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CART细胞疗法治疗什么病

2023-10-18 22:39:15550

  CART细胞疗法治疗什么病

  在过去的十多年里,CART细胞疗法已经改变了肿瘤学领域,治疗了以前无法治愈的血液类癌症。尽管CART疗法因其在癌症中的成功而声名鹊起,但这种治疗原理可以追溯到近30年前——使用T细胞治疗艾滋病。虽然这些最初的尝试在治疗艾滋病方面没有获得成功,但证明了工程T细胞在免疫功能低下患者中的长期持久性。

  2010年,宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的 Carl June 教授率先将CART细胞疗法推进到人体临床试验,并成功“治愈”了多名白血病患者,他也因此被誉为“CART之父”。2017年,FDA首次批准了CART疗法上市,如今,已有6款CART疗法获得FDA批准用于治疗白血病和淋巴瘤等血液类癌症。CART疗法的成功应用,让许多在等待骨髓配型中绝望的人重新燃起了希望,也标志着细胞治疗时代的到来。

  CART疗法,即嵌合抗原受体T细胞免疫疗法,简单来说,就是把病人的免疫T细胞在体外通过生物工程改造,使其识别肿瘤细胞表面的抗原,然后把这些细胞输回病人体内,达到识别、杀死癌细胞的效果。科学家们也一直在努力将CART疗法应用于血液类癌症以外的其他癌症类型。

  此外,来自临床和临床前的研究显示,CART疗法除了用于治疗癌症,在自身免疫疾病、慢性感染、心脏病、衰老相关疾病等领域同样充满潜力。

  近日,Carl June 教授等在 Nature 发表了题为:CAR T therapy beyond cancer: the evolution of a living drug 的文章。

  这篇文章回顾了CART疗法背后的基本原理,肿瘤学目前面临的挑战,在非癌症疾病中的初步研究结果,以及相关新兴技术的讨论,还强调了对CART疗法的特异性和安全性的关注,并概述了CART疗法超越癌症的未来之路。

  自然杂志报道CART细胞疗法

  近年来,科学家们一直在努力将CART疗法应用于除血液类癌症以外的癌症类型,例如各种实体瘤。而一些早期研究结果显示,CART疗法的下一个进展可能是在癌症以外的领域,CART疗法可能在自身免疫病(系统性红斑狼疮、寻常型天疱疮、多发性硬化、多发性硬化症、1型糖尿病、哮喘)、纤维化疾病(心脏、肝脏、肺以及肾脏纤维化)、衰老相关疾病(肝脏纤维化、实体瘤、动脉粥样硬化、自然衰老)、感染性疾病(艾滋病、乙肝、丙肝、肺结核)等领域有着广泛应用潜力。

  CART疗法的潜在治疗领域

  CART疗法的潜在治疗领域

  CART细胞治疗

  CART疗法的基本原理是将T细胞的杀伤效力与抗体的特异性结合起来,从而实现精确地杀死患病细胞。单链可变片段(ScFv)赋予特异性,而细胞内信号域激活T细胞介导的细胞毒性。第一代CAR结构由CD4细胞外结构域与CD3ζ信号结构域结合组成,但这些结构缺乏效力,这推动了包括CD28或4-1BB等共刺激结构域的第二代CAR的发展,这提高了其效应功能和持久性,目前这些CART细胞已被美国FDA批准用于治疗白血病和淋巴瘤等血液类癌症。对这些受体进行微调导致新一代的CAR消除抑制结构域,引入显性负受体或突变共刺激结构域以提高疗效。

  CART细胞的工程化设计

  CART细胞的工程化设计

  CART细胞在传统的癌症治疗药物或方法失败的情况下的成功,表明了细胞和基因治疗是癌症治疗的新支柱。与传统药物/疗法相比,CART细胞具有许多独有的特征。CAR的内在特异性是目前小分子药物所无法比拟的。CART细胞依靠T细胞的细胞毒性,利用这种高效的内源性途径。作为一类活细胞药物,它的额外好处是,即使单个CART细胞也可以呈指数增长,从而杀死数百甚至数千个靶细胞。当靶细胞被清除后(抗原不再存在),CART细胞仍可以存在并持续巡逻超过十年时间,从而防止疾病复发。而且,大量临床数据证实了CART细胞的可行性,目前全世界已有超过1.5万人接受了CART治疗,还没有看到任何患者中发生自体CART细胞转化为恶性细胞。

