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PD-1和CAR-T各有千秋,聯用會怎麼樣?


- 2018年11月08日01時53分
- 科學文摘 / 生物谷

生物谷

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谷 君 說

因科學家們在免疫檢查點抑制劑療法和CAT-T細胞免疫療法取得的重大進展,癌症免疫療法被《Science》期刊評為2013年年度十大科學突破之首。


PD-1阻斷+CAR-T聯用

文/ towersimper

鑒於CAR-T細胞免疫療法和PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑都存在各自的缺陷:

CAR-T細胞需要PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑在腫瘤微環境中抵抗免疫抑制。

而PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑需要在腫瘤微環境中有足夠的腫瘤特異性T細胞。

一種有前景的方法就是將這兩類免疫療法結合起來,發揮1+1≥2的效果, 極大地提高治療人類腫瘤的療效。


同時降低藥物的毒副作用,從而讓患者從中受益。

CAR-T療法的優點和缺陷

CAR-T(Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy),即嵌合抗原受體T細胞免疫療法。

該療法是一種出現了很多年,但近幾年才被改良使用到臨床中的新型細胞療法。

在急性白血病和非霍奇金淋巴瘤的治療上有著顯著的療效,被認為是最有前景的腫瘤治療方式之一。

近年來,CAR-T免疫療法除了被用來治療急性白血病和非霍奇金淋巴瘤之外。

經改進後,也有望用來治療實體瘤、自身免疫疾病、HIV感染和移植排斥等疾病,具有更廣闊的應用空間。

正如所有的技術一樣,CAR-T技術也經歷一個漫長的演化過程,正是在這一系列的演化過程中,CAR-T技術逐漸走向成熟。

圖1. CAR-T細胞免疫療法示意圖,圖片來自Frontiers in Immunology, doi:10.3389/fimmu.2016.00353.

這種新的治療策略的關鍵之處在於構建一種被稱作嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor, CAR)的人工受體來特異性地識別在癌細胞表面上表達的抗原。

如B細胞惡性腫瘤的CD19、CD20和CD22,膠質母細胞瘤的EGFRRVIII。

CAR由一段胞外單鏈抗原可變區片段(scFV)、跨膜區和胞內信號區3個部分組成。

第一代CAR將scFV區與激活抗原特異性T細胞的CD3ζ胞內信號區連接。

之後,開發的CAR包含了額外的共刺激信號(CD28、4-1BB和OX40,第二代CAR包含其中的一個,第三代CAR包含其中的兩個)來增強和維持T細胞功效。

然而,患者的T細胞本身並不表達這種CAR,畢竟它是一種人工受體,是特異性地針對癌細胞表面上存在的抗原人工設計出來的。

在人體臨床試驗中,科學家們通過一種類似透析的過程提取出病人體內的一些T細胞。

在實驗室對它們進行基因修飾,將編碼這種CAR的基因導入,這樣這些T細胞就能夠表達這種新的受體,如圖1所示。

這些經過基因修飾的T細胞在實驗室進行增殖,隨後將它們灌注回病人體內。

這些T細胞利用它們表達的CAR受體特異性地結合癌細胞表面上的抗原上,從而觸發一系列信號轉導事件。

最終強效地摧毀體內的癌細胞。

CAR-T細胞免疫療法儘管在治療血液腫瘤中有巨大的希望,但是同時也存在較大的副作用。

CAR-T細胞免疫療法帶來一個巨大的臨床風險就是細胞因子風暴。

當CAR-T細胞快速殺死癌細胞時,產生的大量細胞因子會對宿主其他組織器官發起驚人的攻擊,導致高燒、低壓、休克甚至死亡。

此外,血液腫瘤僅是癌症中的一小部分。

作為癌症中的大頭,實體瘤遠比血液腫瘤複雜得多。

儘管初步研究已表明CAR-T細胞免疫療法在實體瘤方面具有不錯的安全性和有效性。

但是接受治療的患者也會出現敗血症、氣短和白細胞水平升高等副作用。

對實體瘤的治療似乎並沒有想像中的那麼樂觀。

免疫檢查點抑制劑療法的優點和缺陷

在正常情況下,為了阻止活化的T細胞破壞正常的人體細胞,免疫系統能夠通過激活PD-1/PD-L1等免疫檢查點來控制T細胞的活化進程。

防止出現T細胞錯誤地攻擊正常的細胞。

然而,癌細胞通過表達表面蛋白PD-L1特異性地識別T細胞表面上的PD-1,竊取這種控制機制。

從而激活免疫檢查點來抑制T細胞的免疫活性,這就會導致癌細胞逃避免疫識別和茁壯生長,如圖2所示。

這就為癌症治療開創了全新的免疫治療思路——通過免疫檢查點抑制劑阻斷CTLA-4或PD-1等免疫檢查點。

阻止癌細胞竊取這種控制機制,從而釋放免疫系統自身的能力來攻擊癌症。

圖2.腫瘤細胞逃避T細胞免疫識別機制,圖片來自Nature Reviews Cancer, doi:10.1038/nrc3239.

