CAR-NK(嵌合抗原受體自然殺手細胞)可能比CAR-T更方便安全
發佈日期：2018-09-10
和信治癌中心醫院資深臨床藥師: 方麗華
免疫系統包括先天免疫力(innate immunity)和適應性免疫力(adaptive immunity)。提供先天免疫力的細胞有自然殺手細胞(Natural killer cells, NK)和巨噬細胞(macrophage);而提供適應性免疫力的細胞則以淋巴細胞(T- and B-細胞)為主。將人類的免疫細胞應用在對抗癌細胞上,都會先考慮T-或NK細胞。
改造T細胞,使其表現嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)構建物而成為CAR-T,是近年來治療淋巴白血病與淋巴瘤的熱門免疫療法之一,也是人類對付癌症藥物從化療、標靶藥物,更由化學分子進階到以細胞做藥的新紀元。然而,CAR-T 療法仍有它的限制,例如在收集患者自體 T 細胞且進行基因修飾的過程通常是耗時且低效的,以及給藥期間可能發生細胞素風暴(cytokine storm)所引起器官衰竭和死亡等嚴重不良反應,而且對固體腫瘤的效果不佳。
(圖一,CAR-NK 圖解摘要)
2018年5月,加州大學聖地牙哥分校醫學院的研究團隊於《Cell Stem Cell》期刊發表一篇 “人類誘導性多功能幹細胞(Human iPSC)所衍生的嵌合抗原受體自然殺手細胞在卵巢癌異種移植小鼠模型會增強抗癌的作用”(延伸閱讀一)顯示,在小鼠卵巢癌模型中,表現嵌合抗原受體的自然殺手細胞(CAR natural killer cell, CAR-NK),呈現不錯的抗腫瘤活性,與 CAR-T療效相近,且安全性更高。
調節NK細胞活性並不需要人類淋巴細胞抗原(HLA)的相合,因為NK細胞啟動細胞毒殺是藉由活化、抑制及調節受體基因的綜合表現。活化受體包括天然細胞毒性受體(NCR)有:NKG2D、CD16(FcgRIIIa)、FasL和腫瘤壞死因子相關的凋亡誘導配體(TRAIL)和共刺激受體如:LFA-1、CD244(2B4)和CD137(41BB)(圖一)。這些活化細胞表面受體通過細胞內的免疫受體酪氨酸激活基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motifs, ITAMs )如:2B4 and 41BB,與其他跨細胞膜的信號轉接子來觸發細胞溶解程序、和刺激細胞素和趨化因子的分泌。過去10年有許多採用NK細胞的免疫療法的試驗,這些試驗以周邊血、臍帶血和NK細胞系NK92細胞為NK細胞來源。那些臨床試驗中使用同種異體NK細胞的免疫療法也證實它們是安全性,幾乎沒有產生移植物抗宿主病(GvHD)、細胞素釋放綜合症(CRS)或神經毒性。
聖地牙哥研究團隊首先篩選了 9 種不同的 CAR 構建體 (表一),用NK92系細胞載入嵌合抗原受體,建構了含有NKG2D的跨膜結構區域、2B4共刺激結構區域和CD3z信號傳導結構區域等不同組合的嵌合抗原受體(CAR),並結合scFv靶向腫瘤相關抗原 mesothelin (meso),期能促成強烈抗原特異性自然殺手(NK)細胞信號傳導。這9種CARs的殺死腫瘤細胞以CAR4, CAR7,CAR9有最大的抗腫瘤活性。
將NK CAR (CAR4, CAR7,CAR9)表現於人類誘導性多功能幹細胞(iPSC)衍生的 NK 細胞後,證實可改善自然殺手(NK)細胞的抗癌能力,也確認了CAR4的活性是來自抗原特異性(antigen-specific)而不是非特異性NK 細胞的活化。進一步評估NK-CAR4和T-CAR的抗腫瘤活性,比較CAR–iPSC-NK與CAR-primary T cell (CAR原始細胞)。結果CAR4-iPSC-NK細胞抗腫瘤活性優於iPSC-NK細胞。很明顯的,表現CAR4(meso)的iPSC-NK細胞比表現T-CAR的iPSC-NK細胞有更強的腫瘤毒殺(細胞溶解)活性;雖然,表現T-CAR(meso)的T細胞比表現NK-CAR的T細胞有更強的腫瘤毒殺活性。
