“喝红酒”治癌症?科学家请能杀肿瘤细胞的T细胞“喝红酒”

2021
08/23

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文汇报
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经过六年半科研攻关,他们成功开发出了一种红酒成分白藜芦醇调控转基因表达的控制系统,并利用该系统调控T细胞以提高肿瘤免疫治疗的安全性。

“喝红酒”治癌症?

两年前,华东师大科学家在《科学-转化医学》发表了研究:

在细胞里植入了分子“开关”

一喝绿茶就能释放胰岛素降血糖

这次发表的“姊妹篇”

请能杀肿瘤细胞的

T细胞“喝红酒”

“‘喝红酒’是通俗的说法,其实我们利用的是红酒中的有效成分白藜芦醇。”论文通讯作者,华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室研究员叶海峰表示,“在我们的设计中,白藜芦醇就像‘按开关的手’,能够决定T细胞去不去围攻肿瘤细胞。”

8月18日,叶海峰团队在《美国科学院院刊》PNAS上发表了题为Engineering genetic devices for in vivo control of therapeutic Tcell activity triggered by the dietary molecule resveratrol 的研究论文,经过六年半科研攻关,他们成功开发出了一种红酒成分白藜芦醇调控转基因表达的控制系统,并利用该系统调控T细胞以提高肿瘤免疫治疗的安全性。

华东师大生命科学学院2016级博士生杨林凤(已毕业)为该论文的第一作者,叶海峰教授为该论文的通讯作者。

为CAR-T细胞装上“按开关的手”

嵌合抗原受体T细胞疗法(CAR-T疗法)作为一种新兴的肿瘤免疫精准疗法,发展极其迅速,被普遍认为是人类最有潜力攻克癌症的疗法之一。2012年,女孩Emily使用CAR-T治疗白血病成功的案例更是点燃了全世界科学家探索CAR-T疗法和推广其临床应用的热情。

随着CAR-T疗法临床研究的深入,CAR-T疗法带来的副作用却让人始料未及,例如CAR-T疗法引发的细胞因子风暴严重影响了该疗法的安全性,限制了其临床推广。目前解决细胞因子风暴最有力的策略是控制CAR-T细胞活性,而如何安全、精准控制其活性是全球科学家共同面临的挑战。

在临床治疗中,虽然该类CAR-T细胞回输至体内后可快速识别并杀伤肿瘤细胞,但T细胞快速且剧烈的响应过程会引发大量细胞因子的释放,会导致细胞因子风暴、肿瘤溶解综合征等致命副作用。因此,如何在体内调控CAR-T细胞这一“活体药物”成为了当前肿瘤免疫治疗的重点和难点。

以此临床问题为导向,叶海峰团队构建了一种保健口服药白藜芦醇调控转基因表达的转录调控系统(ON/OFF),并将其用于可控的肿瘤免疫治疗,旨在实现CAR-T疗法的可控性。(注:研究中口服或注射用的白藜芦醇为化学制剂,并不是通过红酒给予的。)

白藜芦醇“开关”如何实现?

白藜芦醇(Resveratrol, RES)是一种有益于人类健康的非黄酮类多酚化合物,在葡萄、花生、虎杖等植物中普遍存在,具有抗氧化、抗炎、抗癌及心血管保护等作用,已被广泛用于保健品、化妆品、饮料、食品等领域。

鉴于白藜芦醇的安全性和有益性,研究团队设计构建了由白藜芦醇调控的转基因表达系统,通过白藜芦醇调控T细胞中CAR的表达(ON)与抑制(OFF),从而实现可控的CAR-T细胞免疫治疗(见图1)。

▲ 图1  白藜芦醇调控系统在CAR-T肿瘤免疫治疗中的应用

白藜芦醇调控转基因表达系统的构建

研究人员首先将来自于一种恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)中响应白藜芦醇的转录阻遏蛋白TtgR、TtgR特异识别的操纵子DNA序列OTtgR和转录抑制子(KRAB)/激活子(VPR)等生物功能元器件进行理性设计、组装和重编程,分别构建了白藜芦醇调控转基因表达的抑制系统(RESrep device)和诱导系统(RESind device)(见图2)。通过元件优化,最终分别获得了灵敏度高、诱导倍数高的基因表达抑制系统和诱导系统,并在哺乳动物细胞及小鼠体内均证实了优异的基因表达调控效果。

▲ 图2 白藜芦醇调控的抑制系统和诱导系统设计原理图以及在HEK293T细胞中的基因表达调控效果

白藜芦醇抑制CAR表达控制系统(RESrep-CAR)在体内、外对肿瘤细胞的杀伤

研究人员分别将白藜芦醇抑制系统和诱导系统安装至人的原代T细胞中,用于调控CAR受体的表达,从而实现通过白藜芦醇的剂量调控CAR-T细胞对肿瘤细胞的响应程度。

首先,研究人员设计通过白藜芦醇抑制转基因表达系统调控CAR受体的表达(RESrep-CAR),使白藜芦醇调控的抑制型CAR-T细胞在白藜芦醇不存在的情况下可以持续性表达CAR并杀伤肿瘤细胞,而当加入白藜芦醇时,则抑制CAR受体的表达,关闭CAR-T细胞的功能。通过优化,研究人员在T细胞中实现了可逆调控CAR的表达、细胞因子释放及肿瘤细胞杀伤(见图3)。

▲ 图3  RESrep-CAR装置在T细胞中的抑制CAR表达的调控效果

将工程化RESrep-CAR T细胞移植至人白血病小鼠模型(免疫缺陷型鼠NCG)体内,可通过调节白藜芦醇给药剂量来可控抑制细胞因子释放及肿瘤杀伤(见图4)。

▲ 图4  RESrep-CAR装置在小鼠体内调控T细胞功能的效果

白藜芦醇诱导CAR表达控制系统(RESind-CAR)在体内、外对肿瘤细胞的杀伤

接下来,团队通过白藜芦醇诱导基因表达系统调控CAR受体的表达(RESind-CAR),实现了通过白藜芦醇剂量调控CAR受体表达及CAR依赖的T细胞功能激活。体外及体内白血病肿瘤模型鼠的实验结果也展示了RESind-CAR对CAR-T细胞激活的优异调控效果。在白血病小鼠模型中,通过口服或者腹腔注射白藜芦醇都可以精准调控RESind-CAR T细胞对肿瘤细胞的杀伤,从而延长了小鼠的生存时间(见图5)。

▲ 图5  RESind装置在T细胞和NCG鼠中杀伤肿瘤的效果

综上,该研究成功开发了白藜芦醇调控转基因表达的抑制系统(RESrep)和诱导系统(RESind),为合成生物学研究增添了一个有力的基因控制工具。同时研究人员提供了一种安全可控的CAR-T细胞肿瘤免疫治疗新方法。

更重要的是,白藜芦醇具有极高的保健和药用价值,被视为一种特别适合临床应用的触发分子开关。该研究所构建的白藜芦醇调控基因表达系统也可用于精准调控任意基因编码的治疗蛋白(酶、抗体、激素等),有望用于其它精准可控的药物递送,为未来基于基因和细胞治疗的精准医学提供一种安全、精准可控的新工具。

该研究工作受到了华东师大“幸福之花”项目、上海市科委、国家自然科学基金委、国家重点研发计划的支持。

(注:研究中口服或注射用的白藜芦醇为化学制剂,并不是通过红酒给予的。过量饮酒,有害健康!)

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关键词:
白藜芦醇,CAR-T,肿瘤细胞,基因表达

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