TCR-T VS CAR-T,细胞疗法 “好兄弟”

2021
10/01

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肿瘤,一种机体自身细胞失去调控而异常生长引起的疾病,随着科学的发展,采用不同的方法治疗。从手术切除,放、化疗,再到时下大热的CAR-T疗法,无一不展现着人类应对恶疾的智慧。

▉  导读

肿瘤,一种机体自身细胞失去调控而异常生长引起的疾病,随着科学的发展,采用不同的方法治疗。从手术切除,放、化疗,再到时下大热的CAR-T疗法,无一不展现着人类应对恶疾的智慧。免疫学研究中,我们认识到T细胞的“杀手”功能。如今,我们通过各种技术手段对其进行改造,用以治疗人类疾病。

▉T细胞

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T细胞起源于骨髓,成熟于胸腺,经过选择(包括阳性选择和阴性选择。T细胞在胸腺发育过程中根据表面CD4和CD8表达的不同,分为三个阶段:双阴性CD4-CD8-、双阳性CD4+CD8+、单阳性CD4+或CD8+。阳性选择是T细胞发展到双阳性阶段经历的特定检查点,TCR可与抗原肽-MHC结合的T细胞被保留,其余无法结合的双阳性T细胞发生凋亡,淘汰率95%以上。同时,阳性选择决定了T细胞的最初分化,TCR能识别胸腺上皮细胞表达的MHC II类分子,双阳性T细胞会分化为CD4+T细胞,能识别MHC I类分子,会分化为CD8+T细胞。阳性选择后,T细胞在胸腺髓质经历阴性选择,如果TCR与胸腺树突状细胞或胸腺髓质上皮细胞自身抗原肽-MHC高亲和力结合,会诱导凋亡;中等亲和力结合,会发育成具有抑制活性的天然调节性T细胞;低亲和力结合,才能成为最终存活并成熟的T细胞。),通过血液循环和淋巴循环进入外周。

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T细胞在胸腺经历“阳性选择”与“阴性选择”

外周T细胞包括不同亚,如初始T细胞(Naive T cells),具有与新抗原反应的能力;记忆T细胞(Memory T cells),源于历史抗原激活,可提供长期免疫;调节性T细胞(Treg),可分为天然Treg和诱导型Treg,负免疫调节作用。

免疫反应是这样发生的:初始T细胞与携带抗原的树突状细胞(DC)接触,TCR与抗原肽-MHC结合,引发T细胞分泌IL-2,IL-2促进T细胞增殖并分化为效应T细胞(Effector cells),效应T细胞迁移至不同位点清除靶抗原。活化的效应细胞寿命很短,一部分作为记忆T细胞留存下来,记忆T细胞具有迁移能力、定位位点、自我更新能力差异,但其均可提供长期免疫,并在再次遇到相同抗原时,迅速启动免疫保护。

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人类不同发育阶段T细胞功能变化

人类的成长发育过程中,T细胞的组成和功能也会发生变化。

婴儿期和童年,T细胞以源自胸腺的初始T细胞为主,同时伴有大量Treg。该阶段,当机体遇到大量新生抗原时,初始T细胞发挥重要功能,Treg则为普遍存在且无害的抗原提供耐受,同时记忆T细胞形成。记忆T细胞在童年积累,在青少年趋于稳定,并维持数十年。青年阶段,新抗原出现减少,免疫耐受不再普遍,T细胞的功能以维持稳态,发挥免疫调节、免疫监视作用为主(大量重复抗原、慢性疾病以及肿瘤监测)。老年阶段,免疫衰退,炎症增加,出现免疫失调。

70141633044024450  不同年龄阶段,不同机体部位,T细胞组成区别

T细胞几乎存在于机体的每个器官和组织。

其中淋巴组织,如骨髓、脾脏、扁桃体最多,大约有500-700个淋巴结。粘膜部位,如肺、小肠、大肠和皮肤也很多。外周血T细胞仅占总体的2-3%。生命早期,初始T细胞和Treg主要存在于淋巴结和粘膜,记忆T细胞位于如小肠、肺等粘膜。童年以后,记忆T细胞作为主要T细胞亚群位于整个身体。与粘膜和屏障区相比,淋巴组织中记忆性T细胞较少,揭示不仅在生命不同阶段,而且在不同机体部位,T细胞也发挥不同功能。