免疫檢查點抑制劑治療通過抑制免疫檢查點活性,釋放腫瘤微環境中的免疫剎車,重新激活T 細胞對腫瘤的免疫應答效應。

從而達到抗腫瘤的作用。PD-1的天然配體有兩個,分別為PD-L1和PD-L2。

目前研究和應用最廣泛的免疫檢查點抑制劑之一就是PD-1 /PD-L1 的抑制劑,如圖3所示。

圖3.PD-1/PD-L1抑制劑作用機制,圖片來自Trends in Molecular Medicine, doi:10.1016/j.molmed.2014.10.009.

目前,實際上只有約20%~40%的患者能夠從PD-1/PD-L1抑制劑治療中獲益。

兩個重要因素是免疫抑制性的腫瘤微環境中缺乏腫瘤特異性T細胞和T細胞經歷功能性耗竭。

兩類免疫療法聯用的進展和前景

近年來,科學家們在CAR-T細胞免疫療法和PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑聯用方面不斷取得進展。

讓我們一起看看這個領域取得的最新進展。

圖4. 表達抗PD-1抗體的CAR-T細胞免疫療法作用機制,圖片來自Nature Biotechnology, doi:10.1038/nbt.4195.

2018年8月,Sarwish Rafiq等人構建出兩類新型CAR-T細胞:一類靶向在某些血癌細胞中表達的CD19抗原。

另一類靶向在某些卵巢癌和胰腺癌等實體瘤中表達的MUC16抗原。

接著,通過基因改造,將一種抗PD-1抗體的簡化版本-單鏈抗體可變區片段(scFv)-的編碼基因導入到已經構建好的 CAR-T 細胞中。

這樣經過基因改造後的CAR-T 細胞就能夠分泌scFv<1>,如圖4所示。

他們發現在實體瘤和血癌的多種小鼠模型中,這兩類新型CAR-T細胞在體內存留時間更長,療效更好。

更重要的是,由於免疫檢查點抑制劑scFv在癌症附近釋放,它們能夠激活癌症附近的T細胞。

從而招募患者自身的T細胞一起來殺傷癌症。

再者,血液中具有很低的scFv水平,這表明這種免疫檢查點抑制劑沒有擴散到離癌症很遠的地方。

這樣就能夠降低全身性的副作用。

2017年2月,Nan Chen等人通過基因工程技術構建了CAR-T細胞過表達PD-1顯性陰性受體(DNR, 缺乏PD-1跨膜區和胞內信號區的PD-1受體)。

實驗結果確實表明:

表達PD-1 DNR的M28z CAR-T細胞能更好控制腫瘤負荷和延長中位生存期。

不過,一些小鼠在使用單劑量的表達PD-1 DNR的M28z CAR-T細胞後出現了腫瘤復發。

2017年,胥階英構建出靶向EGFR家族成員並且高水平穩定表達抗PD-1抗體的Herin CAR-T細胞。

實驗結果表明當進行共培養時,表達表達抗PD-1抗體的Herin CAR-T細胞能夠更有效地殺傷肺癌細胞株NCI-H1299、NCI-H460、NCI-H23和H446。

在NCI-H460小鼠移植瘤模型中,分泌PD-1抗體的CAR-T細胞能夠在小鼠體內更好地增殖和更有效地抑制腫瘤的生長<3>。

圖5.利用CRISPR/Cas9構建缺乏PD-1的CAR-T細胞流程.

