专栏名称: 知识分子

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不完美的CAR-T疗法，我们该如何改进？

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2024-12-06 08:48

正文

12.6

知识分子

The Intellectual

首都医学科学创新中心资深研究员

首都医科大学公共卫生学院教授

撰文 | 王立铭

导读

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我是王立铭。从2019年3月开始，我每个月六号都会发布一篇《巡山报告》专栏，重点讨论近期生物医学领域的重要进展。2024年12月6日，第七十期《巡山报告》又和你见面了。

本期报告的主题又聚焦到了我们最关心的话题之一——癌症治疗。

每年都有无数人因为癌症失去生命，几乎每个家庭都和它有过或远或近的交集。人人都希望有一种方法，能够精准又高效地打败癌症。而我们今天要聊的主角——大名鼎鼎的CAR-T疗法，正是这样一个让人充满希望的突破性技术。

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所谓CAR-T，全称叫做嵌合抗原受体-T细胞（Chimeric Antigen Receptor T-cell），是一类利用免疫细胞的杀伤作用治疗癌症的药物［1］。这种药物的设想可以追溯到上个世纪八十年代。在那个时候，人们已经意识到，肿瘤的出现依赖于两个重要的推手：向内，肿瘤细胞获得了特定的基因变异，让它们获得了无限增殖的能力；对外，肿瘤细胞也同样利用特定的基因变异，逃逸了人体免疫系统的追踪和杀伤。既然如此，如果能够改造和激活人体免疫系统，让它们能够重新识别和杀伤肿瘤细胞，应该能治疗肿瘤。CAR-T的设计思路是，从人体中提取特殊的一类免疫细胞，T淋巴细胞，然后在细胞膜上插入一个人工设计的蛋白，也就是CAR。CAR的设计思路是，它朝向细胞外的一侧是一个能够直接结合特定肿瘤表面蛋白的受体，朝向细胞内的一侧则是一个能够激活T细胞杀伤作用的蛋白片段。之后再把大量经过改造的T细胞回输到患者体内。这样一来，这些经过改造的T细胞就能在体内精确识别肿瘤细胞并启动杀伤，起到治疗癌症的作用。

在过去30年间，CAR-T疗法经过了几代技术升级，在某些肿瘤中取得了相当惊人治疗效果。其中有一位名闻全世界的患者Emily Whitehead［2］。2010年，年仅5岁的小女孩Emily不幸患上了急性淋巴细胞白血病（Acute Lymphoblastic Leukemia），这是一种由体内B淋巴细胞癌变导致的血液肿瘤。走投无路之下，Emily在美国费城儿童医院接受了尚在试验阶段的CAR-T疗法，医生们设计了一种针对CD19蛋白质的CAR-T药物，这种蛋白质在所有B细胞表面都有。这样一来，这种药物就能识别和杀伤所有的B淋巴细胞——当然包括其中已经癌变的那些B细胞。在接受治疗后，Emily的白血病得到了彻底治愈，她也因此成为了全世界第一个被CAR-T疗法治愈的儿童癌症患者，此后的每年，她都会拍摄一张纪念自己又一年远离癌症的照片，鼓励全球和癌症斗争的人们。2017年，美国药监局批准了两款类似的CAR-T药物上市，分别是诺华公司开发的Kymriah和Kite公司开发的Yescarta［3］。而到了2023年，高中毕业的Emily正式进入宾州大学读书——这里正是CAR-T疗法最初的发明地。

当然，和所有革命性发明一样，CAR-T药物并不完美，至今也仍然在持续优化的道路上。这些优化集中在这样几个方向上：是否可能用CAR-T治疗更多肿瘤类型，特别是肺癌肝癌这样的实体肿瘤？和血液癌症不同，实体肿瘤有更复杂的三维结构和局部微环境，CAR-T细胞如何进入肿瘤并持续发挥作用是个很有技术挑战的问题。还有，是否能够制备通用型的CAR-T细胞药物，让一批药物能治疗不同的肿瘤患者？目前CAR-T药物的制备非常繁琐昂贵，需要从患者体内抽取细胞进行体外处理再回输，而来自其他人的免疫细胞未经改造显然不能直接使用，否则会引发强烈的免疫排斥。还有，CAR-T细胞有极强的攻击性，往往会引起严重的免疫反应，如何管控副作用也是研发的重点之一。［4］

CAR-T药物优化中需要解决的另一个大问题：如何提高药物作用的持久性，减少肿瘤复发。

Emily Whitehead的例子非常鼓舞人心，她在接受治疗后白血病彻底消失，至今没有任何复发迹象。但在更广泛的临床应用中，人们也发现CAR-T疗法虽然往往短期效果很好，但在治疗后半年到1年时间内，会有大约50%的患者复发。具体到急性淋巴细胞白血病来说，复发的原因大致可以归结于两点：第一，肿瘤细胞发生了基因变异，丢失了细胞表面的CD19蛋白，让CAR-T细胞无从识别，从而实现了免疫逃逸［5］；第二，CAR-T细胞的功能和活动被抑制，失去了攻击肿瘤细胞的能力。［6］

