首个抗癌“基因疗法”以天价上市，改造患者自身免疫细胞攻克癌症

Emily Whitehead是世界上第一个接受CAR-T治疗的急性淋巴细胞白血病患儿，被称为CAR-T疗法的奇迹。图片来源：car-tcr-summit.com

今日，全球首个针对癌症的基因治疗药物 Kymriah 获批上市。Kymriah 是制药巨头诺华（Novartis）在全球获批的首个 CAR-T 疗法，目前主要用于儿童和青年的白血病和骨癌的治疗——通过利用患者自身的免疫 T 细胞，将其改造后输回患者体内，可有效杀伤癌细胞。

在临床试验中，63 名接受 Kymriah 治疗的急性淋巴性白血病儿童及青年患者， 83 ％ 在治疗后三个月内病情得到显著缓解，6 个月、12 个月的患者存活率分别为 89 ％和 79 ％。

 Kymriah 单次治疗定价为 47.5 万美元，约合 313 万人民币，价格十分高昂，但诺华承诺，如果患者在接受治疗后的一个月之内没有见到疗效，将全额退款。

CAR-T 疗法的具体原理是什么，为什么它能够在对晚期白血病及淋巴瘤患者的临床试验中展现出惊人的疗效？另一方面，CAR-T 疗法可能引发严重的副作用，甚至可能导致患者死亡——在通往大范围应用的路上，这种疗法还有哪些路要走？
 
在《环球科学》2017 年 4 月刊的《 CAR-T 疗法终结癌症？》一文中，3 位宾夕法尼亚大学的医学专家为我们带来精彩讲解：

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撰文   小艾弗里 · 波西（Avery Posey, Jr. 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院 讲师）

         卡尔 · 朱恩（Carl June 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院 教授）

         布鲁斯 · 莱文（Bruce Levine 宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院 教授）

翻译  杨小鲁  宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院 教授

几十年来，肿瘤免疫学家一直试图利用人体自身的免疫系统来治疗癌症。然而，在早期研究中，大多数调动人体内部的潜能来抗击癌症的尝试，结果都令人失望。失败的原因是研究人员没有大幅提升免疫系统中的主力军——一种名为T细胞的关键免疫细胞的作战能力。而只有提高 T 细胞识别和攻击肿瘤细胞的能力，免疫系统才有可能在抗癌战役中取胜，否则，无益于要求免疫细胞乘着纸飞机，拿着气枪去战斗。

科学家第一次发现大幅提升 T 细胞大军战斗力有助抗击癌症，是20世纪80年代。当时，研究人员想从患者身上提取 T 细胞，在实验室培养扩增，然后再输回病人体内，增强患者免疫系统的抗癌能力。这种方法虽然对一些病人有效，但效果持续时间往往不长：注入病人体内的 T 细胞会越来越少，不久就消失殆尽。

为了解决这个问题，多个研究团队开始从不同的角度进行攻关。其中，我们和同事提出的一种解决方案，现在已经在临床试验中被广泛应用。20世纪90年代中期，我们中的两个人（朱恩和莱文）正在研发针对 HIV 的新疗法，我们用的也是从病人体内提取 T 细胞的方法，但做了一些改进，使得增殖后的 T 细胞不仅数量更多、战斗力更强，而且存活时间也更长。大约十年前，一种用基因工程改造 T 细胞的新技术诞生，用这种方法得到的 T 细胞，不仅可以快速定位某些肿瘤细胞（比如白血病细胞或淋巴瘤细胞，这两种细胞都是白细胞病变产生的），还能发起实时攻击。

这种经过基因工程改造的 T 细胞被称为 CAR-T 细胞（chimeric antigen receptor T cell，嵌合抗原受体 T 细胞）。过去几年，已经有数十项研究对这种免疫细胞进行了测试，将近 1000 名晚期白血病或淋巴瘤患者参与了临床试验。在此过程中，一半甚至更多患者的寿命超过了预期寿命（具体情况因患者的病情不同而有所不同），还有几百名患者体内甚至完全检测不到肿瘤细胞的痕迹了。