▉肿瘤免疫逃逸

尽管免疫系统时时刻刻保护着我们的身体,避免外界和自身的伤害,可作为“敌方”的抗原也想摆脱免疫系统的攻击,实现自我的圆满。肿瘤免疫逃逸(Tumor immune escape)即是在这种“敌我较量”中,肿瘤细胞逃脱免疫监视的过程,其结果自然是肿瘤细胞的存活及无限增殖。

肿瘤细胞主要通过以下几个机制逃避免疫:

一、低免疫原性。也就是说,免疫细胞把他们当成正常细胞。Why?Because部分肿瘤细胞不表达正常细胞以外的蛋白肽。而另一些肿瘤则已失去一个或多个MHC分子,并且大多数不表达激活初始T细胞所需的共刺激蛋白。(肿瘤生态学,哈哈)

二、被识别为自体抗原。在没有共刺激信号的情况下,提呈的肿瘤抗原被T细胞应答后,T细胞发生免疫耐受。(这点更厉害)

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 肿瘤逃逸机制

三、抗原调整、变化作用。这点来说,肿瘤好像孙悟空,他会72变。肿瘤最初表达的抗原其实是可以被免疫系统识别和攻击的。但随着肿瘤特异性抗体的出现,被抗体识别的肿瘤抗原发生诱导型内化,同时由于肿瘤细胞不断发生基因重排,其表达抗原也会发生变异,从而使这些抗原减少甚至消失,最后这些不表达该抗原的肿瘤细胞形成选择优势。

四、肿瘤诱导的免疫抑制作用。肿瘤通常产生免疫抑制分子,如TGF-β、IL-10,IDO(通常指IDO01,色氨酸双加氧酶,炎症反应中,干扰素γ可诱导IDO01的表达,作为免疫应答的一部分,通过消耗病原体生长所需的色氨酸,实现保护宿主免受病原体感染的作用。肿瘤组织中,肿瘤细胞通过该物质抑制机体免疫应答,同时促进肿瘤细胞血管生成。)或PD-L 1,可以直接抑制免疫应答,也可以招募Treg,发挥免疫系统抑制作用。

五、肿瘤诱导产生豁免区域,即肿瘤细胞瘤通过分泌如胶原蛋白等大分子,在肿瘤周围形成物理屏障,阻止淋巴细胞、APC抗原提呈细胞等进入肿瘤区。

总结肿瘤逃逸机制通俗版:我是好人,把我当成好人,我藏起来,看我的厉害,我有保护罩。

然而,尽管肿瘤细胞通晓“72变”,依然逃不过“如来佛祖”科学家们的法宝,其中就包括CAR-T和TCR-T。

▉CAR-T VS TCR-T

然而,尽管肿瘤细胞通晓“72变”,依然逃不过“如来佛祖”科学家们的法宝,其中就包括CAR-T和TCR-T。

CAR-T就是时下国内大热的嵌合抗原受体T细胞疗法,在血液性肿瘤领域疗效显著。凭借着CD19靶点,在临床试验中获得了亮眼的数据。CAR-T简单来说,就是在T细胞上嵌合抗原受体。靶点的选择最为关键(需要靶向性好,在正常组织几乎不表达),靶点选择好后,通过筛选该抗原特异性单克隆抗体,获得scFv编码基因序列。在该序列中添加铰链区,跨膜结构域,胞内信号传导结构域基因序列构成CAR基因(具体可参考该链接:CAR-T疗法的深入总结)。CAR基因通过病毒或非病毒载体形式导入T细胞(外周血分离病人特异性T细胞),在T细胞内表达,形成CAR-T细胞。