  因此,利用CART细胞的特异性、效力和临床安全性来治疗其他疾病,具有令人信服的可能性。

  CART疗法面临的挑战

  尽管CART疗法在血液类癌症中的临床疗效显著,但也可能会出现严重的临床并发症。短时间内高水平的CART细胞扩增和靶细胞杀伤可导致细胞因子释放综合征(CRS),也就是所谓的细胞因子风暴。在严重的CRS病例中,患者可能会出现高烧、低血压甚至多器官衰竭。另一个主要障碍是on-target、off tumour毒性,也就是CART细胞靶向了肿瘤细胞以外的健康组织/细胞的目标抗原,当目标抗原存在于重要组织时,这可能导致严重的毒性甚至死亡。此外,为了促进工程化CART细胞的植入和扩增,在给患者输注之前要通过放化疗进行了清髓处理,这一过程本身具有基因毒性,可能会增加患癌症和其他疾病的风险。

  除了上述潜在副作用和安全性风险之外,自体CART细胞的制造是一项新兴技术,设计和生产CARTT细胞并用于治疗的成本很高。目前FDA已批准的CART疗法的治疗费用在数十万美元,因此,CART疗法还面临着巨大的经济障碍。与高成本相关的是CART疗法相对难以获得,因为这种高度定制化的活细胞药物需要专门的设备和专业知识,因此只有少数高水平的医疗中心才能进行CART治疗。

  总的来说,这些挑战意味着许多可能是CART疗法的最佳候选者的患者目前无法获得治疗。

  CART细胞疗法治疗实体瘤的应用

  实体瘤是最普遍的癌症,在癌症中占比超过90%,也是最大的未得到满足的医疗需求。因此,靶向实体瘤的CART细胞获得了大量的科学和临床关注。但迄今为止,实体瘤的CART临床试验结果在很大程度上是令人失望的。

  实体瘤对CART疗法提出了独特的挑战。与B细胞恶性肿瘤普遍存在肿瘤特异性抗原相反,实体瘤是高度异质性的,极少存在肿瘤特异性抗原。因此,在实体瘤的CART治疗中,通常将肿瘤中过度表达的抗原作为靶标,然而,这些抗原通常在健康组织中有着不可忽略的低水平表达,从而导致治疗相关毒性作用。

  此外,实体瘤的肿瘤微环境(TME)也是一大挑战,其包括抵抗CART细胞运输和浸润的物理屏障,以及抑制CART细胞活性的免疫抑制环境。为了克服运输和渗透的障碍,研究人员正在探索肿瘤内注射CART细胞、使用多肽和纳米颗粒疫苗增强CART细胞数量,以及设计细胞因子驱动的CART细胞扩增。针对TME的方法包括使用溶瘤病毒来调节TME的免疫抑制性质,以及使用CRISPR-Cas9和其他基因组编辑方法在体外强化CART细胞等。

  创新型平台-不断扩大的治疗领域

  CART疗法的临床成功激发了人们对其在癌症领域之外的想象力。理论上,CART细胞将在以下情况下发挥作用:消除特定的细胞群具有治疗效果;这些细胞群可以被特异性靶向。

  这两个前提虽然简单,但却是许多疾病的限制障碍。B细胞和浆细胞恶性肿瘤表明,这种方式是可能的,但确定其他癌症的靶向抗原已被证明是非常困难的。最近新的临床和临床前研究显示,CART细胞可用于治疗自身免疫疾病、慢性感染、心力衰竭和其他慢性疾病。

