《Science》：免疫细胞是应对不同疾病的“活药”，攻克“癌症”和“传染病”可期！

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导语 / Introduction

随着再生医学的发展，免疫细胞正在被改造成应对不同疾病的“活药”，在患者体内发挥独特的作用。经工程化改造的免疫细胞疗法在临床上大展拳脚，多种工程化T细胞疗法已经获准用于治疗血液系统恶性肿瘤。目前正在进行的临床前和临床研究中，测试了多种策略来改变免疫细胞的命运和功能，并逐渐应用于癌症、传染病的治疗领域。

免疫细胞疗法的发展历程

首次使用免疫细胞来治疗疾病是在20世纪80年代末，从癌症患者身上分离出来的肿瘤浸润性T细胞被用来治疗转移性黑色素瘤。临床试验的早期前景推动了科学家们探索使用不同免疫细胞类型的免疫细胞疗法(ICT)，并将ICT的应用领域逐步扩大于从传染病到自身免疫疾病，以及更多癌症治疗当中去。

然而，以T细胞为例，在许多类型的癌症中，分离和制备大量具有功能的肿瘤特异性T细胞是困难的，自然T细胞在面对高肿瘤抗原负荷(称为耗竭)时会随着时间的推移而丧失功能，并且肿瘤会进化出不同的方法来抑制天然淋巴细胞的攻击。

工程化免疫细胞的方法包括药理操作和基因修饰，这些工程化方法可以在细胞输注之前在体外，或者直接在体内进行。基因工程在临床有效的ICT的发展中发挥关键作用，有几个重要的修饰类别(图1a)：

(1) 抗原受体的工程化，包括转基因T细胞受体(TCR)和嵌合抗原受体(CARS)的合成；

(2) 调节新陈代谢、存活和增殖等自然属性的细胞内途径的遗传修饰；

(3) 以及为免疫细胞引入辅助基因，提供新的功能。

图一。体外免疫细胞工程（A）主要的体外免疫细胞工程方法及其关键属性（b）各种工程方法的示例系统

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来源：参考资料[1]

在过去的30年里，免疫生物学快速进展，例如发现了介导免疫细胞杀伤和功能障碍的关键途径，定义了潜在的免疫抑制机制，并确定了调控免疫细胞成功移植的因素。

美国食品和药物管理局(FDA)批准的第一个免疫细胞疗法产品，一种基于细胞的癌症疫苗(Provenge)于2010年在美国获得许可。

美国已经批准了6种用于治疗恶性血液病的CAR-T细胞疗法，和用于治疗先天性贫血免疫缺陷的基因工程胸腺组织疗法，具有肿瘤浸润性淋巴细胞的ICT以及需要表达特定T细胞受体的T细胞也即将获得批准。

CAR-T细胞疗法的临床进展

免疫细胞疗法在各种疾病中的临床转化的步伐继续加快。美国第一个被批准的工程免疫细胞疗法是CAR-T细胞疗法(Kymriah，一种针对CD19的CAR T细胞，于2017年获得批准)。接下来的十年里，针对CD19的CAR-T细胞的临床开发进展迅速，FDA批准了四种不同的CD19导向的CAR-T细胞产品，针对不同类型的B细胞恶性肿瘤进行单臂2期临床试验。

可喜的是，所有这些CD19导向的CAR-T细胞产品都能使40%的难治性或复发性疾病患者获得持久的缓解(“治愈”)。最近的研究表明，与标准的大剂量化疗相比，在早期的治疗路线中使用它们是有希望的。

此外，两种针对B细胞成熟抗原(BCMA)的CAR-T细胞产品已在多发性骨髓瘤中得到测试和应用。这两种由BCMA指导的CAR-T细胞疗法都在经过多次既往治疗后进展的患者中，产生了高反应率。

图二。实体肿瘤中制约工程化T细胞有效性的障碍。

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来源：参考资料[1]

在CAR-T细胞发展的同时，表达工程化T细胞受体的T细胞(TCR-T细胞)的ICT也得到了发展。TCR-T是通过鉴定天然或工程的TCR而产生的，这些TCR识别存在于MHC分子裂隙中的多肽。

因此，与CAR-T细胞相比，TCR-T细胞可以识别突变或过度表达的细胞内蛋白的多肽，从而拓宽了潜在抗原靶点的空间。针对黑色素瘤相关抗原和HPV⁺上皮癌HPV抗原的TCR已显示出预期的客观缓解率。