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 CAR-T细胞之CAR结构

CAR-T细胞与TCR-T细胞最大的区别在于前者不受MHC限制,只要scFv与靶抗原结合即可激活T细胞功能。在实体瘤治疗方面,可用于CAR-T细胞制备的靶点筛选困难,几乎找不到仅在肿瘤组织表达,而在正常组织不表达的靶点。由于肿瘤细胞具有免疫逃逸机制,即便筛选到合适靶点,肿瘤细胞也会在CAR-T杀伤过程中,出现抗原丢失或调节。同时在肿瘤细胞表面表达受体促进CAR-T细胞凋亡。CAR-T细胞在实体瘤领域最大的致命伤为仅可与细胞表面抗原结合,面对实体瘤构建的层层壁垒,CAR-T细胞发挥不了任何作用。

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针对上述CAR-T面对实体瘤的尴尬,科研人员也提出一些方法供实验参考。

1、一些细胞因子受体可以识别上调的肿瘤微环境(TME)中的细胞因子,通过构建装载这些细胞因子受体的CAR-T细胞,增加CAR-T细胞的浸润能力。同时,也可设计可解离TME中胞外基质的CAR-T细胞用以清除物理屏障。

2、可以构建既可靶向肿瘤细胞,也可靶向免疫抑制因子免疫抑制细胞的CAR-T细胞,以对抗肿瘤免疫抑制效应。

3、通过加强胞内信号传导结构域信号传导功能,降低T细胞耗竭。

与CAR-T相比,TCR-T更类似于人体中天然的T细胞,实际上,TCR-T构想最初源于TIL(肿瘤浸润T淋巴细胞),一种天然存在于肿瘤组织中的T细胞。由于TIL数量较少,不是任何肿瘤组织中都存在,于是科学家们想到了制备工程化TIL,也即是当前TCR-T的前身。与CAR-T相比,TCR-T不仅能够靶向细胞表面蛋白质,还可以靶向胞内蛋白质。正是这点,使TCR-T更适合应用于实体瘤治疗(扩大靶点选择范围)。

71501633044024884 CAR结构和1-4代CAR区别

肿瘤抗原包括TAA和新抗原两类,TAA为肿瘤相关抗原,在肿瘤组织中大量表达,在正常组织表达受限;新抗原为仅在肿瘤组织表达的抗原,是细胞基因变异的结果。关注新抗原是癌症免疫治疗的有效选择,由于新抗原不会传递给胸腺细胞,因此T细胞不会经历阴性选择,提高了筛选高亲和力TCR的机会。然而,新抗原往往具有患者差异,使临床开发受限。其次,新抗原在整个肿瘤组织中,可能是异质的,存在不均一性。而且,不同肿瘤的突变率差异大,不是所有肿瘤都存在新抗原。

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图源 National Cancer Institute

TCR-T在工程免疫学发展史上早于CAR-T,CAR-T在临床开发上比TCR-T成熟,相比于CAR-T,TCR-T在临床开发上设计的环节更多,譬如靶点选择,TCR中α、β链匹配,TCR亲和力调整等,而且受到MHC限制。

毫无疑问,CAR-T的成功应用必定推动细胞治疗领域的发展,TCR-T的开发必定在实体瘤治疗领域掀起一番波澜。未来,随着溶瘤病毒的开发,多技术的合作,必将给人类肿瘤治疗带来更多福祉。

参考文献:

1. The Role of the Thymus in the Immune Response.Thorac Surg Clin. 2019 May;29(2):123-131.  

2. Thymus machinery for T-cell selection.Int Immunol. 2019 Mar; 31(3): 119–125.

3. Human T cell development, localization, and function throughout life.Immunity. 2018 Feb 20; 48(2): 202–213.

4. 《janeway's immunobiology(8th)》:Garland Science,2011-7-25:685-687

5. Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy: The Light of Day for Osteosarcoma.Cancers (Basel). 2021 Sep; 13(17): 4469.

6. TCR Redirected T Cells for Cancer Treatment: Achievements, Hurdles, and Goals.Front Immunol. 2020; 11: 1689.

7. TCR-based Immunotherapy for Hematologic Malignancies.Cancer J. 2019 May-Jun; 25(3): 179–190.

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关键词:
Treg,好兄弟,TCR,疗法,VS,细胞,肿瘤,抗原,免疫,胸腺,阳性,靶点,机体

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