嵌合抗原受体T细胞治疗多形性胶质母细胞瘤的最新进展

2017-09-15 06:40白玥钟晓松李文斌
中国肿瘤临床 2017年16期
关键词:母细胞胶质瘤生长因子

白玥 钟晓松 李文斌

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嵌合抗原受体T细胞治疗多形性胶质母细胞瘤的最新进展

白玥①钟晓松②李文斌①

多形性胶质母细胞瘤(glioblastomamultiforme,GBM)是恶性程度最高的脑胶质瘤,传统手术结合放、化疗疗效有限。嵌合抗原受体是由单一分子组成的抗原重组受体,重新定向T细胞的特异性和功能,由CD28或4-1BB构成的第二代CAR-T能识别抗原,完全活化T细胞并增强T细胞功能和持久性,是新兴GBM疗法的关注焦点。本文从CAR-T研究现状出发,主要介绍其发展历程和GBM相关的有效靶点,综述其理论基础,着重以白介素13受体α2、表皮生长因子受体变异Ⅶ、人表皮生长因子受体2和酪氨酸蛋白激酶受体A2这四种胶质瘤相关抗原为例,探讨靶点的结构、功能特性、前期研究和临床研究前景。选择性表达在GBM的白介素13受体α2在临床Ⅰ期治疗复发性GBM是安全有效的;表皮生长因子受体变异Ⅷ只存在于癌细胞和胶质母细胞瘤干细胞,与预后不良密切相关,正在进行Ⅰ、Ⅱ期临床试验;表皮生长因子受体2和酪氨酸蛋白激酶受体A也取得重大进展。这些特异性CAR-T可能成为治疗相应靶向阳性的GBM的重要免疫疗法。本文集中总结了目前CAR-T治疗GBM的应用价值及挑战。

多形性胶质母细胞瘤 嵌合抗原受体T细胞 白介素13受体α2 表皮生长因子受体变异Ⅷ 人表皮生长因子受体2 酪氨酸蛋白激酶受体A2

脑胶质瘤是人类最常见的原发性颅内恶性肿瘤,WHOⅣ级脑胶质瘤也称为多形性胶质母细胞瘤(glioblastomamultiforme,GBM),占恶性胶质瘤的80%以上,患者的中位总生存期仅为12~15个月,已成为致死率最高的癌症之一[1]。传统治疗方案是手术切除结合辅助性替莫唑胺化疗及同步放疗,而针对多发性和生长位置不宜实施手术治疗的恶性胶质瘤的治疗措施有限。这种非特异性的治疗方案不能使恶性胶质瘤完全缓解,并会对健康脑组织造成伤害,无益于提高患者的生存质量。此外,单个胶质瘤细胞可通过白质束、胼胝体或脑脊液转移,导致复发,半数以上的患者在对侧脑半球发现转移灶。鉴于传统治疗效果欠佳,用嵌合抗原受体T细胞(chimeric anti⁃gen receptor T-cells,CAR-T)治疗GBM,成为了全球免疫学家和临床医生共同奋斗的目标。

T细胞可通过基因工程合成表达针对特定肿瘤表面抗原的T细胞受体,叫嵌合抗原T细胞受体(chi⁃meric omtigen receptor,CAR)。CAR是将肿瘤特异性抗体单链片段(ScFv)结合至T细胞胞内信号传导结构域(通常为TCR/CD3复合物的ζ链)形成的,常见的CAR还结合CD28或4-1BB共刺激结构域以促进细胞生存和增殖[2]。CAR-T疗法是结合细胞疗法、基因疗法和现代免疫疗法的高新技术,运用转基因技术,现代T细胞分离培养技术和肿瘤生物学原理,分离和大量培养活化状态的T细胞,特异性识别和杀伤肿瘤细胞[3-4]。从20世纪90年代T细胞工程作为免疫疗法开始建立以来,CAR-T已在临床试验中取得了重大突破[5],被公认为最有效治疗癌症方法。尤其是第二代(CD28或者4-1BB)为主的CAR-T细胞治疗晚期急(慢)性淋巴细胞白血病及淋巴瘤,据统计[2],其完全缓解率是70%~100%。CAR-T细胞治疗黑色素瘤、淋巴瘤、成神经细胞瘤和结直肠癌等不同组织来源的恶性肿瘤同样有效[6]。CAR-T细胞可以靶向任一抗原,甚至靶向肿瘤干细胞。基于ScFv与抗原紧密结合不存在HLA限制性的原理,此疗法可克服HLA下调等免疫逃逸现象,能够有效地发挥抗肿瘤作用,给复发、耐药的癌症治疗带来了新的曙光。