CAR-T细胞疗法和TCR-T细胞疗法具有互补的优缺点--TCR-T细胞似乎具有较低的全身性毒性(例如，细胞因子释放综合征)，并且TCR具有高度的敏感性，能够识别靶细胞上的单个配体。

正在进行CAR-T临床试验中，识别抗体区域被I类MHC分子人类白细胞抗原HLA-A2取代，目的是抑制HLA-A2+肾和肝移植的排斥反应。

CAR-T细胞疗法正扩大适应症

工程化T细胞疗法已被开发用于治疗各类自身免疫、移植耐受和移植物抗宿主病。在感染性疾病中，以HIV-1广谱中和抗体为结合域的CARs最近在HIV+的受试者中进行了测试，结果表明是安全的，在暂时停止抗逆转录病毒治疗后，病毒重新结合的时间推迟了10周，并暂时减少了病毒载量。

这种疗法的进一步改进可能会为HIV的功能性治愈提供一种途径。

其他的免疫细胞疗法也在临床试验中展露头脚。在一项异体脐血来源的CAR-NK的1期临床试验中，对11例淋巴瘤和白血病患者进行治疗，8例客观缓解，7例完全缓解。最近，通过CAR转导的巨噬细胞（CAR-M）被证明可以吞噬肿瘤细胞并重塑肿瘤微环境，使巨噬细胞极化为抗肿瘤表型，并招募T细胞杀伤肿瘤。目前正在进行相关的首次人体临床试验。

总的来说，这一领域已经悄然成长：现在有数百家公司正在开发新型的工程化T细胞，使用CARs、TCR和各种新的合成抗原受体，以及尝试增强T细胞的附加功能。目前，CAR-T细胞”临床试验仅在clinicaltrials.gov上就列出了1000多项。

免疫细胞疗法开发策略-体外细胞工程

在复杂的生物网络的启发下，正在开发的复杂的工程化免疫细胞，已经能够感知和响应不同的刺激，并增强其疗效。

从临床角度来看，治疗免疫细胞的设计有三个主要目标：提高靶向特异性、疗效和安全性。监管、制造和商业(例如成本)挑战也影响着细胞疗法的发展。

从体外工程的观点来看，临床细胞设计目标通常是通过三种基因和分子工程方法来实现的，例如受体工程，宿主细胞基因组工程和满足治疗所需的有效载体工程(图1，A和B)。

抗原受体工程

对免疫细胞表面受体进行多类修饰和蛋白质工程，使其具有耐受性，并且提高免疫细胞的靶向性和安全性。在免疫细胞治疗中研究最多的受体之一是CAR，与TCR相比，CARs的一个优势是它们能够靶向任何与患者MHC单倍型无关的表面抗原。但是，与TCR相比，CARs的抗原敏感性往往较低。

为了结合CARs和TCR的优点，已经出现了混合型受体设计：T细胞受体融合结构将抗体结构域连接到TCR复合体的不同成分，并显示出与CARs相似的抗原敏感性，同时降低炎症细胞因子的产生。

STAR[合成TCR和抗原性受体]和HITS[非人类白细胞抗原非依赖性TCR]是抗体结合域与天然TCR受体恒定区融合的合成受体。这些新的受体在体内表现出明显的活性和抗原敏感性。

治疗有效载荷协同工程

除了表达抗原特异性受体，工程化免疫细胞表达治疗性有效载荷，为调节细胞功能提供了辅助价值。当与CAR表达结合时，它们有时被称为“装甲”CAR或TRUCK（T细胞重定向为通用细胞因子杀伤）。一些最有前途的治疗有效载荷包括：细胞因子（如IL-12，IL-15），治疗性抗体（如抗PD-L1），或可以重塑肿瘤微环境和激活前体药物的酶。

基因组工程

在肿瘤特异性受体和免疫调节因子的表达之后，最近的研究证明了改造免疫细胞基因组，可以提高细胞治疗安全性和有效性。许多基因敲除及筛选已在免疫细胞上进行，如RASA2RAS鸟苷三磷酸酶激活蛋白，或RNA解旋酶Dhx37。当相关基因被删除时，可促进T细胞的持久性和抗癌活性。我们拭目以待，看看哪些基因的干扰在临床上影响最大。