以卵巢癌異種移植小鼠模型測試時,發現表現CAR4的iPSC-NK細胞比PB-NK細胞、iPSC-NK細胞(沒有載入構建體的對照組),T-CAR-iPSC-NK細胞有顯著抑制腫瘤生長和延長存活,也比表現T-CAR的iPSC-NK細胞有效多了 (圖二) 。
(圖二)
最後比較CAR-T細胞 與CAR-NK細胞在小鼠的腫瘤反應與存活率。 由圖三可看出,T-CAR-T細胞與CAR4-iPS NK細胞,在第21天都有很強的降低腫瘤細胞量。但接受原始T 細胞群,都有體重減輕,T-CAR-T細胞甚至降低了50%的體重(圖三E),且有發生器官嚴重出血與缺血情形,而有較高的死亡率。在小鼠的存活分析(圖三I)更顯示:表現CAR4的iPSC-NK細胞有最好的存活率,有趣的是,光是iPSC-NK細胞就能比表現T-CAR的T細胞更有效地延長存活率。
圖三 (A) NOD-scid IL2Rγnull (NSG) 小鼠腹腔注入 2×105 luc+ A1847細胞。 3天後 小鼠接受 225 cGy 放療照射,再由腹腔輸入1×107 iPSC-NK 或 T 細胞群。 過來21天,接受iPSC-NK群治療組,依原先需要投與細胞素 (cytokines)。每星期用BLI (bioluminescent imaging)進行腫量瘤評直到第21天。圖B and C :流式細胞術定量 (C)周邊血 CD45+CD3+ T 細胞量 (B) 周邊血CD45+CD56+CD3_ iPSC-NK細胞量,每個點代表一隻小鼠。(D)輸注免疫細胞後,用BLI 數據監測 21天內每組腫瘤量的變化。(E) 每組小鼠輸注免疫細胞21天的體重變化。
(F–H) Levels of (F) hIFN-g, (G) hTNF-a, and (H) hIL-6 輸注免疫細胞後,在不同天經周邊血收集血漿,用ELISA所測得。(I) Kaplan-Meier curve 代表各組的存活率。
結論
人類誘導性多功能幹細胞(Human iPSC)衍生的自然殺手細胞可提供“上架藥品式的 (off-the-shelf)”癌症治療。表現NK-CAR構建體的誘導性多功能幹細胞衍生的自然殺手細胞(iPSC-NK)會活化特定的細胞內信號。NK-CAR iPSC-NK細胞證實在活體內會擴增並有抗癌效能,也有類似CAR-T 細胞的效果,但毒性較低。此外,NK-CAR-iPSC-NK 沒有CAR-T需要有HLA 配對相合的問題,再加上每一組 iPSC 衍生的 NK 細胞能治療數千名患者,它提供了標準化的、“上架藥品式的”治療方法。我們期待這些效果能獲得臨床人體試驗的證實。
延伸閱讀
1. Li Y,Hermanson DL,Moriarity BS, Kaufman DS Human. iPSC-Derived Natural Killer Cells Engineered with Chimeric Antigen Receptors Enhance Anti-tumor Activity. Cell Stem Cell. 2018;23(2):181-192.
2. Siegler EL, Kim YJ, Chen X, Siriwon N, Mac J, Rohrs JA, Bryson PD, Wang P. Combination Cancer Therapy Using Chimeric Antigen Receptor-Engineered Natural Killer Cells as Drug Carriers. Mol Ther. 2017; 25(12):2607-2619.
