嵌合抗原受體T细胞 (Chimeric Antigen Receptor T Cells, CAR-T)的傳奇與創新

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和信治癌中心醫院臨床藥師 方麗華

 

腫瘤免疫治療是繼手術、放療、化療、標靶治療後,人類對抗腫瘤的第五大療法,具有劃時代的意義。免疫治療主要有三大方向:腫瘤疫苗、細胞治療和免疫檢查點抑制劑。細胞治療的典型代表 CAR-T (嵌合抗原受體T细胞),它從研發到上市有一段非常傳奇的故事。

 

一、從絕望到新生,白血病女孩 Emily Whitehead的抗癌傳奇

2010 年 5 月,美國小女孩 Emily 剛剛過完 5 歲生日,被診斷出患有急性淋巴細胞白血病(Acute lymphoblastic leukemia,ALL)。ALL是一種好發於兒童的白血病,占兒童白血病的70%,不過大多數兒童都能夠通過化療得到有效控制,少數需要進行幹細胞移植才能治癒。

Emily 像大多數白血病病童一樣,接受了化療。兩輪化療後,她的雙腿出現壞死性筋膜炎,雖勉強避開了截肢, 十六個月後,血癌復發了。醫師建議進行骨髓移植,但因擔心移植的併發症,而且病情仍舊沒有得到控制,Emily危在旦夕;醫生建議啟動臨終關懷,但是Emily的父母不忍女兒就這樣離開人世,決定帶女兒到費城兒童醫院尋求第二意見。在那裡,他們了解到由賓夕法尼亞大學研究人員開發的一種新療法,稱為CART-19 (嵌合抗原受體T细胞),它是由基因工程改造病人自身的T細胞以殺死腫瘤細胞。

當時腫瘤科醫師告訴家屬,這是一項實驗性的研究,成敗未卜。費城兒童醫院是賓州大學的附屬醫院,正開展 CAR-T (嵌合抗原受體 T 細胞)的早期臨床試驗,但當時接受過這種治療的病人只有兩三個,並且全是成人;權衡利弊後,Emily的父母決定讓她接受治療。

危機比想像中來得更早。就在Emily接受第三劑CAR-T注射後,她出現了高燒、呼吸衰竭和休克的症狀,即所謂CAR-T 治療的副作用「細胞激素風暴」,情況非常兇險,但是當時沒人知道如何處理。Emily的血液樣本發現有一種叫做白細胞介素-6 (interleukin 6) 的蛋白質比正常值高了1000 倍。CAR-T專案負責人Carl June突然想到,自己患類風濕性關節炎的女兒正在使用一種靶向白介素-6的抗體 (Tociluzimab)進行治療,那麼能不能用它來應對Emily的突發狀況?當天晚上,Emily就被注射了白介素-6的抗體 (Tociluzimab)。

奇蹟發生了!幾個小時後,Emily的症狀迅速獲得了改善;第二天,她從休克中醒來,而這一天恰巧是她的7歲生日。 8天後,Emily骨髓活檢的結果顯示,她的體內已經沒有任何白血病細胞了!這是CAR-T首個治癒白血病的案例,Emily也因此家喻戶曉,成為美國的抗癌明星。現在Emily已經12歲了,白血病再也沒有復發過。她的父母還成立了Emily Whitehead基金,用來支持免疫治療研究。

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Emily Whitehead Foundation

Emily 的幸運故事,也為 CAR-T 的發展做出了不可磨滅的貢獻。當時Carl June剛和諾華公司剛簽訂共同研發協定,Emily的成功讓他迅速獲得了更多資金和輿論的支援。 隨後大量的臨床資料顯示,該療法治療B 細胞ALL的 63位病人,有83%達到白血病細胞在治療後完全消失,實現了真正意義上的「治癒」。1  2017年美國FDA專家委員會以10:0的投票結果審批通過了諾華的CTL019 Tisagenlecleucel (商品名為Kymriah)上市,一劑要價 475,000美元。接續有Axicabtagene ciloleucel (Kite Pharma)兩種CAR-T,應用於治療表達CD19抗原的急性B淋巴細胞白血病或淋巴瘤。FDA僅根據第二期臨床試驗的成功,即核准此兩項成品。

 