  CART细胞在实体瘤中面临的许多挑战,在非癌性环境中并不那么明显。例如,肿瘤细胞负荷通常很大,需要大量CART细胞输注,这与高水平的细胞毒性、细胞因子风暴风险增加以及由于CART细胞运输的可能性增加而导致的on-target、off tumour毒性相关。相比之下,非癌症疾病的靶细胞数量明显较低,此外,在癌症中,需要100%清除肿瘤细胞以防止复发,而在其他疾病中,部分清除病理细胞就具有治疗效果。癌细胞经常携带高突变负担,驱动基因组异质性,导致抗原逃逸,相比之下,大多数慢性疾病的突变负荷和遗传异质性相对较低。肿瘤微环境(TME)对是CART细胞来说是一个实质性物理屏障,而大多数非癌性病变组织容易被CART细胞接近和进入。而且,TME的免疫抑制环境在大多数慢性疾病中也不存在。

  工程化免疫细胞帮助清除病例细胞是可行的,而且很可能与内源性免疫系统发挥协同作用,因此,使用CART细胞治疗癌症以外的疾病的想法是令人信服的。

  CART细胞疗法治疗癌症以外的其他疾病的优势

  与癌症相比,CART疗法在其他类型的疾病中更具优势

  自身免疫疾病和炎症性疾病

  自体免疫疾病的CART疗法已经显示出临床疗效。

  2021年8月,《新英格兰医学杂志》(NEJM)上发表的一项研究显示【2】。一名患有难治性系统性红斑狼疮的20岁女性患者在接受CART细胞治疗后,病情很快得到缓解,且没有明显副作用。

  2022年9月,该团队在 Nature Medicine 期刊发表论文【3】。报告了5名难治性系统性红斑狼疮患者(4名女性和1名男性,平均年龄22岁)经CART细胞治疗后,所有患者病情得到改善,在长达17个月的随访中未出现复发,并且均实现了无药物缓解。

  2023年2月,该团队在《柳叶刀》(The Lancet)发表论文【4】,该团队使用CART细胞疗法成功治疗了一位患有严重的自身免疫疾病——抗合成酶抗体综合征(Anti-synthetase Syndrome)的男性患者,在CART细胞治疗后6个月,该患者从自身免疫疾病中完全康复了,而且无需使用免疫抑制药物。这是世界首个使用CART细胞疗法成功治疗的抗合成酶抗体综合征患者,也是继系统性红斑狼疮后,第二种被CART成功治疗的自身免疫疾病。

  2023年6月,《柳叶刀·神经病学》(The Lancet Neurology)发表的一项1b/2a期临床试验结果显示【5】,基于mRNA的CART细胞疗法提供了更持久地减轻了自身免疫疾病重症肌无力症状的潜力,并且耐受性良好,患者没有出现明显不良反应。

  还有一些临床前研究显示CART疗法在治疗哮喘、1型糖尿病等自身免疫疾病中具有潜在疗效。此外,还可以通过将调节性T细胞(Treg)重新定位到感兴趣的靶组织以消除炎症细胞。Treg细胞没有细胞毒性,而是提供旁分泌信号来抑制炎症和自身免疫反应。Treg细胞的过继转移在系统性红斑狼疮、移植物抗宿主病(GvHD)、同种异体移植物移植、1型糖尿病和多发性硬化症的小鼠模型中显示出潜力。构建CARTreg细胞可以提高其特异性,降低系统性免疫抑制的风险。

  心脏疾病

  心脏损伤或炎症会导致成纤维细胞过度产生纤维物质,这些纤维物质会使心肌硬化,损伤心脏功能,也就是所谓的心肌纤维化。心肌纤维化会导致许多严重疾病,包括心力衰竭、肝病和肾衰竭等等。

  2022年1月,宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员在 Science 期刊发表论文【6】,该研究开发了一种在体内生成的瞬时工程化CART细胞疗法,通过注射脂质纳米颗粒(LNP)递送的mRNA,重编程T细胞,使其识别心肌纤维化细胞,进而减少纤维化,恢复心力衰竭小鼠模型的心脏功能。

  该方法类似于mRNA疫苗,仅需一次注射,就能在体内生成CART细胞疗法,有望解决目前CART疗法工艺复杂、周期长、价格高昂的难题。

  CART细胞疗法治疗心脏疾病的报道

  该论文作者阵容强大,包括宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的 Jonathan Epstein、mRNA技术奠基人之一的 Drew Weissman,以及CART之父 Carl June。

