TCR工程T细胞的挑战和新策略

2022
04/26

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T细胞的持久性是持久性免疫监测的基本要求,为了维持转移的T细胞的持久性,多种细胞因子被联合应用以支持T细胞的存活和扩增。

近年来,肿瘤免疫治疗方兴未艾,群雄并起,其中最有效的治疗策略之一就是过继细胞转移疗法(ACT)。包括患者来源的肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)、嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)和T细胞受体工程化T细胞(TCR-T)的过继细胞转移疗法获得了显著的临床进展。

TCR-T使用针对肿瘤而优化的特异性TCR,能识别来自细胞表面和细胞内靶点的表位,包括肿瘤相关抗原、癌胚抗原、病毒癌蛋白和肿瘤特异性新抗原(neoAg),这些抗原主要分布在肿瘤细胞的细胞质和细胞核中。此外,由于TCR针对敏感抗原而开发的,因此它们能够以远低于CAR-T激活所需的浓度识别表位。因此,TCR-T在治疗人类癌症方面具有巨大的潜力。

目前,一些新的技术和新策略正在应用于TCR-T,有助于提高TCR-T治疗的疗效和安全性,能够穿透实体瘤并抵抗免疫抑制性肿瘤微环境。这些新策略将显著改善癌症免疫治疗,尤其是实体瘤,并可能为根除多种癌症提供一种总体策略。

T细胞过继转移疗法

基于T淋巴细胞的过继转移癌症免疫治疗可分为三种方法。

第一种是肿瘤浸润淋巴细胞疗法,其收集已经浸润患者肿瘤的自然产生的T细胞,体外扩增,然后将其重新注入患者体内。然而,这些TIL并非在所有患者中都存在,并且通常很难分离出肿瘤特异性TIL,或者可能产生的细胞太少,无法达到治疗效果。

第二种方法是嵌合抗原受体修饰的T细胞,通过直接将T细胞与已知的肿瘤特异性CAR结合。CARs是将单链抗体与T细胞激活信号域(如CD28-CD3ζ或4-1BB-CD3ζ)连接起来的融合分子。当CAR被导入人类T细胞时,抗体片段在工程化T细胞表面表达,以识别肿瘤细胞上表达的肿瘤抗原,而CD28-CD3ζ或4-1BB-CD3ζ结构域在抗体与肿瘤抗原结合后传递刺激信号,激活CAR-T细胞攻击肿瘤。

CAR-T细胞不受MHC分子的限制,因此一种CAR-T结构可以用于治疗任何患者,而不管其遗传背景如何。然而,基于抗体的CAR只能识别细胞表面表达的抗原,而不能识别细胞内抗原,这限制了CAR-T治疗可定位的靶点和潜在肿瘤类型的数量。

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第三种方法是T细胞受体(TCR)工程化T细胞,它使用在天然T细胞上发现的TCR来赋予特异性,而不是基于抗体的CAR。TCR可以从肿瘤反应性T细胞中分离出来,并进一步修饰以增强表达和功能。TCR可以识别细胞表面和细胞内靶点,包括突变产生的肿瘤细胞特异性新抗原。使用TCR-T的缺点是TCR受MHC分子的限制,因此任何给定的TCR只能用于治疗具有相应MHC遗传背景的患者。

TCR-T细胞治疗的临床现状  

截止2021年8月9日,在ClinicalTrials上共有175项使用TCR-T疗法的研究正在进行中,其中71项是针对特定TAA或新抗原的特异性TCR,有32项研究已经完成。NY-ESO-1是最常见的靶向抗原,在多种癌症中均有表达,包括骨髓瘤、黑色素瘤等。其他肿瘤睾丸相关抗原,如PRAME和MAGE蛋白,以及黑色素瘤分化抗原MART-1和gp100,以及最近的癌症驱动因子,如WT1、KRAS和TP53,也是流行的TCR-T靶点。      

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TCR-T在实体瘤中的初步临床研究显示了有希望的结果。亲和力增强的NYESO1-TCR在转移性黑色素瘤患者中的临床有效率(ORR)为45-55%,在转移性滑膜肉瘤患者中的临床有效率为50-61%。同样的NYESO1-TCR在多发性骨髓瘤患者中取得了80%的ORR,没有明显的副作用,包括70%的完全响应(CR),中位无进展生存期(FPS)为19个月。最近,以HPV-16 E7为靶点的TCR-T治疗转移性HPV相关上皮癌的1期临床试验取得了50%的ORR(6/12)。

近年来,neoAg被发现是一类免疫原性肿瘤特异性抗原,其来源于自身蛋白的肿瘤特异性突变或来自导致肿瘤的致癌病毒蛋白。针对neoAgs和病毒蛋白的特异性T细胞不会经历中枢胸腺耐受性选择,从而有可能针对这些靶点分离出高亲和力T细胞克隆。这些抗原很少在细胞表面表达,代表了使用TCR-T治疗实体瘤的机会。