单独使用 CAR-T 疗法或与其他疗法联合使用，将成为某些血液肿瘤的长效疗法，这一观点正逐渐成为肿瘤研究人员的一种共识。科学家下一步要解决的问题是，确认 CAR-T 疗法对其他类型的肿瘤是否有效，以及更好地控制有可能导致病人死亡的严重副作用。回顾 CAR-T 疗法 20 余年的发展史，令人振奋，在冲破一个又一个障碍后，我们终于取得了今天的成功。

增强 T 细胞的杀伤力

最开始接触 CAR-T 细胞，我们遇到的第一个任务就是，搞清楚怎样才能增强患者 T 细胞的杀伤力，这个问题看似简单，但对当时的我们来说，却是一个不小的挑战。正常情况下，只有收到来自另一种免疫细胞——树突状细胞（目前所知的功能最强的抗原呈递细胞）的信号时，T 细胞才会激活。激活后的 T 细胞会进入战斗模式：分裂并产生更多的 T 细胞（这些 T 细胞能识别携带同种抗原的肿瘤细胞），并释放出一种名为细胞因子的化学物质，进一步激活人体的免疫系统。几天后，T 细胞会渐渐平静下来，身体和免疫系统也会回归正常状态。

20世纪90年代中期，朱恩和莱文希望在实验室模拟 T 细胞激活的过程，得到加强版 T 细胞，以对抗 HIV。我们从患者身上提取一些 T 细胞，通过体外激活，使它们快速增殖，然后再注回患者体内。我们希望这些 T 细胞能提高患者免疫系统的战斗力，从而消灭 HIV 和其他容易感染艾滋病患者（进入 HIV 感染最后阶段的病毒携带者被称为艾滋病患者）的病原体。 

首先，我们需要找到在体外激活 T 细胞的办法。理论上，我们可以用患者的树突状细胞来激活 T 细胞，但不同病人的树突状细胞在数量和质量上差异很大，尤其是在患有艾滋病或癌症的人群中。为了解决这个问题，我们决定开发树突状细胞的人工替代品。最终，我们选择了微型磁珠，这种磁珠表面覆盖着两种蛋白，不仅能模拟树突状细胞的功能，而且更高效。

我们从患者血液中提取 T 细胞，然后用微型磁珠给它们“充电”。5至10天后，每位患者的 T 细胞都增殖了 100 倍以上。现在，这种用微型磁珠激活 T 细胞的方法，已经被研究人员广泛用在多项研究和临床试验中。

重新设计 T 细胞

在抗癌战役中，免疫系统有两个不利条件。一是免疫系统不会攻击自身组织，而肿瘤细胞并非外来之物，是正常细胞癌变产生的，所以免疫细胞很难区分肿瘤细胞和正常细胞。二是即使被发现，许多肿瘤细胞也会使用一些伎俩，阻止免疫细胞向它们开火。肿瘤细胞非常狡猾，已经学会逃脱免疫细胞的追捕，并干扰免疫细胞的进攻。

为避免误伤正常组织，免疫系统演化出了一套保护机制，只有确认癌细胞表面存在两种分子时，T 细胞才会开火。第一种是 MHC （majoy histocompatibility complex，主要组织相容性复合体）分子，一种大的蛋白络合物，主要功能是绑定由病原体衍生的肽链（即抗原，也就是树突状细胞“呈递”给 T 细胞的靶标）。另一种是向 T 细胞发送信号，告诉 T 细胞开始攻击的共刺激配体（co-stimulatory ligand）。如果没有同时检测到这两种分子，T 细胞就会放行。因此，癌细胞至少有两种可以骗过免疫细胞，逃避免疫攻击的伎俩：停止在细胞表面表达MHC分子，或表达另一种能向 T 细胞发送停火信号的共刺激配体。

