癌症治疗的最新方法: CAR T细胞治疗

CAR(Chimericantigenreceptor)又称为嵌合抗原受体,也称为嵌合T细胞受体,它是通过基因工程方法产生的一种人工T细胞受体。T细胞被改造后在细胞表面表达CAR,这种T细胞称为CART细胞。CAR使T细胞可以识别并结合肿瘤细胞表面特殊的蛋白质(抗原),然后杀死肿瘤细胞。CART细胞治疗是癌症的免疫靶向治疗,它在临床试验中获得了很好的治疗效果,将会是治疗癌症的有效方法。

什么是CART细胞?

很多癌症会产生一些新的蛋白质,而正常细胞不产生这些蛋白质;或过多地产生一种蛋白质,而正常细胞产生的很少。这种新的蛋白质/过多产生的蛋白质称为肿瘤蛋白(癌症蛋白)。人体的免疫系统可以针对肿瘤蛋白上的抗原(抗原是可以被免疫细胞识别的分子结构,在这里是指蛋白质中一段特殊的氨基酸序列)产生特异性的免疫反应,针对肿瘤蛋白的T细胞抗原产生肿瘤特异性的T细胞反应。

针对肿瘤蛋白的B细胞抗原产生肿瘤抗原特异性的抗体。

肿瘤特异性的T细胞通过抗原特异性的T细胞受体与肿瘤细胞表面蛋白上的相应抗原相结合,然后触发T细胞释放一些化学物质而杀死肿瘤细胞。肿瘤抗原特异性的抗体与肿瘤细胞表面蛋白上的相应抗原结合后可以触发免疫系统的反应而杀死肿瘤细胞。

20世纪80年代,以色列魏茨曼科学研究所的ZeligEshhar教授和同事提出对T细胞进行基因改造的概念。1989年,Eshhar和他的同事们创造了第一个有功能的CART细胞。

CAR是把来自单克隆抗体的单链可变片段(单链抗体,又称为scFv),与其它分子的跨膜和细胞膜内区域融合在一起形成一个分子(单克隆抗体是抗体中的一种类型。抗体的结构示意图,见图1.)。通过基因转移的方法把CAR基因导入T细胞内就产生了CART细胞。

当CART细胞上的scFv与它的靶分子(抗原)结合后会把信号传输到T细胞内,从而导致细胞的一系列变化,最终CART细胞会杀死肿瘤细胞。CART只是对细胞表面表达相应的肿瘤抗原的肿瘤细胞发挥作用。

一种类型的CART只能特异性地结合其相应的肿瘤抗原,然后杀死该种类型的肿瘤。例如,针对恶性B细胞表面CD19分子的CART细胞可以识别细胞表面有CD19分子的恶性B细胞,并杀死它们(CART细胞的生成以及结合肿瘤细胞表面的肿瘤抗原示意图,见图2.)。

CAR的分子结构

CAR分子由几个不同的成分组成,它们分别是信号肽,抗原识别区,抗原识别区内的链接区,间隔区,跨细胞膜区和细胞内区域。通过分子克隆的方法把这几个区的基因序列融合成一个杂交基因,这个杂交基因在T细胞内表达后产生的蛋白受体可以出现在T细胞的表面。

CAR分子的结构可以分为两个部分,分别是细胞外部分和细胞内部分。细胞外部分包括信号肽,抗原识别区,抗原识别区内的链接区,间隔区,跨细胞膜区。细胞内部分是传递信号的部位。(CART示意图,见图3.)

信号肽

信号肽位于CAR分子细胞外的末端,它的功能是引导新生的CAR蛋白质进入细胞的内质网,CAR蛋白质在内质网内被糖化,糖化的CAR就可以出现在T细胞膜上。任何动物细胞内的信号肽序列都可以用在CAR分子上。

抗原识别区域

抗原识别域通常是抗体的可变片段,包括抗体轻链的可变片段和重链的可变片段(一个抗体有两条一样的轻链和两条一样的重链),把这两个片段组和在一起形成单链抗体(scFv)。在这种情况下,轻链的可变片段和重链的可变片段之间需要一个链接片段。

间隔区

间隔区域链接跨膜区域和抗原结合区域。它的分子特性是应该足够灵活,允许抗原结合区域可以向不同的方向伸展,以便识别并结合肿瘤表面的抗原。最简单的间隔区域分子是IgG1抗体的铰链区域。

跨膜结构域

跨膜结构域可以形成疏水性的α螺旋结构并横跨细胞膜。不同分子来源的跨膜域可以影响受体稳定性。CD28跨膜结构域是一个很好的稳定受体的分子区域,因此常被用于构建CAR分子。