TCR-T肿瘤免疫治疗的挑战  

尽管基于TCR-T细胞的免疫疗法已在大部分接受治疗的患者中显示出一定的临床疗效,但要实现TCR-T免疫治疗的真正前景,仍有一些障碍有待克服。在早期临床试验中,一些无反应的患者缺乏输注T细胞的体内持久性,这表明转移的TCR-T细胞需要额外的支持以提高其体内存活率。一些晚期复发的患者没有证据表明肿瘤中存在T细胞浸润,而且输注的TCR-T细胞面临着一个不利的免疫抑制肿瘤微环境(TME)。

此外,TCR-TR在许多领域仍然面临着诸多挑战,这些挑战包括:

(1)靶向正常组织引起的免疫毒性;

(2)工程化T细胞中TCR表达不足或短暂表达;

(3)T细胞耗竭和功能障碍;

(4)肿瘤免疫逃逸;

(5)大多数癌症患者缺乏有效的肿瘤特异性抗原作为靶点。克服这些挑战将是未来取得更大临床成功的关键。    

TCR-T肿瘤免疫治疗的新策略  

通过减少TCR错误配对增强TCR表达和功能

转基因α和β链的正确配对是阻碍TCR-T细胞发展的主要挑战之一。由于每个转导的T细胞包括两条内源性TCR链和两条转化的TCR链,因此具有未知特异性的异二聚体可导致潜在的自身免疫后果。另一个相关问题是,不恰当的α/β链TCR配对将竞争CD3复合物,从而降低治疗性TCR的表面表达和信号转导。

有几种方法可对转导的TCR链进行适当配对,包括:

(1)部分鼠源化TCR的恒定区;

(2)添加半胱氨酸残基以促进引入TCR链的二硫键;

(3)改变内源性TCR恒定区的二级结构;

(4)向转导TCR的细胞内部分添加信号域;

(5)将TCR-α/β链引入替代效应细胞或构建单链TCR。

增强治疗性TCR表达的方法包括:

(1)TCR-α和TCR-β链转基因的密码子优化;

(2)改变TCR-α/TCR-β载体配置以优化表达。

增强工程化T细胞的持久性和抗肿瘤功能

T细胞的持久性是持久性免疫监测的基本要求,为了维持转移的T细胞的持久性,多种细胞因子被联合应用以支持T细胞的存活和扩增。标准ACT方案包括用细胞毒性药物(包括环磷酰胺和氟达拉滨)去除淋巴细胞,然后在T细胞转移后给予重组人IL-2。细胞因子可以以自分泌或旁分泌方式发挥作用,调节周围环境,干扰TME中存在的免疫抑制细胞因子。包括IL-12、IL-7、IL-15、IL-18、IL-21和IL-23在内的一系列细胞因子目前正在研究中,并已进入早期临床试验阶段。

另外,将过继性T细胞与免疫检查点阻断疗法相结合可能是增强抗肿瘤活性、持久性和记忆细胞形成的有效策略。在胶质母细胞瘤和乳腺癌细胞系中,抗PD-1抗体增强了抗HER2 CAR-T细胞的抗肿瘤活性。此外,一些研究已经采用其他策略来阻断PD-1,例如基因编辑以使CAR-T细胞分泌PD-1阻断抗体或下调PD-1。

最后,有目的地选择T细胞亚群是增强过继转移T细胞的持久性和功能性的另一种方法。低分化T细胞,如Tscm和Tcm细胞,在转移到荷瘤小鼠体内时比效应T细胞更有效,因此,对幼稚T细胞的修饰可以产生抗原特异性Tscm和Tcm细胞,它们在体内具有长时间的持续性,从而介导强烈、持久的抗肿瘤反应。

增强工程化T细胞向实体瘤的归巢和渗透

为了根除肿瘤,肿瘤特异性CTL需要迁移并渗透到实体瘤中,这是由肿瘤分泌的趋化因子和CTL上表达的趋化因子受体之间的相互作用驱动的。这为设计肿瘤特异性T细胞的趋化因子受体创造了机会,以匹配已知的趋化因子或TME中丰富的细胞因子。

多种趋化因子/趋化因子受体策略已用于免疫治疗性T细胞临床前研究,以促进过继性T细胞靶向肿瘤,包括利用CXCR3、CXCR2、CCR5、CCR2和CCR3轴。目前还没有获得批准的癌症趋化因子免疫治疗策略,但多个研究显示其具有良好的临床潜力。

