田圩虹,呂巧怡,劉雪,趙楊靜,2,王薈,2,邵啟祥,2
(1. 江蘇大學醫(yī)學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇省檢驗醫(yī)學重點實驗室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
腫瘤免疫療法的革命性勝利將人們對各種免疫細胞及免疫分子的認識推上了新的高度。榮獲2018年諾貝爾生理或醫(yī)學獎的免疫檢查點阻斷療法揭示了負性免疫調節(jié)分子細胞程序性死亡受體1(PD-1)、細胞毒T淋巴細胞相關抗原4(CTLA-4)在腫瘤治療中的重要作用。與免疫檢查點阻斷療法在臨床獲得巨大成功一樣,嵌合型抗原受體T細胞(chimeric antigen receptor modified T cells,CAR-T)療法也在臨床取得了驚人的療效。這種過繼性免疫增強化療法通過基因編輯的患者T細胞直接靶向抗原特異性腫瘤細胞,目前主要應用于B細胞系急性白血病和淋巴瘤的治療。CTL019也因治療CD19+淋巴瘤獲得很高的臨床緩解率而成為CAR-T療法的典型代表[1]。
截至目前,關于CAR-T細胞在惡性血液系統(tǒng)腫瘤,乃至實體腫瘤上的研究如火如荼。相較于血液系統(tǒng)腫瘤的治療,CAR-T在實體腫瘤應用方面面臨著許多挑戰(zhàn)。實體腫瘤抗原表型異質性大,纖維膠原包裹致密,腫瘤微環(huán)境更為復雜,因此,在CAR-T治療中通常選用嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)修飾的CD8+T細胞作為特異性細胞毒作用的主力群體。通過CAR修飾的CD8+T細胞識別抗原的方式類似于B細胞,不需要抗原提呈過程,且不受自身主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex,MHC) 限制,在活化后可快速攻擊殺傷腫瘤細胞。然而CD8+CAR-T用于實體瘤治療時出現(xiàn)體內耗竭過度現(xiàn)象,細胞發(fā)生明顯的凋亡,且效率較差。
研究表明處于分化終末期的成熟CD8+T細胞在過繼輸注后,在體內除了出現(xiàn)復制性衰老和過早凋亡現(xiàn)象外,在淋巴歸巢循環(huán)、共刺激能力以及穩(wěn)態(tài)細胞因子釋放與獲取方面都明顯減弱[2]。而基于這些細胞構建的CD8+CAR-T卻在體外具有顯著的細胞毒效應,因此,體外的細胞毒作用效果并不能很好地反映其在體內的腫瘤殺傷能力,這是目前CD8+CAR-T實體瘤治療亟待研究的重要問題。
CAR-T生產中T細胞群體的選擇和質量控制對CAR-T過繼免疫療效起著決定性作用[3]。根據(jù)迄今為止完成的多項CAR-T臨床研究,不同CAR-T研究中選擇的T細胞亞群都存在顯著差異,但直接關于不同CAR-T產品的橫向對比研究鮮見報道。絕大多數(shù)針對腫瘤臨床治療的CAR-T不選擇絕對單一化T細胞亞群作為CAR修飾T細胞的來源,而是通過分離患者來源的外周血單個核細胞(PBMCs)或CD8+腫瘤浸潤性淋巴細胞(tumor infiltrating lymphocytes,TILs)來進行體外擴增誘導,再經(jīng)基因編輯后使用[4]。部分研究性實驗選用分離自小鼠脾臟來源的淋巴細胞,經(jīng)CD3/CD28抗體、IL-2及IL-7誘導T淋巴細胞增殖分化,以此制備相關CAR-T細胞在動物體內研究抗腫瘤作用。CD8+T細胞是機體進行免疫防御與監(jiān)視的主要細胞,具有識別并殺傷惡性腫瘤和癌前病變細胞的能力。分離并采用患者自體來源的CD8+T細胞在乳腺癌、肝癌、神經(jīng)母細胞瘤和黑色素瘤等癌癥的CAR-T治療中已有大量報道,是目前最常用制備CD8+CAR-T的T細胞群體[5]。
