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小分子赋能 CAR-T 疗法

 

 

癌症是严重威胁人们生活质量和生命安全的重大疾病之一。由于传统的放化疗效力十分有限,毒副作用较大和耐药性的产生等问题,已经不能满足巨大的临床需求。近年来,随着生物技术的突飞猛进,革命性肿瘤治疗的方法 CAR-T 疗法诞生了,并且迅速成为抗肿瘤研究的热点。

 

小分子作为生命过程调控的重要工具之一,同样可以调控 CAR-T 细胞毒活性以及潜在的毒副作用。让我们一起看看本期话题:小分子赋能 CAR-T 疗法,助力攻克癌症。
 

 

 
什么是嵌合抗原受体 (CARs)?
 

首先,嵌合抗原受体 (CARs) 是一种人工融合蛋白,主要由抗原识别结构域组成,该结构域通过铰链和跨膜结构域与信号激活部分相连。如图 1 (左) 所示,该抗原结合域通常是单链可变片段 (scFv),可以具有不同的结构。抗原结合域之后是铰链域和跨膜域,它们将抗原结合域与细胞内 T 细胞 (共刺激域 (如 CD28) 以及从CD3ζ 改编的 T 细胞激活域) 信号部分连接起来。经过改造的 T 细胞可以特异性识别并杀伤癌细胞,这是一种革命性肿瘤治疗的新方法。

 

图 1. CAR 的结构和 CAR-T[1]

 

随着生物技术的不断发展,CARs 的结构也是不断升级优化的第二代和第三代CARs 的设计目的是通过传递共刺激信号来增加 CAR-T 细胞的功能,以提高 T 细胞增殖活性、细胞毒性,延长T细胞存活时间

 

图2. CAR的结构优化[2]

第一代 CAR 由一个基于单链可变片段 (scFv) 的抗原结合域组成,该抗原结合域通过连接到一个 T 细胞激活域,该激活域是T细胞受体复合物的CD3ζ亚基。第二代 CAR 再第一代基础上添加了一个共刺激域,通常是 CD28 或 4-1BB。第三代 CAR 包括第一代 CAR 的结构组件以及两个串联的共刺激域。以提高 T 细胞增殖活性、细胞毒性,延长T细胞存活时间。

 

 

关于 CAR-T 细胞
 

CAR-T 细胞的工作原理如图 3 所示:首先,从病人体内分离出T细胞,进行细胞转导形成 CAR-T 细胞,体外扩增 CAR-T 细胞之后,再次输回病人体内,从而 CAR-T 细胞可以特异性识别并杀伤癌细胞。

 

然而在 CAR-T 细胞的整个生命周期中,仍然拥有许多技术障碍需要进一步克服,主要包括:生产性问题、肿瘤浸润的物理障碍、抗原表达的肿瘤异质性、肿瘤微环境中的免疫抑制因素以及具有挑战性的系统毒性等等。

 

图 3. CAR-T细胞的生命周期及其生物学功能[3]

 

另外,除了 CAR-T 细胞外,其他的 CAR 免疫细胞主要还包括:CAR-NK 细胞, CAR-M 细胞和 CAR-Treg 细胞等。

如图4所示:自然杀伤(NK)细胞由于其固有的抗肿瘤活性,一直被作为开发细胞治疗产品的基础。从脐血中提取NK细胞,并用抗 CD19 嵌合抗原受体 (CAR) 载体将其转导,该载体已被设计用于体外产生白细胞介素-15 (IL-15,以增加扩增和功效。

 

CAR 结构也能组装到巨噬细胞上,形成 CAR 巨噬细胞 (CAR-M)。该巨噬细胞在体外表现出抗原特异性吞噬作用和促炎性 M1 极化。此外,CARs 还被重新定向于免疫抑制性 CD4+CD25+ 调节性T细胞 (Treg细胞),CAR-Treg 细胞作为一种自身免疫疾病和器官移植的潜在疗法。

 

图4. 其他 CAR 免疫细胞及其生物学功能[4]

 

CAR-T 细胞疗法的小分子开关
 

CAR-T 细胞疗法已证明具有彻底根治白血病的疗效。然而,这种治疗方法受到严重细胞因子释放综合征的阻碍,这是其在临床上广泛应用的主要障碍结合基因工程和化学技术研究优势,小分子被人为地设计为开启和关闭“开关”切换,来赋予 CAR-T 细胞功能的灵活性。此外,小分子可以通过药物定向运输技术选择性地传递到目标组织,这将有助于进一步减轻靶内/非肿瘤毒性问题。

 

小分子化合物如 FITC、叶酸雷帕霉素Rimiducid 和 PROTAC 化合物,已被成功地用于设计新型的 CAR-T 细胞安全开关,通过各种机制减少危及生命的 CRS (细胞因子风暴)。

图 5. 其他 CAR 免疫细胞及其生物学功能[6]

如图所示,FITC−叶酸结合物作为安全开关,可诱导肿瘤和 CAR-T 细胞之间形成假免疫突触. Rimiducid 与 FKBP12-F36V 结合,诱导 Caspase-9 二聚化,导致 CAR-T 细胞凋亡。达沙替尼通过抑制 Lck、CD3ζ 和 ZAP70 分子的磷酸化来防止 CAR-T 细胞的激活等。

 

总结
 

癌症一直是严重威胁人类生活质量和健康安全的重大疾病。由于传统的治疗手段疗效十分有限,毒副作用很大且容易产生耐药性等问题,已经不能满足巨大的临床需求。

 

随着生物技术的突飞猛进,CAR-T 疗法已经成为革命性肿瘤治疗的热门话题,为肿瘤患者带来了治愈的新希望。然而,CAR-T 疗法也有其主要的临床应用障碍问题。小分子作为生命过程调控的重要工具之一,同样可以调控 CAR-T 细胞毒活性以及潜在的毒副作用。我们相信,根据肿瘤免疫的新见解,不断提出新的细胞治疗策略,攻克癌症指日可待。

 

 

参考文献

 

 

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1. Mikkilineni L, Kochenderfer JN. CAR T cell therapies for patients with multiple myeloma. Nat Rev Clin Oncol. 2021 Feb;18(2):71-84. 
2. Cappell KM, Kochenderfer JN. A comparison of chimeric antigen receptors containing CD28 versus 4-1BB costimulatory domains. Nat Rev Clin Oncol. 2021 Nov;18(11):715-727.
3.Rebecca C Larson, Marcela V Maus. Recent advances and discoveries in the mechanisms and functions of CAR T cells. Nat Rev Cancer. 2021 Mar;21(3):145-161.
4.  Rafiq S, Hackett CS, Brentjens RJ. Engineering strategies to overcome the current roadblocks in CAR T cell therapy. Nat Rev Clin Oncol. 2020 Mar;17(3):147-167.
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6. Zheng Y, Nandakumar KS, Cheng K. Optimization of CAR-T Cell-Based Therapies Using Small-Molecule-Based Safety Switches. J Med Chem. 2021 Jul 22;64(14):9577-9591.