前者要解决需要开发新的CAR-T药物——CD19失效，那就换一个肿瘤细胞特有的其他蛋白作为靶点开发药物。而后者的可能因素就很多了，比如一个广为人知的现象是，肿瘤及周边微环境能够通过各种手段抑制免疫细胞的功能，为免疫系统踩刹车。这也是PD-1/PD-L1类型的肿瘤免疫药物的开发依据。这类药物能够解除肿瘤对免疫系统的刹车，恢复免疫系统对肿瘤的杀伤。［7］

而这次我们要介绍的研究，则探索了另一个可能的方向：也许CAR-T药物在一开始被制备出来的时候，就有可能质量参差不齐，从而影响了治疗效果。

这个说法听起来有点怪异，但细想却有合理性。和常规的小分子、大分子药物不同，CAR-T药物本质上是一群从不同患者体内提取的、在体外基因改造和扩增的活细胞。患者身体状态和癌症状态不同，T细胞数量和质量差异，体外培养过程中的操作差异，都有可能让它们在重新进入人体后表现出不同的行为。

在2022年，有研究者就研究了12位患有急性淋巴细胞白血病、并接受了CAR-T细胞疗法的患者［8］。他们收集了一部分从患者体内提取、已经完成体外制备、但还没有输回患者体内的CAR-T细胞，进行了超过10万次单细胞RNA测序。这12位患者可以大致分为三类：2位患者一开始就对CAR-T没有反应；5位患者一开始效果很好，但在1年内陆续复发；另外5位患者药效能长期持续，超过4年还没有复发迹象。

测序结果提示了几个很有趣的现象。首先，这些细胞当中那些直接负责杀伤作用的部分（CSF2+ T cell），数量上看在三类患者中没有明显的数量区别，而且在体外实验中也都能对肿瘤抗原（也就是CD19）有明显的反应。但之后，研究者们又对这些CAR-T细胞进行了进一步的功能细分，他们发现，其中2型免疫细胞的比例区别很大，在长期治愈的患者类别，2型免疫细胞占比超过10%，而在无效或者快速复发的患者中，这个比例只有3-5%；而且这类细胞对应的基因表达活动也很低。也就是说，可能是因为2型免疫细胞在CAR-T药物中的缺席，导致了不太理想的治疗效果。

当然这里我们引入了一个新的概念：2型免疫系统。在这做一个非常简略的解释。这是1980年代首先提出的一个概念，人们发现免疫细胞可以根据其分泌的蛋白进行区分。1型免疫细胞主要分泌gamma干扰素（IFNG），而2型免疫细胞主要分泌白介素4（IL4），两类免疫细胞的功能虽然都是抵抗内外入侵者，但作用场景却不太一样。1型免疫细胞主要激活细胞免疫，在清除细胞内病原体等过程起作用，过度激活会引起自身免疫病——也就是对人体自身细胞的过度攻击；而2型免疫细胞主要激活体液免疫，在清除细胞外寄生虫中起作用，过度激活会导致过敏——也就是对外来物质的过度敏感。［9］

从这个粗糙分类你应该能感觉到，和杀伤肿瘤直接相关的应该是1型免疫反应，肿瘤细胞也可以看成是一种自身出现毛病的细胞。甚至在传统观点里，人们认为1/2型免疫反应其实是跷跷板一样相互遏制的，2型免疫反应会压制1型免疫反应。例如在某些临床操作中，医生甚至会引入寄生虫，激活2型免疫反应，来治疗严重的自身免疫病［10］。既然如此，我们就很难想象，难道缺少2型免疫细胞，居然会影响CAR-T治疗肿瘤的作用？

到了2024年9月，两篇同时发表在《自然》杂志的论文，对这个问题进行了进一步的探讨和验证，从中找到了一条更好的制备CAR-T药物，提高其治疗效果的办法。

研究者们首先对来自82个急性淋巴细胞白血病患者使用的CAR-T药物进行了超过100万次单细胞RNA测序，得到了和刚提到的研究基本相似的结论：在CAR-T疗法持久起效的患者类别中，2型免疫细胞的比例显著更大，相关的基因表达活动显著更强［11］。

接下来，研究者们自然希望搞清楚这多出来的一群2型免疫细胞是怎么促进CAR-T起效的。他们发现，这群2型免疫细胞应该能直接影响另一群免疫细胞的功能。这背后的道理倒不难理解：这群2型免疫细胞主要是通过分泌一些蛋白质分子起作用的，例如白介素4等等；那么显然，携带这些蛋白质受体的免疫细胞，会直接被其影响。而这群被影响的免疫细胞，看起来恰好属于那些免疫功能被过度激活、无法继续释放细胞因子和扩增繁殖、细胞死亡被上调，不能杀伤肿瘤的类别。

这样一来，一个直接的解释就浮出了水面：CAR-T细胞药物本身来自患者体内，其源头就是多种T细胞的混合物。也许，这其中本来就有一群免疫细胞的功能实际上已经是处于衰竭状态、无法持久发挥治疗效果的。而如果这剂药物中恰好存在比较多的2型免疫细胞，它们就能挽救这些衰竭细胞的功能，从而实现持久的治疗。反过来，如果恰好2型免疫细胞数量少，那这一剂药物的效果就会大打折扣，输入患者要么压根没有作用，要么肿瘤很快就会复发。

