凭借一系列装饰免疫细胞的工具，研究人员正在扩大CAR-T疗法的种类。
Heidi Ledford ｜撰文
Crystal Mackall还记得在第一次听到关于设计T细胞来识别和杀死癌症的方法时，自己所持的怀疑态度。在1996年德国的一次会议上，这位儿科肿瘤学家坐在听众席上，转身对她旁边的人说：“不可能，那太疯狂了。”时至今日，情况已大为不同。Mackall说：“我很惭愧。
”她现在就职于斯坦福大学，正在开发这种细胞以治疗脑瘤。美国食品和药物管理局（FDA）于2017年批准了第一批改良的T细胞——嵌合抗原受体T细胞（CAR-T），用于治疗一种白血病。这种治疗方法已经改变了几种癌症的现况。五种类似的产品已获批准，超过20000人得到治疗。一个曾经只有少数研究人员顽强推动的领域，现在已发展出数百个实验组，遍布学术界和工业界。
500多项临床试验正在进行中，而随着研究人员竞相完善T细胞的设计并试图扩大其能力范围，其他实验也正准备从实验室跃向临床。Mackall预测说：“在未来几年里，这个领域将远远超出癌症研究的范围。”
通过CRISPR等方法进行基因组编辑的进展，以及通过合成生物学对细胞进行重构的能力，使得修改和增殖T细胞用于治疗疾病的方法越来越精细。这些技术正在帮助应对当前CAR-T疗法的一些局限：成本高、可能有危险的副作用，且迄今为止只对血癌有效。费城宾夕法尼亚大学的癌症免疫学研究员Avery Posey说：“这些技术拓宽了我们用CAR技术能完成的目标范围。它将真正推动此类技术的进步。”
即便如此，从一个人的细胞中制造这种“活药物”所面临的难度，比复杂的设计本身还要高。比如，许多最新候选药物的安全和制造问题仍有待解决。纽约市纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Michel Sadelain说：“很多神奇的东西正在爆发式面世，我觉得这很棒。但这种复杂性不总能像所说的那样带入临床环境之中。”
CAR-T疗法利用了T细胞的活动。T细胞是免疫系统的天然猎手，在体内游荡，寻找入侵者。外来细胞或被病毒感染的细胞会表达异常蛋白质，作为T细胞的信标。而其中一些T细胞会释放出有毒的分子混合物来摧毁异常细胞，这种搜索和摧毁功能也可以针对癌细胞，消除它们。但肿瘤往往有办法让免疫系统解除武装，例如隐蔽异常蛋白质或抑制T细胞功能。
CAR-T细胞携带的合成蛋白——嵌合抗原受体——跨越了细胞膜。它外面是一个功能类似于抗体的结构，可与一些癌细胞表面的特定分子结合。一旦两者结合，细胞内的蛋白质部分就会刺激T细胞的活性，使其启动。结果是，一个小小的活力十足的抗癌机器整装待发。
已获批准的CAR-T疗法针对的是在被称为B细胞的免疫细胞上发现的两种蛋白质之一。它们被用于治疗涉及此类细胞无节制增殖的白血病和淋巴瘤。CD19和BCMA两种蛋白质并不是癌症所特有的，这意味着这些疗法会不加区分地杀死B细胞。但人没有这些细胞也能生活。
CAR-T疗法仍有很大的进步空间。尽管治疗效果可以保持长久（有时甚至能达到治愈效果），但大多数接受过治疗的患者最终会复发。CAR-T细胞对如肺癌或胰腺癌之类的实体瘤迄今为止仍没有令人信服的治疗效果。这一疗法存在安全风险，在极少数情况下甚至可能致命。而且此疗法必须为每名患者定制，使用他们自己的T细胞作为起点，因而制造过程相对缓慢且昂贵。
到目前为止，这些问题都没有简单的解决方案。“我们显然还有很长的路要走，”Mackall说，“但现在已经看到了一些希望。”
针对实体瘤的治疗试验正在取得一些进展。这些肿瘤往往包含了具有不同突变组合成的异质细胞的镶嵌，这意味着针对某一特定突变蛋白的CAR-T疗法可能只对一个细胞亚群有效。实体瘤的紧密组织结构也很难被T细胞穿透，而研究人员一直难以找到不会破坏健康组织的合适目标。
尽管如此，有些临床试验已显示出一线功效。Mackall和她的同事们设计出了以一种称为GD2的分子为目标的CAR-T细胞，而这种GD2分子在胶质瘤的脑和脊髓癌症中表达量很高。该团队给胶质瘤患者静脉注射了一剂CAR-T细胞，然后直接向大脑注射了多剂较低的剂量。她和她的同事去年报告说，以这种方式治疗的四个人中有三人都有积极的反应。
“这些细胞直接进入大脑，”Mackall说，“那里没有排斥它们，它们可以在那个免疫豁免之地发挥作用。”
针对实体瘤需要的T细胞疗法，或许得能识别一种以上突变蛋白，或者能够瞄准表达某种特定蛋白水平高于正常细胞的癌细胞。2022年11月，报告结果内的一项临床试验将这一点发挥到了极致：该团队没有使用CARs，而是使用CRISPR来设计天然T细胞受体，以识别每个参与者肿瘤中发现的突变蛋白质。
这些参与者接受了针对不同蛋白质的混合细胞，寄望于实体瘤或许不太可能对具有多个目标的疗法产生抗性。16名参与者中，有5人的肿瘤在治疗28天后停止了生长。研究人员希望可以调整该方案，包括使用更高的剂量，以改善治疗效果。