體外基因編輯的CD8+CAR-T表達腫瘤特異性CAR和T細胞受體,經(jīng)過大量擴增活化后再回輸?shù)交颊唧w內進行免疫治療。CAR是靶向特定腫瘤抗原的重組受體,也是CAR-T細胞行使抗腫瘤殺傷作用的關鍵分子,其設計包含4個組分: ① 針對靶抗原的特異性單克隆抗體單鏈可變區(qū)(scFv);② 跨膜區(qū);③ 胞內共刺激信號結構域(CD27、CD28、4-1BB、OX40等);④ T細胞受體活化信號轉導區(qū)(CD3ζ等)。到目前為止,CAR已有三代。第一代CAR包括單鏈抗體、跨膜區(qū)和CD3ζ胞內區(qū),但不包含共刺激信號活化轉導結構域;二代CAR在一代的基礎上加入了一個共刺激信號活化轉導結構域;三代CAR改善了共刺激分子,采用了雙共刺激信號活化轉導結構域組合(比如CD28聯(lián)合4-1BB或OX40等),實現(xiàn)了對T細胞活化和增殖能力的優(yōu)化。目前在臨床使用的CAR-T以二代CAR為主體。在三代CAR之后,CAR-T制備更加注重體內T細胞功能的優(yōu)化,比如在CAR-T細胞中共表達各類細胞因子或功能分子來增強CAR-T在體內的增殖存活能力、細胞毒作用或拮抗腫瘤微環(huán)境的能力,如使用IL-7、IL-12、CCL19、TGF-β抗體、PD-1抗體等進行共表達,有人也把這類CAR-T稱為第四代CAR-T。因此,與傳統(tǒng)的放化療相比較,CD8+CAR-T細胞療法具有更高的特異性、潛在的長期保護效應及更低的細胞毒性。
根據(jù)賓夕法尼亞大學June教授2018年報告的全美1 000多例臨床CAR-T治療案例分析[6],CAR-T療法針對成人急性B淋巴細胞白血病的初期緩解率高達93%。針對慢性淋巴細胞白血病,大B細胞淋巴瘤及濾泡性淋巴瘤患者的有效率在70%左右。而在實體腫瘤的治療中,CD8+CAR-T針對胰腺癌治療緩解率為17%,其中1例胰腺癌伴肝轉移的病例完全治愈了肝臟轉移灶,但對原位癌的清除沒有起到任何效果。另1例靶向神經(jīng)膠質母細胞瘤的CAR-T臨床試驗,臨床效果維持了7.5個月后患者復發(fā)。這份報告指出CAR-T針對實體腫瘤的治療尚有一定的緩解效率,其在輸注初期的靶向殺傷效力明顯,起到了顯著緩解腫瘤癥狀的作用。然而CD8+CAR-T在相當長的一段時間內卻無法完全清除腫瘤細胞,說明這些臨床試驗所采用的CAR-T不具備長久免疫監(jiān)視、清除腫瘤細胞的能力。因此,針對實體瘤的完全清除,需要CAR-T長期有效的體內增殖以及源源不斷地自我更新補充。因此,具備自我更新能力的記憶性CAR-T是取得抗實體瘤持久戰(zhàn)勝利的重要保障[7]。
縱觀我國近年來發(fā)布的近50項CAR-T抗實體瘤臨床試驗,其中包括針對間皮素的抗胰腺癌CAR-T,針對磷脂酰肌醇聚糖-3(glypican-3,GPC3)的抗肝細胞癌CAR-T,針對上皮細胞黏附分子(epithelial cell adhesion molecule,EpCAM)的抗前列腺癌CAR-T,針對EB病毒潛伏膜蛋白-1(Epstein-Barr virus latent membrane protein-1,LMP1)的抗鼻咽癌CAR-T,針對血管內皮細胞生長因子受體-1(vascular endothelial growth factor receptor-1,vEGFR-1)、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)和人表皮生長因子受體2(human epidermal growth factor receptor-2,HER2)的抗乳腺癌、宮頸癌和神經(jīng)母細胞瘤CAR-T等產品,雖在實驗室取得了良好的體外抗腫瘤療效,但至今均未能取得振奮人心的臨床數(shù)據(jù)[8-9]。