免疫系統包括先天免疫力(innate immunity)和適應性免疫力(adaptive immunity)。提供先天免疫力的細胞有自然殺手細胞(Natural killer cells, NK)和巨噬細胞(macrophage);而提供適應性免疫力的細胞則以淋巴細胞(T- and B-細胞)為主。將人類的免疫細胞應用在對抗癌細胞上,都會先考慮T-或NK細胞。
改造T細胞,使其表現嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)構建物而成為CAR-T,是近年來治療淋巴白血病與淋巴瘤的熱門免疫療法之一,也是人類對付癌症藥物從化療、標靶藥物,更由化學分子進階到以細胞做藥的新紀元。然而,CAR-T 療法仍有它的限制,例如在收集患者自體 T 細胞且進行基因修飾的過程通常是耗時且低效的,以及給藥期間可能發生細胞素風暴(cytokine storm)所引起器官衰竭和死亡等嚴重不良反應,而且對固體腫瘤的效果不佳。
(圖一,CAR-NK 圖解摘要)
2018年5月,加州大學聖地牙哥分校醫學院的研究團隊於《Cell Stem Cell》期刊發表一篇 “人類誘導性多功能幹細胞(Human iPSC)所衍生的嵌合抗原受體自然殺手細胞在卵巢癌異種移植小鼠模型會增強抗癌的作用”(延伸閱讀一)顯示,在小鼠卵巢癌模型中,表現嵌合抗原受體的自然殺手細胞(CAR natural killer cell, CAR-NK),呈現不錯的抗腫瘤活性,與 CAR-T療效相近,且安全性更高。
調節NK細胞活性並不需要人類淋巴細胞抗原(HLA)的相合,因為NK細胞啟動細胞毒殺是藉由活化、抑制及調節受體基因的綜合表現。活化受體包括天然細胞毒性受體(NCR)有:NKG2D、CD16(FcgRIIIa)、FasL和腫瘤壞死因子相關的凋亡誘導配體(TRAIL)和共刺激受體如:LFA-1、CD244(2B4)和CD137(41BB)(圖一)。這些活化細胞表面受體通過細胞內的免疫受體酪氨酸激活基序(immunoreceptor tyrosine-based activation motifs, ITAMs )如:2B4 and 41BB,與其他跨細胞膜的信號轉接子來觸發細胞溶解程序、和刺激細胞素和趨化因子的分泌。過去10年有許多採用NK細胞的免疫療法的試驗,這些試驗以周邊血、臍帶血和NK細胞系NK92細胞為NK細胞來源。那些臨床試驗中使用同種異體NK細胞的免疫療法也證實它們是安全性,幾乎沒有產生移植物抗宿主病(GvHD)、細胞素釋放綜合症(CRS)或神經毒性。
聖地牙哥研究團隊首先篩選了 9 種不同的 CAR 構建體 (表一),用NK92系細胞載入嵌合抗原受體,建構了含有NKG2D的跨膜結構區域、2B4共刺激結構區域和CD3z信號傳導結構區域等不同組合的嵌合抗原受體(CAR),並結合scFv靶向腫瘤相關抗原 mesothelin (meso),期能促成強烈抗原特異性自然殺手(NK)細胞信號傳導。這9種CARs的殺死腫瘤細胞以CAR4, CAR7,CAR9有最大的抗腫瘤活性。
將NK CAR (CAR4, CAR7,CAR9)表現於人類誘導性多功能幹細胞(iPSC)衍生的 NK 細胞後,證實可改善自然殺手(NK)細胞的抗癌能力,也確認了CAR4的活性是來自抗原特異性(antigen-specific)而不是非特異性NK 細胞的活化。進一步評估NK-CAR4和T-CAR的抗腫瘤活性,比較CAR–iPSC-NK與CAR-primary T cell (CAR原始細胞)。結果CAR4-iPSC-NK細胞抗腫瘤活性優於iPSC-NK細胞。很明顯的,表現CAR4(meso)的iPSC-NK細胞比表現T-CAR的iPSC-NK細胞有更強的腫瘤毒殺(細胞溶解)活性;雖然,表現T-CAR(meso)的T細胞比表現NK-CAR的T細胞有更強的腫瘤毒殺活性。