2017年4月,Wendell Lim及其團隊以慢病毒為載體運送CRISPR/Cas9編碼基因。

從而構建出缺乏PD-1的anti-CD19 CAR-T細胞,如圖5所示。

這種PD-1破壞增強了CAR-T細胞介導的體外腫瘤細胞殺傷並增強了清除體內PD-L1陽性腫瘤異種移植物的效果。

這就為利用精確基因組工程改進下一代細胞療法鋪平了道路<4>。

腫瘤微環境中的PD-1上調會抑制基於CD28和4-1BB共刺激的第二代CAR-T細胞的功能。

然而,通過抗PD-1抗體、細胞內源性PD-1 shRNA阻斷或PD-1顯性負性受體(PD-1 DNR)阻斷干擾PD-1/PD-L1通路能夠恢復CAR-T細胞的效應功能<5>

這表明阻斷PD-1/PD-L1可能是一種改善CAR-T細胞免疫療法療效的有效策略。

2018年1月,Kite製藥公司(Kite Pharma)公布一項名為ZUMA-6的I/II期臨床試驗結果(NCT02926833)。

證明了它的anti-CD19 CAR-T細胞產品Yescarta (axi-cel)聯合羅氏的PD-L1抑制劑Tecentriq治療瀰漫性大B細胞淋巴瘤(DLBCL)患者安全有效<6>。

總體有效率(ORR)為89%(n = 8/9),其中完全緩解率(CR)為56%(n = 5/9)。

除了提起的Kite製藥公司和羅氏之間共同開展的CAR-T與PD-L1聯合用藥的臨床試驗之外。

Juno治療公司(Juno Therapeutics)也與阿斯利康達成了合作協議。

共同推進它的在研CAR-T細胞產品JCAR014聯合後者的PD-L1抑制劑Durvalumab治療非霍奇金淋巴瘤的臨床試驗(NCT02706405)。

當前,CAR-T細胞免疫治療技術的一個不足之處在於灌注到患者體內後,T細胞傾向於變成「耗竭(exhausted)」狀態。

相比於對抗疾病的功能性T細胞,耗竭T細胞的一個比較明顯的區別是它們能夠表達PD-1。

2016年12月,鑒於Nicholas Haining及其團隊發現在慢性病毒感染的小鼠中,不同於能夠有效對抗感染或癌症的T細胞的是:

耗竭T細胞受一組不同的分子通路控制。

他們還發現藉助於CRISPR/Cas9技術剔除一段促進PD-1產生的耗竭特異性增強子,會降低PD-1表達。

這就為改善CAR-T細胞免疫療法提供了可能<7>。

與此同時,Haining團隊在另一項研究中發現阻斷PD-1使得耗竭T細胞短暫地獲得了功能性T細胞的功能。

但是在表觀遺傳學方面很大程度上仍然是未改變了,這表明阻斷PD-1帶來的益處來自於耗竭T細胞的短暫活化。

而不是它們在耗竭狀態上的永久性改變<8>。

一名患有難治性瀰漫性大B細胞淋巴瘤(DLBCL)和進展性淋巴瘤的患者在接受靶向CD19的CAR-T細胞免疫療法後接受抗PD-1抗體治療。

結果這名患者具有臨床顯著的抗腫瘤反應。

CAR-T細胞發生增殖和降低這些T細胞中的PD-1和 Eomes共表達<9>。

這個病例表明抗PD-1抗體可有效治療對CAR-T細胞免疫療法不作出反應的癌症。

2016年6月,Tessa Gargett等人構建出靶向GD2的第三代CAR-T細胞。

並發現體外培養時,在遭受重複抗原刺激下,CAR-T細胞發生顯著的激活誘導細胞死亡(activation-induced cell death, AICD)。


而PD-1阻斷可增加CAR-T細胞存活,促進它們殺滅PD-L1陽性的黑色素瘤細胞系<10>。

他們在治療轉移性黑色素瘤時,評估了CAR-T細胞在參與I期臨床試驗CARPETS的患者中的持久性 。

這些數據表明PD-1靶向組合治療方法可能用於增強CAR-T細胞的療效和在患者體內的持久性。

PD-1和CAR-T各有千秋,聯用會怎麼樣?圖片

圖6. PD-1阻斷在體內增強CAR-T細胞免疫治療效果,圖片來自OncoImmunology, doi:10.4161/onci.26286.