细胞内区域

细胞内区域是CAR分子中发挥功能的部分。CAR的受体结合抗原后受体聚集在一起,然后把信号传送到细胞内。最常用的细胞内区域部分来自于CD3-ζ,它包含3个ITAMs(一种信号传导的分子结构)。CD3-ζ不能提供完全激活细胞的信号,因此还需要额外的共刺激信号。例如,融合CD28或OX40与CD3-ζ可以传输细胞增殖/生存的信号,有时可以同时使用这三个分子。

CAR分子结构设计的发展

第一代CAR分子的细胞内区域通常来自CD3ζ链的细胞内部分。第二代CAR分子的细胞内区域添加了不同共刺激蛋白受体的细胞内信号区域(如CD28、41BB,ICOS),这样可以为激活T细胞提供额外的信号。第三代CAR分子的细胞内区域整合了多个信号转导区域,如CD3z-CD28-41BB或CD3z-CD28-OX40,以进一步增强T细胞杀死肿瘤细胞的效力=。

CART细胞的治疗过程

在应用CART细胞治疗患者时,首先需要获得患者的血液,并从中分离出T细胞。T细胞在体外被活化后,通过病毒载体(Lentivirus)把CAR基因导入T细胞。CAR基因在T细胞内生成蛋白质,并出现在T细胞表面,这样就获得了CART。然后在实验室大量扩增CART细胞,当达到一定的量以后,把扩增后的CART细胞回输给患者。一般情况下,患者只需要接受一次CART细胞治疗就足够产生理想的治疗效果。

CART细胞治疗的效果

2014年12月份,来自美国JunoTherapeutics的科学家在美国血液病学会年会上,报告了CART细胞治疗急性淋巴细胞白血病(ALL)一期临床试验的结果。接受治疗的对象为难治性急性淋巴细胞白血病患者,经过治疗27位患者中的24位的癌症得到缓解,有6位患者在治疗1年多以后仍处于痊愈状态。

难治性急性淋巴细胞白血病是非常难以治疗的,并且进展迅速,大多数患者在几个月内死亡。CART细胞治疗这种癌症的效果是非常令人鼓舞的。

2015年4月份,西雅图儿科研究所的科学家在美国癌症学会年会上报告了CART细胞治疗儿童复发和难治性急性淋巴细胞白血病(ALL)一期临床试验的结果。91%(20/22)的患者在治疗后获得完全缓解。目前,他们正在组织开展更大规模的临床试验。

另外,其它CART细胞治疗急性淋巴细胞白血病的临床试验也获得了与以上临床试验相似的结果。

除了CART细胞治疗急性淋巴细胞白血病成功以外,目前有一些治疗实体癌症的临床试验正在进行中。

CART细胞治疗的副作用

与化疗相比,CART细胞治疗的副作用要小很多。CART细胞治疗白血病的主要副作用包括:B细胞缺乏、细胞因子释放综合征(CRS)和肿瘤溶解综合征。

B细胞缺乏发生在针对CD19抗原的CART细胞治疗后,因为正常的B细胞表面也表达一定水平的CD19抗原,因此CART细胞在杀死癌症细胞的同时也杀死正常的B细胞。由于B细胞不属于维持生命的细胞类型,因此这方面的副作用并不是很严重,而且在治疗结束一段时间后B细胞数量会得到恢复。

CART细胞在体内扩增和激活引起细胞因子释放综合征(CRS)。CRS的表现包括发热、低血压、低氧和神经功能改变,还可能出现其它的临床和生化变化,如散发性血管内凝血和/或转氨酶升高相关的铁蛋白和C-反应蛋白升高。在临床上,可以采取一些措施来有效地控制CRS。

肿瘤溶解综合征在化疗治疗白血病时也常发生。肿瘤溶解综合征是由大量的肿瘤细胞裂解释放的大量的钾、磷和核酸进入全身血液循环造成的。如果发生这种情况,需要采取一系列的措施处理。

CART细胞治疗的前景

CART细胞治疗在治疗急性白血病的早期临床试验中显示出了很好的治疗效果。目前有一项大型的CART细胞治疗急性白血病的临床试验正在多个国家进行,北京301医院也是其中的试验中心之一。另外,CART细胞治疗一些实体肿瘤的临床试验也正在进行中。可以乐观地认为,在不久的将来CART细胞治疗将会广泛地应用在癌症患者身上。

CART只能用于治疗细胞表面有肿瘤特异性抗原的肿瘤,这种抗原必须满足以下几个条件:不能出现在正常细胞的表面,或在细胞表面非常少,或在对人体来说不是很重要的正常细胞表面,不然的话,CART在杀死肿瘤细胞的同时也会杀死正常的细胞,如果这种正常细胞对人体很重要,那么CART细胞治疗将会产生非常严重的副作用。不是所有的肿瘤细胞都会有满足以上条件的肿瘤抗原,因此CART细胞并不能治疗所有的癌症。