1 CAR-T细胞应用于GBM的基础和挑战

CAR-T细胞应用于GBM临床治疗仍面临着巨大的挑战。首先,为保证CAR-T细胞生存和增殖,并且发挥抗肿瘤效应,需在CAR的胞内信号传导结构域以不同方式连接多种不同的共刺激结构域,增强细胞因子表达,活化效应T细胞。另外,CAR-T细胞需要迁移并渗入实体肿瘤病灶内部识别靶点。曾有报道认为可使修饰后的CAR-T细胞表达趋化因子受体,对肿瘤相关的趋化因子环境做出应答,帮助T细胞向病灶游走[7]。同时,寻找特异性肿瘤相关抗原或者肿瘤相关抗原,使CAR-T细胞精确地在实体肿瘤内部发挥作用,避免脱靶效应(off-target)。例如,靶向某些肿瘤细胞高表达的生长因子受体,阻断该受体信号,诱导肿瘤细胞的凋亡[8]。也有研究表明[6],在嵌合抗原受体的ζ链连接锯鳞血抑肽(echistatin)序列后构建的eCAR,可与实体肿瘤新生血管内皮细胞高表达的整合素αvβ3特异性结合,有效减小黑色素瘤的体积。除了肿瘤特异性抗原,引进自杀基因也是避免脱靶效应对正常组织造成破坏的策略之一。

CAR-T技术的发展经历了几个阶段的研究:第一代CAR的结构类似于TCR[9],CD3不变链的胞质部分包含保守的免疫受体络氨酸(ITAMs),通过磷酸化传递信号。这一类人工抗原受体将肿瘤特异性抗体单链片段与TCRζ链融合在一起,创建功能性CAR[10]。CAR-T细胞结合抗原后,会产生活化T细胞的“第一信号”,导致ζ链的ITAM磷酸化,与胞质蛋白络氨酸激酶(PTK)Zap-70结合从而启动TCR早期信号,使T细胞增殖为CTL细胞。第一信号是T细胞活化发挥细胞毒作用所需要的最低限度,不能完成T细胞的其他功能。第一代CAR-T细胞停留在G-G1期,无法避免细胞活化后导致的凋亡或变成无能细胞,不能长期存在。转基因鼠模型[11]研究结果发现,只有CD3ζ链的CAR-T细胞缺乏共刺激分子传导的“第二信号”,不能在体内环境发挥出抗肿瘤效果。使用第一代CAR-T细胞治疗卵巢癌是最早的临床试验之一[12]。

将共刺激信号传递结构域融合在CAR中,能辅助T细胞完成更多功能。应用最广泛的共刺激结构域是CD28或4-1BB,可放大活化信号,使暴露在抗原刺激中的CAR-T细胞成功增殖[13]。CD28与靶细胞或抗原提呈细胞(APC)表面的CD80或CD86结合,产生T细胞早期活化的“第二信号”,以PI3K-Akt为主要信号传导途径,使IL-2、INF-γ等多种细胞因子表达上调[14],对IL-2分泌尤为重要。IL-2可抵抗T细胞转化为无能细胞,是维持T细胞功能的关键因素[15]。CD28共刺激信号还可通过上调细胞周期蛋白D的表达,促使细胞进入G1期和S期。4-1BB是TNF受体家族成员之一,4-1BB共刺激信号促进细胞因子分泌速度较慢[16-18],但4-1BB信号能对记忆性CD8+T产生影响,保证T细胞在体内长期生存并保持其记忆功能[19-20]。在CD4+和CD8+T细胞中,TCR和CD28信号可通过ERK和JNK信号传导通路诱导4-1BB,增加细胞因子的分泌量[21-23]。这可促使受体蛋白SLP76、CD3ε和CD3ξ亚基和酪氨酸激酶LCK磷酸化,招募PKCθ,增加Ca2+内流[24]。TNF受体相关因子也参与该信号传导,TRAF1激活ERK信号通路,上调BCL-XL表达,并抑制促凋亡蛋白BIM、TRAF2活化p38丝裂原蛋白激酶(p38MAPK)并通过NF-κB信号通路诱导抗凋亡因子BCL-XL和BFL-1表达[25]。将上述能产生“第二信号”的分子活性域整合到嵌合抗原受体中,就产生了第二代CAR,它们在过继细胞疗法中,展现了更强的实力。第二代CAR-T治疗血液肿瘤[26],尤其是多发性耐药性急性淋巴细胞白血病和非霍奇金淋巴瘤在Ⅰ期临床试验中已取得重大成果[27-28],2013年《科学》杂志将这种免疫细胞疗法评为首位重大突破[5]。