  值得一提的是,2022年9月,上述研究团队创立了生物技术公司——Capstan Therapeutics。该公司获得了来自辉瑞、拜耳、诺华、礼来和BMS五大制药公司的1.65亿美元融资。该公司利用靶向LNP和mRNA技术,开发体内原位CAR疗法,目标是治疗癌症、纤维化疾病、自身免疫疾病以及血液类遗传病。

  衰老相关疾病

  多种应激源可导致细胞经历不可逆转的增殖停滞,称为细胞衰老(cellular senescence)。在这种状态下,细胞仍保持代谢活性并分泌一系列促炎和蛋白水解分子,称为衰老相关分泌表型(SASP)。遗传学和药理学研究表明,特异性清除这些衰老细胞,在各种慢性疾病模型中是有益的。一些小分子药物显示出优先靶向清除衰老细胞的潜力,但它们在效果、特异性和副作用方面仍然不够理想。由于其固有的特异性和效力,CART细胞被认为是特异性清除衰老细胞的有吸引力的替代方案。

  然而,识别衰老抗原并不容易,因为衰老细胞是出了名的高度异质性。值得一提的是,最近有研究显示,GPNMB是内皮细胞的一个衰老抗原,开发靶向GPNMB的抗体,并将其作为疫苗,能够改善小鼠衰老相关症状,还能延长其寿命,尤其是雄性小鼠【7】。因此,GPNMB可能是一个合适的治疗衰老及衰老相关疾病的CART疗法的潜在靶点。

  此前的研究表明,抗衰老药物Senolytic可以增加小鼠的肌肉力量、健康和寿命,而Senolytic CART细胞可能也有类似效果。衰老对多种病理的贡献表明,Senolytic CART细胞可能对多种疾病具有广泛适用性。

  其他疾病

  CART细胞的首次临床试验就是用于治疗艾滋病(2000年),但当时并未取得成功,而最近CART疗法在癌症中的成功再次唤起了人们对CART细胞治疗艾滋病的兴趣。除此之外,临床前研究显示,CART在侵袭性肺曲霉病、乙肝、丙肝以及肺结核等传染性疾病中具有治疗潜力。

  急性移植物抗宿主病(GvHD)是造血干细胞移植中可能出现的致命副作用。而靶向OX40(一种在急性GvHD中致病性T细胞中上调的蛋白)的工程化CART细胞能够保护小鼠免受急性GvHD,且同时防止白血病复发。

  这些CART疗法在不同领域的众多早期案例使人们乐观地认为,CART疗法将会超越肿瘤学。

  新兴技术

  CART疗法正在迅速发展并不断融合新兴技术。在首次CART治疗癌症的临床试验后不久CRISPR基因编辑技术诞生,其强大的基因组编辑能力提高了基因工程T细胞的效力和持久性。基于CRISPR的CART细胞疗法已经进入临床试验,目前正在评估其安全性和有效性。最近开发的新型基因编辑技术,例如碱基编辑和先导编辑,能够在不产生DNA双链断裂的情景下对CART细胞进行基因编辑,具有更高的临床安全性。

  合成生物学的发展带来的合成细胞电路为CART疗法提供了新的思路,这些工程策略可以提高CART细胞的效力、降低毒性或实现对CAR的表达的可控调节。这些策略仍在微调中,但其在CART疗法中具有巨大潜力。

  除了T细胞以外,其他免疫细胞也获得许多关注,例如自然杀伤细胞、巨噬细胞、树突状细胞、B细胞,以及γδ T细胞,对它们进行工程化CAR改造,已显示出临床前治疗潜力,而且可能具有降低GvHD和细胞因子风暴的潜在优势。

  靶向性mRNA递送

  mRNA疫苗在抗击新冠疫情中显示出了令人瞩目的效果。虽然目前FDA批准的mRNA疫苗是非靶向性的,但目前已有多个临床试验在使用靶向性脂质纳米颗粒(tLNP)特异性地将mRNA递送到特定细胞,这是通过将靶向抗体偶联到LNP表面来实现的。

