Nature | 讓T細(xì)胞可控：斯坦福大學(xué)通過信號分子實現(xiàn)CAR T細(xì)胞的邏輯門控制

原創(chuàng)?風(fēng)不止步?圖靈基因?2023-03-15 10:11?發(fā)表于江蘇

撰文：風(fēng)不止步

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文章利用對T細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)的理解，通過LAT和SLP-76配對，設(shè)計了一個真正的Boolean-logic和門控CAR-T細(xì)胞。目前為止，這是第一個能夠限制CAR-T細(xì)胞活性以直接、瞬時和可逆的方式遇到兩種抗原的系統(tǒng)。

布爾代數(shù)（Boolean Algebra）與邏輯門：布爾代數(shù)，一個數(shù)學(xué)分支專處理“真”和“假”，它已解決了所有法則和運(yùn)算；在布爾代數(shù)中，變量的值是true和false，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行邏輯操作。布爾代數(shù)中有三個基本操作：NOT、AND和OR。

CarT治療（CAR-T治療）即嵌合抗原受體T細(xì)胞免疫療法，屬于免疫療法中的一種，主要用于惡性血液病和惡性腫瘤患者的臨床治療。CAR-T治療是在從患者血液中收集分離T細(xì)胞，然后進(jìn)行基因修飾，增強(qiáng)其對抗癌細(xì)胞的靶向和殺傷能力，T細(xì)胞在體外大量培養(yǎng)擴(kuò)增后，再輸入患者體內(nèi)，并繼續(xù)繁殖，最終識別體內(nèi)癌細(xì)胞，將其摧毀。

2023年3月8日，美國斯坦福大學(xué)Robbie G. Majzner博士等人在《Nature》上發(fā)表了一篇“Co-opting signalling molecules enables logic-gated control of CAR T?cells”的文章，文章用細(xì)胞內(nèi)近端T細(xì)胞信號分子取代了傳統(tǒng)的CD3ζ結(jié)構(gòu)域，設(shè)計了一種快速和可逆的Boolean-logic門控CAR T細(xì)胞平臺--細(xì)胞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)（LINK）CAR，在療效和預(yù)防靶、腫瘤毒性方面都優(yōu)于其他系統(tǒng)。

CAR T細(xì)胞已經(jīng)成為治療B細(xì)胞惡性腫瘤的一個重要工具，對許多人來說是一種治愈性的、拯救生命的療法。然而，用于治療實體瘤的CAR T細(xì)胞的發(fā)展一直很緩慢，并以失敗為標(biāo)志。一個主要障礙是缺乏與重要的正常組織不共享的腫瘤特異性目標(biāo)。雖然CARs有時可以在表達(dá)非常高的抗原的腫瘤和表達(dá)同一目標(biāo)的較低水平的正常細(xì)胞之間提供一個治療窗口，但隨著更強(qiáng)大的CAR T細(xì)胞被設(shè)計出來，在臨床研究中可能會出現(xiàn)更頻繁的靶向、非腫瘤毒性。

圖1：近端信號分子是傳播CAR T細(xì)胞激活的必要條件。

通過與T細(xì)胞信號所需的LAT-SLP-76支架合作，產(chǎn)生了?Boolean-logic AND-gate CAR T細(xì)胞。通過利用本地T細(xì)胞信號生物學(xué)的優(yōu)勢，實現(xiàn)一個高度特異和可移植的系統(tǒng)，以限制T細(xì)胞對雙抗原相遇的反應(yīng)。其他幾個AND-gate CAR系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計出來，包括SynNotch和SPLIT CAR，但正如數(shù)據(jù)所顯示的，這些系統(tǒng)在體內(nèi)的特異性或有效性方面存在缺陷。另外兩個需要共同施用外來蛋白以在抗原表達(dá)的基礎(chǔ)上重定向CAR T細(xì)胞的AND-gate系統(tǒng)已經(jīng)被提出并在體外進(jìn)行了測試（LOCKR和SUPRA CAR）。

圖2：ZAP-70 CARs繞過上游信號元素，可以表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗腫瘤活性。

由于藥代動力學(xué)的原因，小蛋白療法在臨床上的應(yīng)用在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，而且有效穿透組織的能力可能有限。此外，完全合成的蛋白質(zhì)有潛在的免疫原性。相比之下，LINK CAR的信號成分完全是人類的，該系統(tǒng)很容易地以模塊化的方式被設(shè)計成任何特異性。識別理想的AND-gate目標(biāo)是腫瘤學(xué)中一個不斷增長的領(lǐng)域，該系統(tǒng)準(zhǔn)備改變可以安全地以CAR T細(xì)胞為目標(biāo)的分子景觀。使用病人樣本和單細(xì)胞技術(shù)的進(jìn)一步工作將是必要的，以確定LINK CAR T細(xì)胞的安全和有效目標(biāo)。