Ma等[10]在總結2019年中國CAR-T臨床實體瘤試驗情況時指出,高度致密的實體腫瘤組織內部pH值低、缺氧、營養(yǎng)耗竭且具有復雜的抑制性腫瘤微環(huán)境,使得CAR-T細胞無法充分趨化、浸潤到腫瘤局部,并擴增到有效數(shù)量發(fā)揮抗瘤作用,這些因素導致了CAR-T針對實體瘤的不良療效。因此,成功的CAR-T方案不僅需要針對腫瘤抗原高度特異的CAR,同時也需要能在體外誘導擴增出具有良好抗腫瘤效應的CAR-T群體,以確保其在體內的穩(wěn)定增殖,充分發(fā)揮體內抗腫瘤作用,減少CAR-T在體內出現(xiàn)自我增殖衰退、細胞衰老和凋亡,以及因腫瘤內環(huán)境引起的損耗。
CD8+T細胞的分化過程在感染免疫學中研究得比較清楚,其活化后可分化為效應細胞和記憶細胞,早期根據(jù)IL-7Rα和殺傷細胞凝集素樣受體G1(killer cell lectin-like receptor G1,KLRG1)等細胞表面標志將活化后的CD8+T分為KLRG1lowIL-7Rhigh的記憶前體效應細胞(memory precursor effector cells,MPECs)和KLRG1highIL-7Rlow的短期效應T細胞(short-lived effector cells,SLEC或terminal effector cells,TEFF)[11]。MPECs可進一步分化,根據(jù)CD62L、CCR7等表型分子又分為干細胞樣記憶型T細胞(stem cell like memory T cell,TSCM)、中樞型記憶T細胞(central memory T cell,TCM)和效應記憶T細胞(effector memory T cell,TEM)[12],TCM和TEM都屬于長壽命記憶T細胞(long-lived memory T cell)。TEFF具有強細胞毒作用,大量表達FasL,分泌腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)、穿孔素(perforin)、顆粒酶B(gramzyme B)等眾多細胞毒性分子應對機體細胞的感染或病變。但另一方面,TEFF作為CD8+T細胞活化后的高效靶向殺傷細胞群體,增殖潛力受損,PD-1、LAG3等免疫負向共刺激分子的表達顯著上調[13-14],在機體免疫自穩(wěn)的調節(jié)機制作用下迅速凋亡。這也是抗原和炎癥持續(xù)存在時TEFF耗竭的重要原因。不同分化亞群的CD8+T細胞在增殖潛力,遷移歸巢能力,IL-2分泌水平,效應功能以及細胞毒性方面均顯示出了較大差異(圖1)。
Naive T:初始T細胞;-:不表達;+:低表達;++:中度表達;+++:高表達