  目前已有多个研究团队实现了将修饰的CAR mRNA递送到T细胞。前文介绍了 Science 发表的一项研究【6】,使用tLNP封装FAP-CAR-mRNA,通过静脉注射将其递送到小鼠T细胞,从而重编程T细胞,使其识别心肌纤维化细胞,进而减少纤维化,恢复心力衰竭小鼠模型的心脏功能。因此,单次注射LNP封装的mRNA可以在体内产生功能性和治疗性水平的CART细胞。

  与目前临床上使用的体外改造CART细胞的方法相比,tLNP介导的CAR-mRNA递送具有明显优势,这种体内直接生成CART细胞的方法将大大降低生产成本,并可实现快速生产和部署。此外,体内生成CART细胞无需提前进行清髓处理,从而具有更好的安全性。基于mRNA的方法的另一个潜在优势是T细胞的CAR表达是短暂性的,随着递送进去的mRNA的降解,CAR表达会随之消失。对于癌症而言,CART细胞的持久存在是一个优势,但在其他类型的疾病中,持久性反而可能成为一个不利因素,例如,在心脏纤维化的治疗中,一次性消除部分纤维化心肌细胞就足以改善心脏功能,而长期抑制纤维化则会影响伤口修复等正常生理功能。

  体外CAR-T疗法和体内CAR-T疗法的比较

  体外CART疗法和体内CART疗法的比较

  其他技术平台

  目前有许多研究团队正在尝试开发通用现货性CART疗法(同种异体CART疗法),这些疗法依然依赖于体外工程化改造,但不使用患者自体T细胞,而是使用从健康供体或iPSC来源的细胞。在癌症治疗中使用同种异体CART细胞具有巨大吸引力,能够大幅降低成本、简化生产流程、扩大患者治疗范围,目前已进入临床试验阶段。

  尽管同种异体CART细胞有潜在优势,但其需要对T细胞进行基因编辑改造以防止GvHD和同种异体CART细胞的排斥反应。尽管同种异体CART细胞的临床应用尚处于早期阶段,但与自体CART细胞相比,其持续时间较短。这可能是由于宿主细胞的抵抗,也可能由于基因编辑改造导致这些T细胞具有内在缺陷。这些T细胞持久性的减弱可能对于那些不需要持久靶向的疾病具有吸引力。此外,这种设计基因编辑改造的CART细胞的安全性值得额外关注。

  CART的未来之路

  人们对CART疗法感兴趣的一个主要原因是它在白血病、淋巴瘤和骨髓瘤中的临床成功。其在癌症领域之外的大部分工作都处于发展的早期阶段。随着基础工作的开展,将临床注意事项纳入前期工作是至关重要的。

  发现抗原

  设计CART疗法的一个关键瓶颈是确定可靶向的抗原。目前的方法包括对转录组学和其他组学的分析。在选择靶标时,一个重要的考虑因素是正常组织上的抗原表达水平。在瞬时CART细胞和合成基因电路结合的CART细胞中,这可能会不那么严格。以无偏畸和高通量的方式识别感兴趣疾病中的抗原的方法将对临床管线的开发具有重大影响。

  安全注意事项

  细胞因子释放综合征(CRS)。CRS是CART治疗中最值得关注的临床毒性之一。临床应用前应仔细检查CRS样症状是否出现在新的疾病应用中。CART治疗系统性红斑狼疮的早期临床试验表明,在非癌症疾病中,靶细胞负荷相对较低,CRS可能较轻,但还需要在更大规模的临床试验中进行进一步评估。在心脏衰竭的临床前CART治疗中,小鼠没有出现血清细胞因子增加,体重没有变化,伤口愈合也没有延迟。但在人类中,较高水平的纤维化的清除可能产生CRS样症状。