如果这个解释成立，一个直接的应用方案就呼之欲出了：如果CAR-T细胞中的2型免疫细胞比例更大、更活跃，也许其治疗效果也更好。

研究者们用两个方式证明了这个方法的可行性。

他们首先证明了，在那些CAR-T细胞疗法持久有效的患者体内，即便在治疗完成几年之后，他们体内尚存的CAR-T细胞仍然有很活跃的2型免疫细胞；在小鼠模型中，这种类型的CAR-T细胞治疗效果也确实好于没有2型免疫细胞的CAR-T。

同时，在体外实验中，研究者们做了更直接的测试，他们在培养皿中培养CAR-T的时候，添加微量的白介素4分子，这个分子本身就是2型免疫细胞所释放的，但反过来也能增加2型免疫细胞的数量和活性。而结果就是，处理后的CAR-T细胞在小鼠模型中确实展示出了更好的杀伤效果。

因此，起码对于CAR-T细胞疗法来说，在制备生产细胞的时候，利用白介素4这个分子人为提高2型免疫反应的活动，看起来确实可以提升其治疗效果。

当然，这里面有一个问题不得不请你注意：2型免疫细胞对1型免疫细胞的影响比较复杂，至少说到现在，我们应该已经知道它起码有两个截然相反的作用：（传统观点）抑制1型免疫反应，（新观点）刺激1型免疫反应。对于杀伤肿瘤来说，其作用也正好相反，前者干扰了肿瘤杀伤，而后者则促进了肿瘤治疗。因此，如何调节2型免疫反应也是个技术活。

同期发表的另一篇论文进一步思考和拓展了这个思路［12］。研究者们发现，如果在肿瘤局部刺激2型免疫反应，不光可以促进CAR-T的疗效，对于其他肿瘤免疫药物，特别是PD-1/PD-L1抗体，也有增强作用。

简单来说，在这项研究中，研究者们干脆把白介素4分子做成了一款能够直接注射到肿瘤部位的蛋白质药物。这样一来，2型免疫反应的人为增强，就被局限在了肿瘤微环境当中。这时，不管是使用CAR-T细胞疗法，还是使用PD-1/PD-L1抗体药物，对多种肿瘤的杀伤都有显著增强。这可能说明，尽管1/2型免疫细胞的相互作用很复杂，但起码在肿瘤局部，2型促进了1型免疫反应，帮助了后者杀伤肿瘤。

更进一步的，研究者们还详细分析了为何如此。他们发现，白介素4在肿瘤环境中可以直接结合1型免疫细胞，调节这些细胞的代谢活性，增强其生存时间和杀伤活动，从而产生了强烈和持久的肿瘤治疗效果。

如果结合来两篇论文的发现，我们可以得到一个更宽泛的结论。

人们认为肿瘤杀伤过程中主要依赖1型免疫细胞的功能，而2型免疫反应传统上被认为主要是压制1型免疫反应。但在肿瘤环境中，很可能2型免疫系统更多起到的是辅助1型免疫系统的作用。

这样一来，对于CAR-T这类肿瘤免疫药物来说，如果来自患者体内的T细胞中天然就缺乏有活力的2型免疫细胞，这样制备出来的CAR-T药物其肿瘤杀伤活性就更弱、更难以持久。而对于PD-1/PD-L1类抗体药物来说道理也是类似的，如果患者肿瘤位置附近的T细胞中天然就缺乏有活力的2型免疫细胞，这类抗体药物也难以起效。

与之相对应的，如果在CAR-T细胞制备过程中，或者在肿瘤免疫药物使用过程中，人为使用例如白介素4这样的分子，刺激2型免疫反应，那么肿瘤治疗效果也能提高。

这就是本期报告我们讨论的话题：如何利用这样一种全新的思路，改善肿瘤免疫疗法的治疗效果。以CAR-T和PD-1/PD-L1类药物为代表的肿瘤免疫疗法是过去半个多世纪肿瘤治疗领域最具革命性的突破，深刻改变了整个肿瘤治疗的逻辑和临床实践。我们当然也非常期待，类似的研究突破能一次次带领我们进一步改善肿瘤免疫疗法的面貌，最终实现对多个肿瘤类型的持久和全面治疗。

参考文献：

[1]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10225594/

[2]https://journals.lww.com/oncology-times/fulltext/2022/03200/the_incredible_story_of_emily_whitehead___car.1.aspx

[3]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6343443/

[4]https://www.nature.com/articles/s44222-023-00031-x#:~:text=CAR%20T%20cell%20products%20can,vivo%20persistence%20and%20preventing%20exhaustion.

[5]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26907630/

[6]https://www.frontiersin.org/journals/pediatrics/articles/10.3389/fped.2023.1305657/full

[7]https://www.frontiersin.org/journals/immunology/articles/10.3389/fimmu.2023.1296341/full

[8]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2820

[9]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25528359/

[10]http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27080105

[11]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07762-w

[12]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07962-4#ref-CR4

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THE END