CAR-T治疗实体瘤迎来重大突破，新策略或如虎添翼

2023-03-24 11:51:09, 沙利文

截至目前，全球已有八款CAR-T药物上市，并在血液肿瘤中展现出显著的疗效，然而受到肿瘤微环境和T细胞耗竭等因素影响，CAR-T疗法在实体瘤领域的应用仍在探索之中。

近期研究发现，多数实体肿瘤CAR受体在无肿瘤抗原刺激时，仍然会产生一种持续的基底信号（tonic signal），而这种基底信号会持续刺激CAR-T细胞，导致T细胞耗竭。同时，宾夕法尼亚大学Carl June教授参与的一个临床研究表明基底信号的不足也会影响CAR-T细胞的临床疗效。因此，了解基底信号形成和维持的机制可以帮助设计高持续、抗耗竭的CAR-T细胞，提高CAR-T疗效。

2023年3月8日，上海科技大学生命科学与技术学院王皞鹏研究团队与复旦大学附属眼耳鼻喉科医院吴海涛团队、中科院分子细胞科学卓越创新中心许琛琦实验室，以及上海市第一人民医院宋献民课题组合作，成功解析了CAR-T细胞中基底信号形成的机制，并提出了基于基底信号调控的CAR理性设计系统，使得CAR-T细胞可显著提高存活优势和抗肿瘤效果，为推进CAR-T细胞治疗实体肿瘤提供了新策略。该研究以“Tuning Charge Density of Chimeric Antigen Receptor Optimizes Tonic Signaling and CAR-T Cell Fitness” （调节CAR电荷密度优化基底信号与CAR-T抗肿瘤能力）为题目发表在了期刊《细胞研究》（Cell Research，影响因子：46）上，并被杂志列为精选论文（Featured Article）。

一、对临床常见的10种CAR进行表面电荷分布表征

CAR靶向T淋巴细胞可以特异性攻击肿瘤细胞，由识别肿瘤抗原的胞外结构域和触发T细胞活化的胞内结构域组成，其中抗体重链和轻链的可变区通过柔性接头连接形成单链可变片段（scFv），是CAR中特异性识别肿瘤的区域。

在此次研究中，研究人员首先在Jurkat细胞（一种用于研究急性T细胞白血病的细胞系）中构建并表达十种临床上常见的CAR，通过计算得到“基底信号指数”；再将这十种CAR表达在原代T细胞表面获得CAR-T细胞的“耗竭分数”。结果发现具有高基底信号的CAR-T细胞耗竭程度也重，其中GD2.CAR基底信号最强，同时GD2.CAR-T细胞耗竭分数最高；CD19.CAR基底信号最弱，且CD19.CAR-T细胞耗竭分数最低。即，耗竭分数与基底信号指数之间存在着显著正相关关系，表明持续的抗原非依赖性基底信号可诱导CAR-T细胞耗竭。

图1：十种常见CAR基底信号指数、相应T细胞耗竭分数及两者间呈显著正向关系

基于此发现，研究人员将目光进一步聚焦在抗原结合域scFv上，因为十种CAR除此之外的结构几乎相同。而进一步研究发现，CAR表面的正电荷斑块（PCP）与基底信号存在一定正向关系，scFv结构表面带正电的残基越聚集，PCP分数越高，而高PCP会导致CAR 发生自主聚集，产生相应基底信号，打破了此前认为基底信号是由于CAR蛋白不稳定而产生的结论。

图2：十种CAR scFV的PCP示意图展示表面带连续正电荷残基区（前三大PCP依次为深蓝、蓝、浅蓝）及对应PCP分数（前三大PCP内所有残基的总和）；基底信号与PCP分数相关性

二、通过调节离体扩增过程中离子强度优化CAR基底信号

为证明PCP介导的静电作用是CAR-T细胞基底信号的产生机制这一假设，研究人员通过提高盐离子浓度加强静电屏蔽的方法减弱PCP之间的静电作用强度。结果显示，基底信号最强的两种抗实体瘤CAR-T细胞（靶向胶质瘤的GD2.CAR和靶向头颈肿瘤的CSPG4.CAR）在高盐环境下基底信号减弱，CAR自聚也显著减弱，T细胞耗竭程度减轻，并显著提升了对肿瘤细胞的杀伤能力。不过相同处理下的抗血液瘤的CD19.CAR-T几乎不受影响，因此调节离子强度是优化抗实体瘤CAR基底信号的一种便捷直接的办法。