2013年10月,Liza John等人構建出靶向Her-2的CAR-T細胞。

在Her-2轉基因受者小鼠的過繼轉移研究中,在接受靶向Her-2的CAR-T細胞與抗PD-1抗體組合治療後。

對兩種不同Her-2陽性腫瘤的生長抑製得到顯著改善。

這種改善與CAR-T細胞的功能增強(其特徵就是更高的胞內IFNγ表達)存在關聯<11><12>,如圖6所示。

他們還在接受這種組合治療的小鼠的腫瘤微環境中觀察到:

Gr1+ CD11b+髓源性抑制細胞(myeloid-derived suppressor cell)所占的比例顯著下降。

這種組合療法不會導致這些小鼠出現自身免疫反應。

2017年3月,Inna Serganova等人構建出靶向人攝護腺特異性膜抗原(hPSMA)的人CAR -T細胞。

在Myc-CaP攝護腺瘤小鼠模型中證實相比於單獨使用過繼性CAR -T細胞免疫療法時,CAR -T細胞免疫療法與抗PD-1單抗聯用可增強CAR -T細胞的療效。

不過,這種治療反應持續時間相對較短,這提示著其他的免疫調節機制限制著CAR -T細胞在小鼠攝護腺瘤中的功能和持久存在<13>。

迄今為止,科學家們利用CAR-T細胞免疫療法和PD-1/PD-L1免疫檢查點抑制劑開展組合治療的研究並不多見。

以上列出的一些研究是其中的典型代表。

目前的這種組合治療僅局限在細胞模型和動物模型上。

或者雖然已開展人體臨床試驗。仍然停留在I期期臨床試驗階段。

參與臨床試驗的患者人數仍然偏少,仍需通過招募更多的患者人數來開展II期和III期臨床試驗。

最終,能否得到各國監管機構的批准,仍是未知數。

未來,隨著科學家們不斷取得新的突破,這種組合治療有望為更多癌症患者帶來福音。

參考文獻:

1.Sarwish Rafiq et al. Targeted delivery of a PD-1-blocking scFv by CAR-T cells enhances anti-tumor efficacy in vivo. Nature Biotechnology, Published Online: 13 August 2018,

doi:10.1038/nbt.4195.

2.Nan Chen et al. CAR T-cell intrinsic PD-1 checkpoint blockade: A two-in-one approach for solid tumor immunotherapy. OncoImmunology, 2017, 6(2), doi:10.1080/2162402X.2016.1273302.

3.胥階英. 靶向EGFR家族成員分泌PD-1抗體的CAR-T細胞治療肺癌的實驗研究. 浙江理工大學2017年碩士論文.

4.Levi Rupp et al. CRISPR/Cas9-mediated PD-1 disruption enhances anti-tumor efficacy of human chimeric antigen receptor T cells. Scientific Reports, Published online: 07 April 2017,

doi:10.1038/s41598-017-00462-8.

5.Leonid Cherkassky et al. Human CAR T cells with cell-intrinsic PD-1 checkpoint blockade resist tumor-mediated inhibition. Journal of Clinical Investigation, First published: 25 July 2016,

doi:10.1172/JCI83092.

6. A Study Evaluating KTE-C19 in Combination With Atezolizumab in Subjects With Refractory Diffuse Large B-Cell Lymphoma (DLBCL) (ZUMA-6)

https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02926833?id=ZUMA-6

7.Debattama Sen et al. The epigenetic landscape of T cell exhaustion. Science, 02 Dec 2016, 354(6316):1165-1169.

8.Kristen Pauken et al. Epigenetic stability of exhausted T cells limits durability of reinvigoration by PD-1 blockade. Science, 02 Dec 2016, 354(6316):1160-1165.

9.Elise Chong et al. PD-1 blockade modulates chimeric antigen receptor (CAR)-modified T cells: refueling the CAR. Blood, 23 Feb 2017, 129(8):1039-1041.

10.Tessa Gargett et al. GD2-specific CAR T Cells Undergo Potent Activation and Deletion Following Antigen Encounter but can be Protected From Activation-induced Cell Death by PD-1 Blockade.

Molecular Therapy, 1 Jun 2016, 24(6):1135-1149, doi:10.1038/mt.2016.63.

11.Liza John et al. Anti-PD-1 Antibody Therapy Potently Enhances the Eradication of Established Tumors By Gene-Modified T Cells. Clinical Cancer Research, October 2013, 19(20):5636-5646,

doi:10.1158/1078-0432.CCR-13-0458.

12.Liza John et al. Blockade of PD-1 immunosuppression boosts CAR T-cell therapy. OncoImmunology, Published online: 10 Oct 2013, doi:10.4161/onci.26286.

13.Inna Serganova et al. Enhancement of PSMA-Directed CAR Adoptive Immunotherapy by PD-1/PD-L1 Blockade. Molecular Therapy Oncolytics, 17 March 2017, 4:41-54, doi: 10.1016/j.omto.2016.11.005.

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