以卵巢癌異種移植小鼠模型測試時,發現表現CAR4的iPSC-NK細胞比PB-NK細胞、iPSC-NK細胞(沒有載入構建體的對照組),T-CAR-iPSC-NK細胞有顯著抑制腫瘤生長和延長存活,也比表現T-CAR的iPSC-NK細胞有效多了 (圖二) 。
(圖二)
最後比較CAR-T細胞 與CAR-NK細胞在小鼠的腫瘤反應與存活率。 由圖三可看出,T-CAR-T細胞與CAR4-iPS NK細胞,在第21天都有很強的降低腫瘤細胞量。但接受原始T 細胞群,都有體重減輕,T-CAR-T細胞甚至降低了50%的體重(圖三E),且有發生器官嚴重出血與缺血情形,而有較高的死亡率。在小鼠的存活分析(圖三I)更顯示:表現CAR4的iPSC-NK細胞有最好的存活率,有趣的是,光是iPSC-NK細胞就能比表現T-CAR的T細胞更有效地延長存活率。
圖三 (A) NOD-scid IL2Rγnull (NSG) 小鼠腹腔注入 2×105 luc+ A1847細胞。 3天後 小鼠接受 225 cGy 放療照射,再由腹腔輸入1×107 iPSC-NK 或 T 細胞群。 過來21天,接受iPSC-NK群治療組,依原先需要投與細胞素 (cytokines)。每星期用BLI (bioluminescent imaging)進行腫量瘤評直到第21天。圖B and C :流式細胞術定量 (C)周邊血 CD45+CD3+ T 細胞量 (B) 周邊血CD45+CD56+CD3_ iPSC-NK細胞量,每個點代表一隻小鼠。(D)輸注免疫細胞後,用BLI 數據監測 21天內每組腫瘤量的變化。(E) 每組小鼠輸注免疫細胞21天的體重變化。
(F–H) Levels of (F) hIFN-g, (G) hTNF-a, and (H) hIL-6 輸注免疫細胞後,在不同天經周邊血收集血漿,用ELISA所測得。(I) Kaplan-Meier curve 代表各組的存活率。
結論
人類誘導性多功能幹細胞(Human iPSC)衍生的自然殺手細胞可提供“上架藥品式的 (off-the-shelf)”癌症治療。表現NK-CAR構建體的誘導性多功能幹細胞衍生的自然殺手細胞(iPSC-NK)會活化特定的細胞內信號。NK-CAR iPSC-NK細胞證實在活體內會擴增並有抗癌效能,也有類似CAR-T 細胞的效果,但毒性較低。此外,NK-CAR-iPSC-NK 沒有CAR-T需要有HLA 配對相合的問題,再加上每一組 iPSC 衍生的 NK 細胞能治療數千名患者,它提供了標準化的、“上架藥品式的”治療方法。我們期待這些效果能獲得臨床人體試驗的證實。
延伸閱讀
1. Li Y,Hermanson DL,Moriarity BS, Kaufman DS Human. iPSC-Derived Natural Killer Cells Engineered with Chimeric Antigen Receptors Enhance Anti-tumor Activity. Cell Stem Cell. 2018;23(2):181-192.
2. Siegler EL, Kim YJ, Chen X, Siriwon N, Mac J, Rohrs JA, Bryson PD, Wang P. Combination Cancer Therapy Using Chimeric Antigen Receptor-Engineered Natural Killer Cells as Drug Carriers. Mol Ther. 2017; 25(12):2607-2619.