图3：高盐处理显著提高抗实体瘤CAR-T细胞的杀伤效率，但对抗血液瘤CAR-T细胞影响有限

三、通过点突变的方式调整PCP分数大小

基于此，团队在远离抗原决定簇区域的scFv骨架区（FRs）进行点突变，调整PCP强度。高PCP的CAR-T细胞（如GD2.CAR-T，CSPG4.CAR-T）调低后，基底信号和耗竭指数减弱，不仅亲和力和特异性不变，而且展现了更好的肿瘤杀伤力。与之相反，低PCP的CAR-T细胞（如CD19.CAR-T）在适当增大PCP后，基底信号有所增强，却展现出了更好的持续性和抗肿瘤效果，这与增强CD22.CAR-T细胞基底信号提升其疗效的研究结果相符，说明一定强度的基底信号使得CAR-T细胞在体内存活得更好。团队通过实验初步确定，通过调整PCP分数至45-56，可以使CAR-T细胞在合适的基底信号刺激下不会耗竭，实现杀伤力和持续性的双赢。

图4：PCP分数调整后CAR-T细胞展现更高肿瘤杀伤力

综上所述，上海科技大学王皞鹏教授领衔的多方合作研究成功揭示了CAR受体之间的静电作用是CAR-T细胞产生基底信号的重要机制，并创新性地提出了基底信号调控CAR-T细胞功能的“峰尖”理论（Peak Theory），指出为了达到最佳（Peak）抗肿瘤疗效，CAR的基底信号需要合理优化，既要避免过弱的基底信号不能维持CAR-T稳态增殖，也要防止过强的基底信号导致CAR-T功能耗竭，即通过对基底信号的优化设计达到在不引起CAR-T细胞耗竭的前提下尽可能地提高CAR-T细胞体内持续能力的目的。

图5：“峰尖”理论模型与创新性峰尖理论图示

四、突破性研究成果有助填补CAR-T实体瘤治疗空白

纵观全局，从全球到中国，从监管到市场，细胞基因治疗产业处于一片火热当中。随着CAR-T疗法的应用前景逐渐明朗，其热度只增不减，预计未来几年CAR-T疗法在创新药领域中依然会是“吸金重地”。根据弗若斯特沙利文数据，2021年全球CAR-T疗法市场规模已达到17亿美金，随后续研发管线逐步推进及在实体瘤应用场景的突破，预计将以复合年增长率32.1%的水平在2030年增长至211亿美金。

此外，根据弗若斯特沙利文数据，2021年中国癌症新发病例数近500万例，而针对癌症的现有药物治疗存在复发率高等缺陷，庞大的患者基数及临床需求促进了CAR-T药物在癌症的临床研发，但从临床管线数量来看，实体瘤领域仍存有极大的开发空间。截至2022年11月，中国在研的CAR-T药物管线中，血液肿瘤作为最主要的研究方向占比74%，而实体瘤仅占23%。CAR-T在实体瘤领域的研发进度较血液瘤更慢，目前临床进展最快的是科济药业的CT041，已率先进入II期，针对至少二线治疗失败的晚期胃/食管胃结合部腺癌和至少一线治疗失败的晚期胰腺癌，其余临床试验仍处于更早期临床研究阶段。

图6：中国临床在研CAR-T治疗管线按治疗领域的拆分

数据来源：《CAR T-cell therapies in China: rapid evolution and a bright future》，沙利文分析

通过技术创新克服T细胞耗竭问题，势必能够进一步推动细胞疗法，尤其是CAR-T疗法市场的发展。王皞鹏教授研究团队基于基底信号获得的一系列突破性成果，一方面为CAR-T疗法攻克实体瘤治疗壁垒提供了创新解决路径，有望使得占比超90%以上的实体瘤患者获益；另一方面也为CAR-T设计者提供了CAR结构设计的“实用指南手册”，为加速CAR-T研发效率和持续优化带来重要帮助。

据悉，文章通讯作者王皞鹏教授长期聚焦于T细胞免疫治疗的研究。其本科毕业于南京大学匡亚明学院；博士导师Vignali教授为调节性T细胞（TREG）方向的领军人物，现任匹兹堡大学肿瘤免疫中心主任；博士后导师为加州大学旧金山分校医学院Arthur Weiss院士。Weiss教授是CAR-T细胞疗法创始人之一。2019年，Weiss教授因嵌合抗原受体CAR的发明，与其他三位科学家一起荣获了美国癌症研究所授予的William Coley奖。2015年7月，王皞鹏教授通过国家高层次人才计划，加入上海科技大学生命科学与技术学院，组建科研团队。2020年，王皞鹏教授研究团队成功开发具有自主知识产权的可循环CAR-T设计，该设计提高CAR-T持续能力100余倍，有效地抑制了肿瘤复发。这项突破性的研究作为封面文章发表在免疫学领域顶级刊物《Immunity》。同年，“可循环CAR-T”设计以技术转移的形式授权给国内CAR-T治疗领域领军企业，完成了科技成果转化，里程碑付款高达4,500万元。本文所述研究获得了国家重点研发计划资助项目、上海科技大学“双一流”创投基金、上海科技大学生物分子与精准医学科学中心、上海地方高校能力建设项目、国家自然科学基金以及上海市自然科学基金的经费支持。

来源：弗若斯特沙利文