宾夕法尼亚大学的免疫学家Carl June说，跟踪和微调T细胞活动的能力也在提高。通过先进的单细胞分析，研究人可以同时跟踪工程细胞及其靶向的肿瘤细胞的命运。他们可以判断哪些T细胞已经“耗竭”——因长期刺激而导致的一种功能失调状态——以及哪些肿瘤细胞对治疗产生了抗性。他们还可以看到CAR-T治疗的肿瘤周围的环境是否已经富集了免疫抑制细胞（如巨噬细胞或调节性T细胞）。
UTC Therapeutics公司的首席科学官赵阳兵说，克服这种局部免疫抑制将是利用T细胞对抗实体肿瘤的关键，这家总部位于新加坡的生物技术公司正在开发CAR-T疗法。他说：“无论你瞄准多少目标，如果肿瘤逃避免疫反应，就不会起作用。”
June和他的同事使用单细胞方法研究针对CD19的CAR-T疗法的抗性，发现激活辅助T细胞不佳的CAR-T产品与抗性的出现有关。他们还利用单细胞技术进一步了解了为什么针对胰腺癌细胞中发现的间皮素蛋白质的CAR-T细胞经常失败。减少CAR-T细胞中两个基因的活性可能会增强治疗效果。June说，“我们将能够理解这些抗性机制，然后利用所有像CRISPR这类工具，围绕其进行改造。”
除了编辑T细胞，CRISPR还被用来寻找更多修饰T细胞的方法。加利福尼亚州格拉德斯通研究所的免疫学家Alexander Marson和他的同事使用CRISPR来激活或抑制T细胞中的数千个基因，然后观察这些变化对被称为细胞因子的关键免疫调节蛋白的产生的影响。在另一项使用CRISPR筛选的工作中，该团队发现，减少一种名为RASA2的蛋白质的活性，增强了CAR-T细胞杀死其目标的能力。
Marson说：“我们正在摸索调节基因的经验，以调整T细胞让它按我们想的去做。”
合成生物学家也把目光投向了T细胞，并且正在设计复杂的细胞通路，以便能够更好地控制CARs和其他可能增加T细胞活性的蛋白质的表达。去年12月，加州大学旧金山分校的合成生物学家Wendell Lim和他的同事报告，他们已经改造的T细胞能表达CAR和IL-2，后者是一种免疫调节蛋白。
IL-2可以提高T细胞对实体瘤的穿透力，并克服肿瘤释放的免疫抑制信号，但它在全身给药时可能产生毒性。让T细胞产生IL-2可以实现蛋白质的局部给药，这可以避免对其他组织产生毒性。
有些合成通路可以设计成精确调节CAR的表达，方法是在药物作用下使用基因元件来控制激活必要的基因。不过迄今为止，这些复杂的设计大多还没有完成安全研究以及达到在人身上使用所需的标准，Sadelain说道。
波士顿马萨诸塞州综合医院的肿瘤学家Marcela Maus说，研究人员已经学到了很多，因而现在该领域的一大问题是确定哪些改造T细胞可以进而开展人体研究。“我们可以在实验室里进行大量的发明和创新，但接下来要筛出转化到临床试验的那些，”她说，“我们可以做的太多了。必须弄清楚哪些是可以在试验中进行调整和测试的最佳方案。”
按照制药标准，制造CAR-T细胞已经非常复杂了。到目前为止，所有被批准的疗法都需要个性化定制的T细胞来表达CAR。这增加了生产疗法的时间和成本：在美国，用CAR-T细胞进行一次治疗可能需要50万美元，还不包括住院和相关治疗的费用。
创造可以给多人使用的CAR-T细胞（通常被称为“现货型”细胞）一直被认为是降低该疗法价格的关键。不过，早期结果表明仍有许多工作要做，印度孟买理工学院的生物工程学家Rahul Purwar说。虽然这些细胞可以被编辑，以减少它们本身被免疫系统清除的机会，但早期试验表明，它们在输入后不能存活很久，可能仍被排异。他说，“研发现货型细胞是个极好的方法，它正在到来，但现在我们还做不到。”
而且在富裕国家之外，这种疗法也很难得到。在巴西，Oncoclínicas集团的血液学家Renato Luiz Guerino Cunha是该国第一个在2019年使用CAR-T疗法治疗的人。但进展一直很缓慢，他说——他缺乏快速生产大量细胞的能力。他说，“三年来，我们只治疗了六名患者，我们需要新的处理技术。”
CAR-T细胞疗法通常涉及使用一种称为慢病毒的病毒作为载体，穿梭于合成的CAR基因中。但对基因疗法的更多研究增加了对临床级慢病毒的需求。研究人员现在需要等待数月并支付高额费用来完成他们的实验；Cunha自己生产，但产量极小。在这方面，CRISPR基因编辑的改进或许能帮上忙。
尽管面临这些挑战，CAR-T疗法仍在继续扩大，在全球数百个临床试验中，有一些正在探索全新的应用。
去年，研究人员报告了CAR-T疗法治疗一种自身免疫性疾病狼疮的小型试验取得了可靠成果。在一项小鼠研究中，研究人员对T细胞进行了在体重新编程，没有采取从体内移出T细胞的第一步常规操作，创造了旨在清除心脏疤痕组织的CAR-T细胞。12月，June和他的同事公布了一种简化细胞生产的方法。
在路易斯安那州新奥尔良举行的美国血液学会年会上，该团队宣布他们缩短了制造时间，并通过工程设计使CAR-T细胞表达的IL-18蛋白质疗效得到提高，从而使研究人员可以降低给病患的细胞剂量。“这些患者的反应好极了，”Maus说，“这是一个非常诱人的迹象——如果对T细胞加以更优化的设计，你可以使它更上一层楼。”