終我們需要的不單是靶向單個新抗原,而是同時帶來更廣泛的免疫反應,”Jakobsen博士說:“這樣你才能打破對腫瘤的免疫耐受狀態。這是讓免疫系統重新獲得控制權的方法?!?/span>

目前的免疫療法很少能夠達到這一目標。現有的TCR療法在縮小腫瘤和啟動免疫反應方面能夠起到一些作用,但是關鍵是找到某些能夠激發對腫瘤的多克隆免疫反應的方法。將TCRs與免疫檢查點抑制劑聯合使用可以達到這一目標,但是如 PD-1阻斷劑一類的免疫檢查點抑制劑在攜帶高基因突變負擔的腫瘤中效果最好,在結直腸癌、乳腺癌、胰腺癌和前列腺癌中卻很少能夠起作用。

其它方法包括在TCRs中引入共受體(co-receptor)?!盎旧纤蠧ARs中做過的改進方法你都可以想像在TCRs中進行,”伊利諾伊大學免疫學家 David Kranz 博士說。另外一種方法是將TCR細胞療法與激活干擾素基因的激動劑一起使用。

而最明顯的激活多克隆腫瘤免疫反應的方法是通過CD4輔助性T細胞。CD4細胞能夠增強抗原呈現并且通過多種機制加強CD8效應T細胞的功能。比如CD4細胞可以分泌干擾素γ,它能夠導致一類和二類MHC分子的表達并且在樹突狀細胞中提高抗原呈現機制中其它成份的表達。Kranz博士認為在CD4細胞中使用TCR 將是下一個重要研究方向。

“這是產生更多CD8和CD4細胞,讓它們識別除了你靶向的抗原以外的其它抗原的最好刺激方法,”Jakobsen博士說。癌癥免疫學家認為這種抗原表位擴展(epitope spreading)的效應是消滅實體瘤的關鍵。



CARs和TCRs的未來



一種能夠同時幫助CARs和TCRs療法的技術是Cell Design Labs公司的合成 Notch 受體(SynNotch)技術。這種技術能夠在細胞中建立一個能夠感知組織特異性的 SynNotch。它相當于一個開關,讓表達在T細胞表面的TCRs或CARs 只有在特定組織中才會被激活。SynNotch能夠幫助CARs克服在治療實體瘤方面的最大挑戰,那就是沒有足夠特異性的腫瘤抗原。

June教授認為CAR和TCR療法最終都將對實體瘤產生作用。而且CARs和TCRs 應該合并成為組合療法,因為腫瘤對這兩種療法產生抗性的方法截然不同。腫瘤通過丟失MHC來逃避TCRs,而對CAR-T細胞的逃逸是通過丟失靶向抗原來完成。腫瘤細胞不太可能同時產生兩種抗性,因此CAR-TCR組合療法能夠消滅它們?!耙驗槿祟悓嶓w瘤的克隆復雜性,我認為只用一種細胞,一個CAR或者一個 TCR就能成功是不現實的,”June博士說:“一旦你認可了使用細胞療法來治療患者,那么生產一個同時包括CAR和TCR的產品的成本并不會增加多少?!?/span>

去年 9 月,葛蘭素史克(GSK)公司斥資6100萬美元從Adaptimmune公司買入了一個TCR基因療法項目。這個信號表明大量涌入CARs的投資也惠及TCRs。不過在TCRs領域的一個明確的臨床成功將對這一領域的投入產生很大幫助?!艾F在很多公司都在等待看到概念驗證上的成功才會跟進,”Greenberg博士說。不過那些在TCR領域孤獨地工作了數十年的核心科學家們終于很高興地看到,這項技術成為治療癌癥的主流之一并且將經歷爆炸式發展。

參考文獻:

1.Driving T-cell immunotherapy to solid tumors

來源:藥明康德

原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/9zvvu3H-DkGBTqWXnF2TYA


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