CD8+記憶T細胞分化亞群的多樣性歸因于初次免疫和記憶應答所接受的不同抗原和炎癥環(huán)境刺激的累積。靶抗原的類型、抗原刺激持續(xù)的時間及炎癥信號的強弱都會影響CD8+T細胞的效應功能以及再次免疫應答反應。由圖1可知,初始CD8+T細胞隨著接受刺激信號質量與強度的積累,啟動增殖并逐漸沿著 TSCM→TCM→TEM→TEFF分化軸進行分化,該過程伴隨著趨化因子CCR7、淋巴歸巢分子CD62L以及共刺激分子CD27/CD28的逐漸下調。隨著細胞接收到的信號強度逐漸增大,初始T細胞最終分化為短壽命的TEFF細胞。TEFF具有高水平IFN-γ分泌能力和極強的細胞毒作用,但處于分化的終末狀態(tài),KLRG1、CD95分子表達上調,自我更新能力喪失,衰老性復制明顯,端粒長度縮短,凋亡顯著,已是“強弩之末”。
2.2.1 分化早期CD8+T細胞顯著高表達淋巴歸巢分子與共刺激分子 Gattinoni教授團隊的多種體內外實驗證實分化早期的T細胞不僅在體外具有很好的靶向腫瘤殺傷作用,同時也能在體內更有效地清除實體瘤;而分化程度較高的晚期T細胞在體內的治療效果則較差[15]。分析活化早期與晚期T細胞的基因差異表達與表面分子標志,可見分化早期的T淋巴細胞顯著高表達淋巴歸巢分子(如CD62L、CCR7)[16]和共刺激分子(如CD27、CD28)。高表達的共刺激分子預示著早期CD8+T細胞強大的分化和活化潛能,而高表達的CD62L、CCR7等淋巴歸巢分子可促使活化早期T細胞制備的CAR-T在體內輸注后具有更高的淋巴組織歸巢能力[17]。通過歸巢至腫瘤抗原刺激的淋巴結能夠更有效增加CAR-T與專職APCs接觸的機會,更好地誘導CAR-T細胞靶向腫瘤抗原,活化并發(fā)揮殺傷腫瘤的功能。雖然在腫瘤免疫原性極強的情況下CAR-T細胞歸巢至淋巴結的必要性不大,但對于大多數(shù)腫瘤,其抗原性均較弱,因此要徹底清除和預防腫瘤復發(fā),淋巴歸巢循環(huán)的過程就非常重要,可加強機體免疫系統(tǒng)對腫瘤的免疫監(jiān)視[18]。利用終末分化的TEFF制備CAR-T,在輸注后的短期內其直接抗腫瘤活性也許很強,且部分實驗研究也表明CD62低表達的T細胞亞群比初始T細胞具有更好的抗腫瘤活性,但缺乏持久的抗腫瘤效應和免疫記憶性。因此,過度關注于研究分化終末期CD8+T細胞制備CAR-T的抗腫瘤性能,而忽視利用分化早期具有自我更新、免疫記憶和強大增殖潛力等特征的T細胞制備CAR-T,可能是當前多數(shù)CAR-T臨床實體瘤治療存在的誤區(qū)之一。
2.2.2 細胞因子的穩(wěn)定獲取是分化早期T細胞維持增殖和存活的重要條件 分化進程中的T細胞常常會因為缺少穩(wěn)定的細胞因子支持而無法正常增殖和存活,最終喪失抗腫瘤活性。IL-2是重要的淋巴細胞活性調節(jié)因子,無論是體外擴增腫瘤特異性的CD8+T細胞,還是體內過繼輸入CD8+CAR-T治療時都應給予一定水平的IL-2維持細胞增殖,撤去IL-2則會直接導致T細胞的凋亡[19]。在不同階段的T細胞分化模型中,只有分化早期的CD8+T細胞能通過自分泌的方式自給自足高水平的IL-2。幼稚期的T細胞需要進一步的抗原誘導分化才能獲得這種能力,而中晚期的CD8+T細胞則更多需要在Th1細胞的幫助下獲得IL-2。因此,能夠穩(wěn)定維持自身IL-2分泌水平、保障了自我增殖能力的早期CD8+T細胞,初步具備了構建高效率CD8+CAR-T的良好特征屬性。
IL-7和IL-15作為IL-2同家族的細胞因子,是T淋巴細胞增殖、活化及維持分化的重要分子,對CD8+記憶T細胞的生成與存活尤為關鍵。IL-7Rα亞基(CD127)是分化早期T細胞轉化為長壽命的記憶T細胞的標志之一[20],且中晚期的T細胞表達低水平IL-7Rα不利于其自身的生存。日本學者制備的“7×19”CAR-T就是基于這一原理[21],將IL-7和CCL19分子聯(lián)合CAR共表達,通過增加局部的IL-7和CCL19水平,賦予CD8+CAR-T細胞額外的增殖能力和趨化能力,幫助其提升實體瘤殺傷效率,增強體內抗瘤能力,獲得了較為理想的效果。IL-15對維持記憶T細胞的免疫應答有重要作用,并在免疫應答結束時通常會促進CD8+TCM的生成[22]。IL-15對過繼轉移的CD8+CAR-T的生存和分化具有支持作用,常應用于體內外CAR-T細胞增殖和效應功能的維持,顯著提高了過繼CAR-T的抗腫瘤療效[23-24]。