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可见，树突状细胞“呈递”给 T 细胞的抗原，并不能帮助 T 细胞找到所有肿瘤细胞。能不能对 T 细胞进行基因改造，让研究人员自己为 T 细胞选择目标抗原呢？比如，选择那些在癌细胞表面大量表达，而不一定是MHC呈递的肽链，这样一来会不会更高效？还有，如果 T 细胞不需要共刺激配体下达指令，而是检测到抗原就径直开火，战斗力会不会大增？ CAR-T 技术的出现，给研究人员带来了希望，借助新技术，上述两个设想都可以实现。

从理论上说，解决方案是为 T 细胞导入一种基因，该基因可编码一种名为嵌合抗原受体（CAR）的蛋白，顾名思义，嵌合抗原受体蛋白可以同时完成两个任务：一是检查肿瘤细胞中是否存在与嵌合抗体匹配的抗原，二是不需要共刺激配体信号激活 T 细胞，直接向肿瘤细胞开火。也就是说，嵌合抗原受体蛋白包含两种蛋白，一种是名为抗体（通常针对细菌和病毒）的蛋白，另一种是能激活 T 细胞的蛋白。在设计中，我们会让抗体部分伸出 T 细胞表面，以结合相应的肿瘤抗原；另一部分则深入细胞膜，一旦检测到肿瘤抗原，就会发出信号，激活 T 细胞。

肿瘤靶向疗法，即让药物瞄准特定的肿瘤抗原来对抗恶性肿瘤的方法，并不是新近才提出的。20 世纪 90 年代，医生就开始使用单克隆抗体来治疗肿瘤，抗体会作用于仅存在于肿瘤表面的特异蛋白。但可惜的是，抗体在体内的存活时间一般不会超过几个星期。通过基因工程将抗体嵌入 T 细胞，抗体的寿命将变得与 T 细胞一样，可以存活数年。

怎样给 T 细胞装上嵌合抗原受体（即CAR），是另一个挑战。我们决定利用艾滋病毒。众所周知，艾滋病毒极易感染 T 细胞，我们先删除艾滋病毒中会对人体造成危害的那部分基因，然后用可编码嵌合抗原受体的基因替换它们。接着，我们从患者体内提取 T 细胞，使它们感染灭活的艾滋病毒。就像特洛伊木马一样，改装后的艾滋病毒将我们需要的基因递送给了 T 细胞； T 细胞根据递送基因的信息，生成嵌合抗原受体，并将其装配到细胞表面。使用这种技术或其他技术，几个不同的研究组（包括我们自己）已经成功合成了 CAR-T 细胞，只需识别肿瘤细胞表面的一个蛋白（不需要 MHC 分子或共刺激配体），CAR-T 细胞就可以展开攻击。而且，研究人员可以选择让 T 细胞攻击哪种抗原，甚至是多种抗原，“量身定做” CAR-T 细胞。

在20世纪90年代中期和本世纪初期，我们和其他研究人员共同努力，已经可以从HIV携带者身上提取 T 细胞，然后将其转化为 CAR-T 细胞，并进行了临床试验。我们会继续改进 CAR-T 技术，并希望在未来几年，开发出更先进的艾滋病疗法。

目前，有几组癌症患者正在试用 CAR-T 细胞。用微型磁珠激活 T 细胞，用 CAR-T 技术重新设计 T 细胞，用灭活的HIV作为特洛伊木马将编码CAR的基因递送给 T 细胞，我们希望这些技术可以完美地应用于临床，最大限度地提高 T 细胞的作战力。

通过临床试验，我们很快发现，CAR-T 细胞是多么强大。 

治疗非实体瘤

现在我们有了足够壮大的 T 细胞大军，还将每个 T 细胞改装成了可以精准打击目标的导弹。当然，攻击目标最好是肿瘤细胞上有，正常细胞上没有的抗原，这样 CAR-T 就不会误伤到正常细胞。但符合这个条件的抗原并不容易找，因为所有癌细胞都是正常细胞癌变产生的，所以肿瘤细胞和正常细胞上的抗原几乎完全相同。如果 CAR-T 攻击的目标是肿瘤细胞和正常细胞上都有的抗原，那健康组织和肿瘤将一起受到重创。