圖3：LAT和SLP-76 CARs繞過上游信號元素，共同發(fā)揮布爾邏輯AND門的作用。

在觀察到細(xì)胞內(nèi)的近端信號分子（如ZAP-70和PLCγ1）可以作為合成TM受體的信號域后設(shè)計了LINK CARs。近端信號的CARs繞過了TCR機(jī)制的上游組件，但轉(zhuǎn)錄和磷蛋白組分析表明，其下游信號網(wǎng)絡(luò)與使用CD3ζ的CARs相似。此前，研究人員發(fā)現(xiàn)，蛋白酪氨酸激酶SYK也可以被重新利用到類似CAR的嵌合分子中，在體外殺死腫瘤細(xì)胞，但基于ZAP-70的CARs基本上是無效的。與ZAP-70KIDB CAR功能上的差異可能是由于排除了自我抑制的SH2結(jié)構(gòu)域?？傊?，這項工作表明，合成受體可以重新利用胞質(zhì)激酶和其他信號機(jī)制來控制細(xì)胞內(nèi)的過程——這種方法也可能適用于其他類型的細(xì)胞。

圖4：靶向突變建立LINK CAR的特異性。

某些近端信號的CARs在模型中顯示出優(yōu)勢，包括減少強(qiáng)直信號和T細(xì)胞衰竭，以及增加擴(kuò)增和持久性。一些ZAP-70 CARs有可能優(yōu)于CD3ζ?CARs，因為強(qiáng)直信號的減少和衰竭或更精細(xì)的信號強(qiáng)度，和/或通過逃避T細(xì)胞中的抑制性配體和調(diào)節(jié)機(jī)制，這些配體和調(diào)節(jié)機(jī)制集中在LCK或CD3ζ本身。未來的工作將確定增強(qiáng)ZAP-70 CAR活性的基礎(chǔ)，并評估LINK和PLCγ1 CAR是否具有同樣的優(yōu)勢。當(dāng)目標(biāo)抗原密度較低時，CD3ζ?CAR T細(xì)胞的功能是有限的，通過抗原重塑為腫瘤免疫逃逸提供了機(jī)會。預(yù)計LINK CAR系統(tǒng)也有類似的易感性，但需要系統(tǒng)性的工作來了解該系統(tǒng)每個組成部分的抗原密度閾值，這些閾值可能因個別抗原和結(jié)合分子而不同。

圖5：LINK CAR介導(dǎo)了腫瘤的根除，同時防止了靶向、非腫瘤的毒性。

總之，利用近端信號分子設(shè)計了一個CARs工具箱，表現(xiàn)出更強(qiáng)的功能和特異性，包括一個強(qiáng)大的瞬時和可逆的Boolean-logic和門控系統(tǒng)，超過了以前發(fā)表的系統(tǒng)。通過將細(xì)胞膜分子重新利用到CARs中，以一種高度功能性但未預(yù)期的方式控制細(xì)胞活動。該工具為科學(xué)家和醫(yī)生提供了在臨床上控制和增強(qiáng)CAR T細(xì)胞功能的能力。這些進(jìn)展可能會產(chǎn)生廣泛的影響，不僅在癌癥免疫治療領(lǐng)域，而且在研究人員將CAR T細(xì)胞擴(kuò)展到自身免疫性疾病和開發(fā)新類別的細(xì)胞療法方面。

教授介紹

Robbie G. Majzner?博士

Robbie Majzner博士是血液學(xué)和腫瘤學(xué)部門的兒科助理教授。從哥倫比亞大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位后進(jìn)入哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院，在那里對兒童腫瘤學(xué)產(chǎn)生了興趣。在紐約長老會-哥倫比亞大學(xué)完成了兒科住院醫(yī)師培訓(xùn)，并在約翰霍普金斯大學(xué)和國家癌癥研究所完成了兒科血液腫瘤學(xué)的研究培訓(xùn)。

在研究期間，他照顧了一些最早接受CD19嵌合抗原受體（CAR）T細(xì)胞的兒科病人，這些兒童患有B細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血?。˙-ALL），通常沒有其他治療選擇。見證了CAR T細(xì)胞在這些患者身上的成功，促使Majzner博士來到實驗室，專注于將CAR T細(xì)胞的使用擴(kuò)展到實體腫瘤。他優(yōu)化了新的受體，以識別兒科實體瘤上過度表達(dá)的抗原，如GD2（Mount/Majzner等人，Nature Medicine，2018）B7-H3（Majzner等人，Clinical Cancer Research，2019）和ALK（Walker/Majzner等人，Molecular Therapy，2017）。

目前的工作重點是將多特異性賦予CAR T細(xì)胞，并優(yōu)化這些受體，以便在目標(biāo)量（抗原密度）受到限制時提高其療效（Majzner等人，Cancer Discovery，2020）。通過借鑒最先進(jìn)的生物工程技術(shù)，Majzner實驗室專注于提高CAR T細(xì)胞對癌癥兒童的效力和特異性。

在臨床上，Majzner博士在Lucile Packard兒童醫(yī)院照顧所有神經(jīng)母細(xì)胞瘤患者，并對將新型免疫療法用于這些患者和其他實體瘤患者的臨床試驗有特殊興趣。他擁有小兒科和小兒血液腫瘤學(xué)證書。

參考文獻(xiàn)

Aidan M. Tousley, Maria Caterina Rotiroti et.al Co-opting signalling molecules enables logic-gated control of CAR Tcells（2023）