IL-21能與IL-7和IL-15產生強烈的協(xié)同效應,共同調控CD8+T細胞的增殖。此外,IL-21還可以抑制由IL-15引起的初始CD8+T細胞CD28、CD62L分子的下調,使其繼續(xù)發(fā)揮共刺激和淋巴歸巢的能力[25]。Moroz等[26]在早年就揭示了IL-21潛在的抗腫瘤性能,對比IL-2與IL-15,小鼠腹腔注射IL-21不僅不良反應極小,還有效地加倍了50%胸腺瘤小鼠的生存時間。更進一步的研究指出,IL-21治療使荷瘤小鼠生存率提高歸因于CD8+CD27highCD28highCD45RO+記憶型T細胞的產生[27]。盡管IL-21對記憶型T細胞產生的作用機制還未完全闡明,但其促進CD8+CAR-T殺傷腫瘤并誘導生成記憶型CAR-T已獲得不少體內外實驗的證實[28-30]。
復制性衰老是包括T細胞在內的所有體細胞的必經(jīng)末路,高表達KLRG-1的效應型記憶CD8+T細胞增殖潛力受限[31],從TEM到TEFF,細胞的復制能力持續(xù)降低,進入不可逆的復制性衰老期。盡管分化晚期的CD8+T細胞是腫瘤高度反應性的T細胞,但是這些T細胞已經(jīng)耗盡了增殖和存活能力,過繼移植這群終末分化期CD8+T細胞制備的CAR-T,在體內凋亡過度,顯然不利于實體腫瘤的治療。T細胞活化誘導的細胞凋亡(AICD)是維持機體免疫穩(wěn)態(tài)、防止自身免疫性疾病發(fā)生的重要機制,高度分化的CD8+T細胞大量表達CD95/Fas,F(xiàn)as-FasL介導的凋亡途徑活化明顯。與此同時,促凋亡的BH3結構域凋亡誘導蛋白BID、BAD也在這群CD8+T細胞中過度表達[15]。除此之外,腫瘤微環(huán)境中的免疫抑制分子PD-1/PDL1/CTLA-4是導致該類細胞制備的CAR-T在實體腫瘤中發(fā)生耗竭的重要因素[32],通過加入抗4-1BB的抗體以及對PDL1和CTLA-4負性調控分子進行中和,抑制CD8+T細胞的過度活化,阻止細胞的終末分化進程,有效減少了CD8+TILs的凋亡,促進其在腫瘤局部的有效積聚,提高了CD8+TILs抗實體腫瘤的能力[33]。
抑制性的腫瘤微環(huán)境是CAR-T實體瘤療法亟待解決的重大問題。相對于血液系統(tǒng)腫瘤較弱的免疫信號抑制,實體瘤通常被多種類型的促瘤細胞浸潤,如支持腫瘤生長的脈管系統(tǒng),M2型巨噬細胞(TAMs),調節(jié)性T細胞和骨髓來源的抑制性細胞(MDSCs)等。除此以外,免疫檢查點的抑制信號及腫瘤組織異常表達的TGF-β,都是阻遏CAR-T細胞向腫瘤組織浸潤的重要因素[34]。處于分化晚期的TEFF細胞,僅具有短期介導腫瘤溶解與破壞的能力,無法長期在抑制性的腫瘤微環(huán)境中持續(xù)殺傷腫瘤細胞,尤其還要面對惡性腫瘤中多能癌癥干細胞的長期克隆增殖。而處于分化早期的CD8+T細胞群體,包含了更多的TSCM與TCM,不僅能通過活躍的分化產生更多的高細胞毒性TEM和TEFF來維持長時間的免疫攻擊,還能同時維持低分化TSCM和TCM的持續(xù)供應,不斷刷新細胞毒性效應T細胞的儲存池[35-37]。這種長效維持的殺傷方式,可能使具有自我更新、增殖存活和再活化能力的早期T細胞最終清除所有的腫瘤細胞,包括多能癌癥干細胞,從而達到治愈實體瘤的可能。