但有一个例外，可以帮助我们破解这个难题。某些白血病和淋巴瘤是由 B 细胞病变产生的。虽然 B 细胞是我们体内抗体的源头，但没有 B 细胞，人也可以存活，只要定期注射人工抗体。B 细胞及癌变产生的白血病和淋巴瘤细胞，都携带名为 CD19 的表面蛋白。由于 CD19 在其他任何健康组织中都不存在，我们和其他研究人员都认为，CD19 非常适合作为 CAR-T 细胞的攻击目标。

我们先在小鼠中测试了这个想法。然后，在 2010 年初，我们开始了针对 CD19 的 CAR-T 细胞疗法的临床试验。最初的3名患者都是患有晚期慢性淋巴细胞性白血病（CLL）的成年人，其他疗法对他们已经没有效果。

第一个接受治疗的患者是威廉·路德维希（Willi 44 34704 44 15535 0 0 3445 0 0:00:10 0:00:04 0:00:06 3445am Ludwig），一名退休的狱警。10 年前他就知道自己患了癌症，治疗前他身体各处的白血病细胞总重量已经超过 5 磅（约 2.27 千克）。2010 年 8 月，医护人员向他体内注入了 10 亿个由他自己的细胞改造而成的 CAR-T 细胞。10 天后，他出现了发烧、低血压、呼吸困难等症状，这些都是治疗导致的严重副作用，随后他住进了重症监护室。我们后来了解到，超常量的 T 细胞被同时激活，会让免疫系统释放大量的细胞因子——这种名为细胞因子释放综合征（cytokine release syndrome）的严重副作用，很可能危及病人生命。

幸运的是，路德维希挺过来了，一个月后，医生在他的身体里没有发现任何白血病 B 细胞存在的迹象。这太令人感到意外了，临床医生又进行了一次活检，结果再次证实他体内已经没有白血病细胞。随后，我们治疗了另外两个病人，他们的治疗效果也非常好。现在，6 年多过去了，路德维希和其他一个病人仍然活着，体内依旧没有白血病细胞。进一步的测试显示，病人血液和骨髓（有造血功能）中的 CAR-T 细胞变多了。最终，注入这 3 个患者中的每一个 CAR-T 细胞（或其子细胞），都杀死了 1000 至 93000 个肿瘤细胞。几个月后，我们在实验室将病人血液中的 CAR-T 细胞分离出来时，它们仍然能杀死携带 CD19分子的白血病细胞。实际上，这些“哨兵”已经成为一种“活的药物”，它们将在很长一段时间里继续在身体里巡逻，避免肿瘤复发。  

CAR-T 疗法的潜力

初步临床试验结果令人鼓舞，但我们却没有后续试验的经费，不能开展更大规模的试验。美国联邦研究机构科研经费审查小组认为，我们的治疗太冒险，不愿进一步资助。尽管如此，我们还是向专业期刊提交了两篇介绍前 3 名患者治疗情况的论文。论文很快被接受，并于 2011 年 8 月分别发表在《新英格兰医学》和《科学·转化医学》杂志上。随后，媒体进行了广泛报道，生物科技初创企业和一些老牌医药企业纷纷向我们伸出橄榄枝，主动联系我们所在的大学，希望获得这项技术的授权。

最终，我们的一个研究项目获得批准，得到了资金支持。2012 年，我们开始了另一项临床试验，这次针对的病人是儿童。为了更好地开展研究，并在未来将疗法提交美国食品及药品管理局进行商业审批时，能有足够的资金，宾夕法尼亚大学决定和诺华公司（Novartis）开展合作。我们的合作掀起了一股 CAR-T 技术转让和投资的热潮，世界各地的许多医学中心都纷纷成立生物技术公司，试图开发新的 CAR-T 细胞。我们最新的、针对儿童病人的临床试验显示，病童 12 个月后的总体生存率为 62 ％，而使用传统治疗方案，病童同期总体生存率仅不到 10 ％。