在最近的一项8名患者参加的临床试验中，使用CRISPR-CA将CD19-CAR整合到PD-1基因的T细胞，在一些患者中显示出87%的完全缓解率和轻度CRS，并且没有免疫效应细胞相关的神经毒性综合征。这一结果显示出使用CRISPR-CAS制造的CAR-T细胞产品的潜力。

免疫细胞疗法开发策略-体内细胞工程

在过继转移的情况下，工程化免疫细胞在寻找和摧毁靶细胞方面面临诸多挑战，包括细胞长时间存活，并精准迁移与靶细胞接触，以及保持适当的表型以清除癌症。

宿主中的被动和主动屏障都是应对这些挑战的原因，各种技术正在开发中，以克服并实现高效和安全的免疫细胞治疗。

这些技术包括用于将转移的免疫细胞放置在所需位置的材料，通过外部可控的方法定位转移的细胞，以及在体内直接进行基因操作(图3)。

图三。体内免疫细胞工程方法

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来源：参考资料[1]

靶向刺激转移细胞

越来越受到学者们更看中，提供对转移细胞的体内靶向刺激，以实现免疫细胞治疗的有效性和安全性之间的平衡。可以通过生物材料输送载体来辅助细胞递送，生物材料输送载体将免疫细胞定位到特定的解剖位置，并提供生化线索(例如细胞因子)或机械特性来达到理想的细胞表型。

而转移的细胞也可以通过外部施加的信号(如超声波或磁场)来操纵，调节细胞的微环境，以实现对转移和宿主免疫细胞活动的更大空间控制。

例如，FDA批准的小分子药物具有良好的生物利用度和药代动力学，可被用作控制基因的开关，来调节工程化T细胞的功能。

调节免疫细胞的工程系统

生物材料为提高ICT的疗效提供了另一个机会，可直接在体内操纵免疫细胞，和/或协同宿主免疫和过继细胞治疗。生物材料可以在恶劣的环境中保护分子和细胞中的货物，将治疗定位到所需的解剖位置，并控制宿主细胞的运输和激活。

在移转前对培养的病毒工程细胞进行直接基因修饰的费用较为昂贵，且工艺复杂，耗时较长。研究人员正试图绕过体外细胞操作，来专门针对T细胞开发出慢病毒和聚合物纳米颗粒。CAR编码的逆转录病毒颗粒已被载入可植入的支架中，用于转移人类免疫细胞，从而在体内产生CAR-T细胞。动物模型的单次输注已经证明，在人源化的小鼠癌症模型中转导出足够数量的宿主细胞，来产生有效的CAR-T细胞。在T细胞和其他免疫细胞的活体转导方面，目前是一个密集的研究领域，可能对细胞治疗的长期成功至关重要。

结论与展望

将工程化免疫细胞用于治疗的科学和技术已经取得了长足的进步，但在寻找更安全、更有效的免疫细胞疗法方面仍需不断探索。值得注意的是，免疫细胞疗法的开展对免疫系统在健康和疾病中的功能提供了重要的见解，如识别调节淋巴细胞生存和功能的基因。

免疫细胞能够通过化学和/或基因工程实现天然细胞不具备的多种环境响应、可控功能，这是传统疗法无法实现的。需要为临床和监管进行大量工作，以探索分散、快速和自动化的制造，有效提高效率和降低成本。

此外，集中精力直接在体内设计或编程，或使用工程化“现货”异体细胞来源，可能会使细胞治疗达到消除部分或全部的疾病问题。目前，通过跨越免疫学、肿瘤学、合成生物学和分子生物学的多学科合作，免疫细胞疗法正在取得令人兴奋的进展。

采用蛋白质、化学、材料和生物工程专业知识的联合疗法，可能会开辟新的方法来加强免疫细胞疗法。随着人体试验的数据继续扩大，计算建模的潜在影响也存在空间，以预测在细胞治疗和基于机器学习的数据分析中需要优化的关键参数。

最后，ICT与免疫系统的更大系统生物学的相互作用必须考虑到细胞治疗与内源性免疫系统、神经系统以及微生物组在细胞治疗结果中的作用，这些领域可能同样拥有重要的新发现。

参考资料

[1] Irvine DJ, Maus MV, Mooney DJ, Wong WW. The future of engineered immune cell therapies. Science. 2022;378(6622):853-858.

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作者：摩西

审校：南风 | 咏彤

声明：本文仅作为科普，拒不接受商业用途的转载申请，亦不构成任何建议。

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