  清除生理细胞。消除健康细胞亚群,例如系统性红斑狼疮患者的B细胞,具有治疗疾病的效果。然而,清除这些细胞的长期效果尚不清楚。系统性红斑狼疮的初步临床结果表明,这种清除可能只是暂时的。随着这些试验的扩大,我们将了解是否存在长期并发症。尽管慢性纤维化是病理性的,但是否存在消除活化成纤维细胞产生负面影响的情况仍有待观察。衰老细胞在发育、伤口愈合和再生中发挥着重要生理作用,应评估senolytic CART细胞对生理过程的影响,并优先选择靶向病理性衰老细胞的抗原。从这个角度来看,瞬时CART细胞特别具有吸引力,因为它不会产生这些潜在的长期安全性风险。

  关键性问题

  在癌症以外的CART细胞治疗领域仍有许多问题未被探索,在未来几年回答这些问题将是至关重要的。CART细胞的治疗指数仍然是一个重要的研究领域,因为输注剂量是管理安全性问题的重要方法,特别是mRNA CART细胞。在急性和慢性疾病的情况下,还应仔细检查权衡瞬时CART疗法,这些疾病的最佳给药时间是未知的,并且可能根据每种疾病的发病机制而变化。应该确定是否存在一个不可逆转的时间点,在这个时间点后继续治疗可能不再有帮助,甚至可能有害。对于具有再生能力的组织,应确定清除病理细胞是否能使健康组织恢复活力。CART细胞在非癌组织中的运输也应该被进一步研究。局部递送CART细胞可能会产生更好的结果并减少潜在毒性。随着该领域的发展,阐明CAR的内在和外在变量将是至关重要的。

  前进的道路

  在不断创新开发CART细胞新平台的同时,研究人员在优化体外CART细胞生产过程方面已经进行了许多努力。重要的考虑因素包括缩短细胞扩增时间、减少体外耗竭、调节CART细胞体外代谢,并确保扩增的CART细胞保留干细胞样特性。由于这是一种活细胞药物,生产过程对其疗效至关重要。

  对于上述情况,以及更多未考虑到的情况,CART疗法可能会有应用。由于鉴定抗原和构建CAR是复杂且资源密集的,因此首先在动物模型中使用遗传策略可能是有用的,例如小鼠的OVA/OT-1系统,以提供在新环境中功能益处的概念证明。在治疗验证后,可以进行靶标特异性抗原的搜索。CART细胞的设计应充分考虑细胞外和细胞内信号域,因为它们在疗效中都起着重要作用。这些细胞产品应按照FDA的要求在小型和大型动物模型中进行安全性和有效性测试。一旦积累了足够证据,就可以通过0期或1期临床试验就确定安全性,这是CART细胞在癌症中形成的一条途径。0期试验是测试小剂量CART细胞注射到病变组织中,可能是确定CART细胞是否具有预期药理作用的有力方法。

  随着越来越多的CART细胞产品用于治疗实体瘤,以及长期随访数据变得丰富,在这十年中,我们将了解到很多东西。就像治疗血液类癌症的CART疗法的发展为实体瘤的应用铺平了道路一样,CART在癌症领域进步将为指导癌症以外的转化应用提供关键见解。增强CART细胞治疗癌症的研究正在如火如荼地进行中,它们具有明显的跨学科特征。此外,CART细胞在癌症中的开发、工程和临床部署方面的许多创新将与多种非恶性疾病直接相关。

  结论

  尽管CART疗法最初是针对艾滋病开发的,但由于其在血液类癌症中的成功而获得了广泛关注。如今,CART疗法有望治疗更广泛的疾病。CAR的设计和递送方面的新兴技术扩大了这一潜力。其理论应用广泛,平台功能强大。CART疗法有望治疗自身免疫、慢性感染、纤维化和衰老,并可能促进健康衰老。

  这种活细胞药物的巨大潜力,才刚刚拉开序幕。

  论文链接:

  1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06243-w

  2. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2107725

  3. https://www.nature.com/articles/s41591-022-02017-5

  4. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(23)00023-5

  5. https://doi.org/10.1016/S1474-4422(23)00194-1

  6. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0594

  7. https://www.nature.com/articles/s43587-021-00151-2

  内容来源:生物世界

  编译|王聪

  编辑|王多鱼

  排版|水成文

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