隨著CAR編輯技術的蓬勃發(fā)展,利用基因工程將多能干細胞誘導構建CAR-T也取得了長足進步。通過編輯干細胞樣的T細胞亞群制備CAR-T能有效克服目前過繼免疫治療可能出現(xiàn)的無效增殖、體內生存期短和不能介導長效免疫應答的缺陷[38-39]。Xu等[40]在14名接受CD19-CAR-T治療的B細胞惡性腫瘤患者中研究發(fā)現(xiàn),CAR-T群體中表現(xiàn)為CD8+CD45RA+CCR7+的特殊亞群顯著促進過繼T細胞在體內的抗腫瘤療效,這群細胞的數(shù)量是體內CAR-T持續(xù)增殖的唯一關鍵,也是持久抗腫瘤的重要保證。這一特殊的細胞群體符合記憶性T細胞的特征,并在IL-7和IL-15的支持下具有更優(yōu)良的抗腫瘤特性。過繼輸入具有干細胞特征的CAR-T進行腫瘤免疫治療,可誘導產生記憶性T細胞并長期存活。這一現(xiàn)象在其他血液系統(tǒng)腫瘤的治療中也得到印證[41]。相對于同時期的標準CD19-CAR-T治療組,在急性B淋巴細胞性白血病的NSG模型小鼠中,使用具有干細胞特性的記憶T細胞制備的CAR-T治療,可產生100%的緩解效率[29]。
利用干細胞樣記憶型T細胞制備的CAR-T在血液腫瘤患者體內具有持久的療效,促使研究者嘗試將具有干細胞性質的T淋巴細胞應用于CAR-T實體腫瘤治療。從CD8+T干細胞潛能的Waddington模型可以看出[42],類干細胞的功能屬性和信號通路在T淋巴細胞的發(fā)育分化成熟的各個亞群中具有共享性,即終末分化階段前的各淋巴T細胞亞群均具有分化為記憶T細胞的能力。初始T淋巴細胞通過漸進分化持續(xù)過渡為終末效應T細胞,在此分化過程中雖然其干細胞特征逐步弱化,但這些階段產生的各種記憶型T細胞都維持有一定的干細胞特征,是維持人體免疫的中堅力量。因此,在CD8+CAR-T實體瘤治療方面,除終末效應T細胞之外,各階段的記憶淋巴細胞亞群都可能是CAR-T很好的來源,但尚需要大量的研究證實和優(yōu)化。
目前用于制作CD8+CAR-T進行過繼免疫治療的方法基本都屬于20多年前開發(fā)策略的延續(xù),當時T細胞分化對體內抗腫瘤療效的影響尚未得到充分認知。這些誘導方法過度注重對T細胞強有力的體外活化刺激,包括使用CD3單克隆抗體、高濃度的IL-2和高特異性抗原肽致敏,從而獲得了大量腫瘤反應性CAR-T,雖然其在體外可分泌高水平IFN-γ,儲備了大量的穿孔素和顆粒酶,對靶腫瘤細胞具有非常強大的直接殺傷能力,但不可避免地推動了T細胞走向終末分化,進入衰老的進程。終末分化的TEFF喪失多種功能,表現(xiàn)為① 淋巴歸巢和共刺激分子表達下調;② 不能分泌大量的IL-2和穩(wěn)定獲得細胞因子; ③ 進入凋亡和復制性衰老狀態(tài); ④ PD-1/LAG3/CTLA-4等負性分子表達上調。而分化早期的CD8+T細胞干細胞樣標志明顯,自我更新能力強、具有持續(xù)的分化能力和免疫記憶功能。包括TSCM、TCM在內的早期記憶型T細胞表達高水平的共刺激分子和歸巢受體,具有穩(wěn)定的細胞因子自分泌與攝取能力,可以在腫瘤局部進行良好的自我更新與補充。因此,對不同CD8+T分化狀態(tài)、功能特性進行比較與總結,免疫過繼療法中CD8+T淋巴細胞的選擇應該涵蓋對其4個基本方面的考察: ① 體外腫瘤殺傷效力;② 體內活化能力; ③ 增殖能力; ④ 存活能力和免疫記憶能力。這4個方面的T細胞評估對CAR-T實體腫瘤治療具有重要意義。