在过去几年中，纪念斯隆凯特林癌症中心、西雅图儿童医院、弗雷德·哈钦森癌症研究中心与朱诺医疗公司（Juno Therapeutics）的联合研究团队，美国癌症研究所与凯德药业公司（Kite Pharma）的研究团队等，都报道了许多晚期白血病和淋巴瘤病例，治疗效果都非常好。我们的研究中心已经用 CAR-T 疗法治疗了 300 名 B 细胞癌变患者。约一半的晚期慢性淋巴细胞性白血病患者的病情有明显改善（基于病人体内白血病细胞减少等指标来判断），约 90 ％的急性淋巴细胞性白血病儿童的病情得到完全改善, 治疗仅一个月，病童体内就找不到癌细胞存在的迹象。

为什么 CAR-T 疗法不能治愈所有携带 CD19 恶性肿瘤的病人，我们还没有找到答案。一些病人中，肿瘤复发似乎是因为输注的 CAR-T 在患者体内没有增殖，或是因为白血病细胞演化出了不再产生 CD19 分子的特性，因此 CAR-T 奈何不了它们。即使如此，CAR-T 疗法在攻克恶性肿瘤方面取得的成绩也是前所未有的。今年，预计有两家研发 CAR-T 疗法的公司将向美国食品及药品管理局提交上市申请：一家是诺华公司，希望将 CAR-T 疗法用于儿童急性淋巴细胞性白血病，然后较晚时用于淋巴瘤；另一家是凯德药业公司, 希望将 CAR-T 疗法用于一种淋巴瘤。

当然，CAR-T 疗法还有许多需要改进的地方。作为研究人员，我们仍在寻找更好的方法，以减少甚至避免严重副作用发生。虽然患者死于严重副作用的情况非常罕见，但确实有一些急性淋巴细胞性白血病患者在治疗时死亡，部分原因可能是这些患者本身健康状况不佳，以及不同的研究机构设计的 CAR-T 细胞之间存在差异。

现在，我们还处于 CAR-T 疗法发展的初级阶段。当务之急是扩大 CAR-T 疗法的适用范围，让更多的 B 细胞癌变患者和其他肿瘤患者受益。并继续通过临床试验，检验一些最新的理论和技术，不断完善 CAR-T 疗法。如果要用 CAR-T 疗法治疗 B 细胞恶性肿瘤以外的肿瘤，研究人员需要先找到合适的抗原（这些抗原应在肿瘤细胞上大量存在，但在健康组织中不存在），并设计出针对它们的 CAR-T 细胞。例如，我们中的一位（波西）就正在开发一种适用于乳腺癌和胰腺癌的 CAR-T 细胞。白血病和淋巴瘤属于非实体瘤，癌细胞在血液中流动，比较容易被 CAR-T 细胞识别，与它们相比，乳腺癌和胰腺癌以及其他实体瘤，更擅长逃避免疫系统的追捕和攻击。波西正在设计一种可识别实体瘤细胞的新型 CAR-T 细胞，它将搜索两种靶标，而不是一种：第一种是仅存在于肿瘤细胞表面、可使肿瘤细胞加速增殖的一种糖分子；第二种是肿瘤细胞和正常细胞共有的一种蛋白质。从理论上说，同时具备这两个靶标的，只有肿瘤细胞，所以这种特定的 CAR-T 细胞很安全，不会伤及正常组织。

科学的发展不可能是一帆风顺的，实验失败、理论被推翻、各种各样的阻挠，都是科研路上不可避免的绊脚石。经过长时间的探索，现在，我们已经在晚期白血病和淋巴瘤病例中看到了治愈癌症的曙光，这让我们更加坚信， CAR-T 细胞是一个极有潜力的研究方向，它或许会成为抗癌战役中的一股决定性力量。

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