克服免疫抑制肿瘤微环境

将工程化T细胞渗透到肿瘤中只是抗癌的第一步。肿瘤细胞居住在一个由浸润和驻留的宿主细胞、分泌因子和细胞外基质组成的异质微环境中。浸润细胞包括免疫异质性细胞,如Treg、TAM和MDSCs,分泌因子包括免疫抑制细胞因子IL-10和TGF-β,TME还包括基质细胞,如CAF。这些成分可以相互作用,诱导恶性细胞生长、迁移和转移的支持环境,从而避开免疫系统和肿瘤特异性CTL。

TME中的大多数肿瘤基质细胞表达免疫抑制检查点配体PD-L1,它可以与T细胞上表达的PD-1相互作用,从而抑制抗肿瘤功能,导致过继转移的TIL、CAR-T和TCR-T的耗竭。这种效应可以通过使用抗PD-1和抗PD-L1抗体的检查点阻断剂来缓解。在活化T细胞上表达的CTLA-4具有类似的效果,因为CTLA-4与抗原呈递细胞上的CD80/86结合,在与T细胞共刺激分子CD28的竞争中具有更高的亲和力,从而抑制抗肿瘤免疫。抗CTLA4抗体既能阻断CTLA4和CD80/86之间的相互作用,也能消耗Treg,从而促进肿瘤特异性CTL的共刺激和扩增,提高临床效益。

通过靶向新抗原增强肿瘤特异性杀伤

目前,用于TCR-T的有效和安全免疫治疗的肽抗原靶点非常有限。目前使用的大多数靶点是TAA,尽管在肿瘤组织中上调,但在正常组织中仍保持低水平的表达,这可能导致自身免疫毒性。因此,新抗原似乎是TCR-T癌症治疗最安全的靶点。然而,在TCR-T临床开发新抗原的主要挑战包括:

(1)新抗原形成突变在很大程度上是个体化的,并且在癌症患者之间存在差异,因此难以开发出广泛应用的免疫治疗产品;

(2)新抗原在肿瘤组织中的表达常常是异质性的。

尽管如此,近年来的报告强调了肿瘤细胞广泛共享的免疫原性新抗原的出现,包括突变的KRAS和TP53。许多其他研究也证明了可用于产生潜在治疗性肿瘤特异性TCR的共享新抗原的免疫原性。随着下一代测序技术的发展,特别是单细胞DNA测序、转录组测序和成熟的体外验证方法,以个性化新抗原为靶点的TCR-T免疫治疗可能在未来几年成为一种流行的癌症治疗方法。此外,新出现的TAA类别,如癌胚抗原,也可能构成未来TCR-T发展的可行靶标。

减少不良事件

通常,靶向非肿瘤毒性是TAA的主要关键障碍,这种风险促使研究人员更仔细地研究共同的新抗原。目前,多个癌基因热点突变正在被研究作为潜在的TCR靶点,如磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)、KRAS和TP53。此外,通过带有自杀基因的基因工程化的TCR-T细胞是采用的一项重要安全措施。显然,发展可靠识别的个性化、高度特异性和免疫原性的肿瘤抗原靶点对于减少与TCR-T细胞治疗相关的不良事件至关重要。

异体T细胞的移植物抗宿主病

使用同种异体T细胞是一个非常有希望的方案,可以克服制造问题、患者相关免疫细胞缺陷和治疗延迟。为了使用同种异体T细胞,有必要控制由转导的同种反应性淋巴细胞引起的移植物抗宿主病以及宿主免疫系统对工程化淋巴细胞的排斥。

内源性TCR基因、HLA-I位点或CD52分子的缺失是避免TCR-T移植失败的策略之一,可通过多种方法实现,如基因编辑或使用siRNA。此外,多能干细胞技术也被认为是一种潜在的解决方案。

小结

近年来,工程化T细胞在治疗血液瘤方面显示出极为优越的疗效。TCR调节对于T细胞的再活化、免疫应答及其对外来抗原的临床效应至关重要。而TCR-T细胞具有CAR-T无法比拟的优势,TCR可以识别来自表面和细胞内蛋白质的表位,与CAR-T相比,能够检测范围更广的靶点,包括TAA、癌症种系抗原、病毒癌蛋白和neoAg。此外,相比CAR-T, TCR仅需要更范围的亲和力就可以激活T细胞,其在临床前和临床研究中显示出巨大的潜力。

然而,提高TCR-T免疫治疗的抗肿瘤疗效仍然有几个关键挑战,包括如何提高安全性和持久性,如何在患者群体中鉴定共有的肿瘤特异性抗原和TCR,以及如何调节TCR的表达并实现最佳功能。目前,人们已经找到多种方法已解决以上问题,相信随着基因工程技术的快速发展和创新,TCR-T细胞可以成为真正的肿瘤特异性细胞,具有迁移和穿透实体瘤的能力,并具有TME抗性。TCR-T有可能成为对抗癌症的有力工具,尤其是实体瘤,最终显著改善针对癌症的免疫治疗。

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关键词:
细胞,肿瘤,TCR-T,TCR,抗原

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