二、 CAR-T 的原理和優勢

1. CAR-T療法的原理

CAR-T 又名嵌合抗原受體 T 細胞,它不是一種藥物,而是細胞。人體啟動免疫反應,對抗腫瘤時會面臨兩種主要挑戰 : 一是惡性腫瘤細胞原本是來自身體正常細胞,我們的免疫系統已演化成不會攻擊自身組織,所以無法區分癌細胞與正常細胞;第二個挑戰是許多癌細胞會躲避免疫細胞和干擾免疫反應。免疫系統為預防錯殺正常組織,T細胞在攻擊癌細胞之前,會檢查癌細胞是否有兩種蛋白(細胞身分證):第一種為主要組織相容複合物(MHC)的大型蛋白複合物,是一種信號抗原;第二種是共同刺激配體(co-stumulatory ligand),它能提供信號告訴T細胞啟動攻擊。如果癌細胞不提供它的身分證辨識或共同刺激配體,T細胞便不會攻擊它。因此,癌細胞常演化出兩種欺騙免疫細胞的方法:不提供MHC,或傳遞不活化信號的共同刺激配體給T細胞。基因工程改造的CAR-T是設計依癌細胞的表面抗原(身分證),利用改造的病毒外殼,把辨識腫瘤抗體片段送進T細胞內。細胞的製造步驟比既往的藥物要複雜得多,我們可以概括為分離、基因編輯、擴增、回輸、監控(A)。

 

分離:先要分離出病人的 T 細胞。

基因編輯:這是 CAR-T 的核心技術,也是每家公司技術上的核心競爭力(B)。腫瘤細胞在和免疫細胞鬥爭的過程中,會隱藏自己的標記,避免被T細胞識別和摧毀。科學家通過基因編輯的手段,利用病毒傳遞遺傳物質來重設T細胞,讓T細胞的細胞膜有抗體的表達,能識別腫瘤特異性分子的蛋白,這樣T細胞就像裝上了「雷達眼睛」,讓腫瘤細胞無處遁形。

擴增:如果把 CAR-T 比喻成一支軍隊,體外擴增就是招兵買馬的過程。先利用磁珠活化T細胞,磁珠上包覆兩種蛋白質,經特定信號蛋白的刺激後,就會進入擴增模式。5-10天後,每個CAR-T細胞會複製出100顆以上的CAR-T細胞。

回輸:擴增好的CAR-T 細胞通過注射進入人體。CAR-T細胞能辨識出腫瘤細胞表面的抗原,立即展開攻擊,不再需要MHC或共同刺激配體的存在。

監控:常規的藥物治療都會產生不良反應或者副作用,活細胞更是如此,因此在注射後要密切關注病人的生命特徵,隨時處理突發狀況。

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http://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMe1714680?query=recirc_curatedRelated_article
(A) 嵌合抗原受體(CAR)T細胞治療的生產步驟。備製需要在有良好生產規範(GMP)場所進行:1. 分離:首先通過白血球分離術,將病人的白血球分離出來,然後將T細胞激活。2. 基因編輯:用逆轉錄病毒編碼CAR,進行遺傳工程改造。當CAR T細胞基因編輯成功後就進入擴增。 3. 擴增,就進一步擴增收成。4. 回輸:最後輸回病人的身上。在輸注前,病人需接受清除淋巴細胞的化療調理。在Neelapu等人的ZUMA-1研究中,整個過程平均需要17天。(B) Neelapu與Schuster等人在研究中使用的抗CD19 CAR的設計差異。TCR代表T細胞受體。

 

2. CAR-T療法的優勢
CAR-T 之所以能夠取得「治癒」白血病的驚人效果,根本原因在於它是一種「精準」的「活性藥物」。 通過裝載上「雷達」,CAR-T能夠更加準確地識別和殺傷腫瘤細胞,比傳統的放化療要強得多,這也是精準醫療的具體表現。 此外,傳統的藥物作用於人體後會被肝腎代謝排除,不會在體內長期存在,而CAR-T在消滅腫瘤之後,它們還會在人體內安靜地潛伏下來,像敏銳的長期哨兵,是可持續巡邏全身的「活」系統;它密切監視、防止白血病的復發。

 

三、 CAR-T 面臨的挑戰
事物總是有兩面性,任何一種治療都會存在缺陷, CAR-T 也不例外。CAR-T存在的局限性,主要有以下兩點:

1. 安全性問題
記得在 Emily 的故事中我們提到的危險狀況嗎? 這是CAR-T治療過程中最常見的不良反應,叫做「細胞激素風暴」。CAR-T細胞會導致體內大量細胞釋放激素,促進免疫系統猛烈地攻擊身體的器官組織,讓病人出現呼吸困難、高熱、低血壓的症狀,並且情況非常兇險,早期是導致病人死亡的重要因素。但是這種情況通過一些抗細胞激素的治療就可以很好地應對,目前已經不再是難題了。另外CAR-T會造成B細胞再生障礙(B-cell aplasia),造成抗體(免疫球蛋白)製造缺損,因此病人需要輸注免疫球蛋白,以減少感染機會。
除了「細胞激素風暴」外,神經毒性也是一大風險。舉個例子,去年 CAR-T 研究的先驅 Juno 公司,在進行 JCAR015 的 2 期臨床試驗時,先後發生多例病人因為神經毒性死亡,被 FDA 兩度叫停了臨床試驗。目前對於神經毒性沒有很好的解釋,有人說是白血病細胞侵犯到中樞神經周圍,被CAR-T攻擊後產生大量的細胞碎片,導致腦水腫。目前還沒有明確的方法可以應對。
還有一種危險因素,叫做「脫靶效應 」,指的是CAR-T細胞原本是要攻擊腫瘤細胞,卻錯殺了正常細胞,這是為什麼?這和CAR-T在製備過程中選擇的特異性分子很有關係。腫瘤和正常細胞很像,就像恐怖分子通常會打扮得像老百姓,不被員警發現。如果CAR-T選擇的靶標在正常細胞上也有,正常細胞就會受到攻擊。白血病的標記分子CD19,就是一種腫瘤特異性很高的標誌,這才促成白血病領域CAR-T治療如此成功。因此在今後的CAR-T研發中,尋找特異性高的靶標是非常重要的關鍵因素。

2. 固體瘤的困境
CAR-T 除了治療白血病,治療肺癌、肝癌、胃癌這些器官上的腫瘤(固體瘤),是不是效果也很好?很遺憾,目前在臨床試驗中取得重大突破的,仍然局限在白血病。一方面是因為白血病有極為特異的靶標,而固體瘤目前還沒有找到;另一方面就是器官的腫瘤細胞,往往會狡猾地躲在其他細胞中間;敵軍陣營周圍的地形非常複雜,還會釋放各種信號分子,造成「煙霧彈」,給進攻帶來很大的難度。
不過,目前 CAR-T 在固體瘤的治療方面還是取得了一些成就。於2016年在新英格蘭醫學期刊,發表一例末期惡性腦癌glioblastoma multiforme的病人,由美國加州的希望之城(City of Hope)臨床中心報導了他們的CAR-T 在腦癌中的進展。 病人的腦部有7處腫瘤灶,經過5次局部注射後,病人的腫瘤全部消失了! 並且持續了228天沒有復發。這在CAR-T治療固體瘤歷史上是一大突破。

 

四、總結和展望
CAR-T 這兩年取得了突飛猛進的進展,除了技術和療效之外,和輿論也有密切的關係。Emily的故事讓CAR-T成為舉世矚目的焦點,吸引了大量的資金和團隊研發,也快速推進了CAR-T 的上市。CAR-T 有別於藥物治療,是具有精準醫療特性的「活性」細胞治療,為腫瘤病人帶來了新的希望。
過去幾年,許多研究團隊都報告了末期白血病和淋巴瘤的奇蹟式案例,包括紐約史隆凱特癌症中心、西雅圖兒童醫院、與朱諾(Juno)治療公司有合作關係的哈欽森癌症研究中心,以及與風箏製藥(Kite)有合作關係的美國國家癌症研究院。不同種類的腫瘤病患對於療法的反應不同,約有一半的慢性淋巴白血症的症狀獲得改善、急性淋巴性白血症兒童約有90% 完全緩解;治療一個月後,體內並沒有癌細胞蹤跡。CAR-T 未來的發展方向要能克服安全隱憂,以及在更多的腫瘤類型中取得出色的療效。CAR-T的研發需要在國家政策支援和監管跟進的前提下,才能夠湧現更多的創新突破。

 

References:
1. Buechner J, Grupp SA, Maude SL, et al. Global registration trial of efficacy and safety of CTL019 in pediatric and young adult patients with relapsed/refractory (R/R) acute lymphoblastic leukemia (ALL): update to the interim analysis. Clin Lymphoma Myeloma Leuk2017;Suppl 2:S263-S264. abstract.
2. L. Rosenbaum Tragedy, Perseverance, and Chance – The Story of CAR-T Therapy N. Engl. J. Med., 377 (2017), pp. 1313-1315
3. Neelapu SS, Locke FL, Bartlett NL, et al. Axicabtagene ciloleucel CAR T-cell therapy in refractory large B-cell lymphoma. N Engl J Med 2017;377:2531-2544

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