第三代CARs将CD28和4-1BB/OX40串联起来与CD3ζ链连接,将早期活化信号与持续活化信号相结合,被应用于许多临床试验[17,29],NCT02349724靶向CEA治疗肠癌,NCT02311621靶向GD+治疗神经母细胞瘤等。

2 CAR-T治疗GBM的特异性靶抗原或肿瘤相关抗原

CAR-T成功治疗实体瘤(包括GBM)报道还很少,目前优化CAR-T的主要目标之一是寻找肿瘤特异性肿瘤抗原或者肿瘤相关抗原,或者寻找同时攻击多种肿瘤的多种抗原或者表面分子,这种抗原只在肿瘤细胞表达,而正常细胞不表达或检测不出来。

大量体外的前期临床结果已证明,IL13Rα2(in⁃terleukin-13 receptorα chain variant2,白介素13受体α2)、EGFRⅧ(epidermalgrowth factor receptor-Ⅷ,表皮生长因子受体变异Ⅷ)、ErbB2(epidermal growth factor receptor 2,表皮生长因子受体2)和EphA2(eph⁃rinA2 receptor,酪氨酸蛋白激酶受体A2)这4种肿瘤相关抗原有可能成为治疗GBM的靶点,在临床前动物模型中及部分临床试验中取得了较好的结果。

白介素13受体α2(IL13Rα2),是一种膜结合蛋白,与IL13Rα1密切相关。已经证明成人、小儿脑肿瘤及脑膜瘤IL13Rα2表达丰富,相反,在正常人脑组织几乎检测不到。它在GBM细胞表面的表达量是正常组织细胞的3万倍,58%的患者基因表达上调[29],流式细胞仪分析其在U373细胞系和3例GBM患者细胞的平均表达量高达73%[30],是免疫治疗GBM有效靶点。它在免疫应答和肿瘤微环境中发挥重要作用,可阻断细胞凋亡途径,造成免疫逃逸。靶向IL13Rα2的第一代、第二代CAR-T均表现出明显的抗肿瘤效果[31-34]。表达IL13 E13Y突变蛋白的一代CAR-T细胞对IL13Rα2有较高的亲和力,竞争结合中枢神经系统内表达的IL-13a1/IL4Ra。该报道中[31]3例复发的GBM手术后通过颅腔直接多次注入IL13(E13Y)-zetakine的CD8(+)CTL细胞,2例生存期超过14个月,且不良反应不明显。然而,第一代CAR-T细胞在胶质瘤环境下生存时间限制在15 d以内。最近的研究成果表明[32],融合共刺激结构CAR-T细胞生存期延长,可发挥出更强的抗胶质瘤活性。在体外实验中[33],表达E13K和/或E13Y的第二代CAR-T可杀伤IL13Rα2+的GBM细胞,而不会对正常组织细胞造成伤害。小鼠原位胶质瘤实验证明[34],融合CD28的第二代E13KCAR-T细胞可杀伤肿瘤细胞,延长实验小鼠的生存期。Brown等[35]发现IL13-zetakine修饰的靶向性T细胞同时杀伤IL13Rα2+的胶质瘤细胞和IL13Rα2+的干细胞样肿瘤细胞亚群,这或许对彻底根除IL13Rα2+的胶质瘤有很大的帮助。2014年,美国希望之城医院启动了第二代IL13Rα2特异性CAR-T细胞的一期临床试验,该试验评估瘤/腔内注入基因修饰后的自体T细胞治疗GBM的可行性和安全性[36]。

表皮生长因子受体(EGFR)与预后不良相关。在人原发恶性胶质瘤中,EGFR基因自发重排为表皮生长因子受体Ⅲ型突变体(EGFRvⅢ),但尚未在正常成人组织中检测到。EGFRvⅢ的特点是EGFRmRNA的外显子缺失(2~7外显子),这种缺失是通过选择性剪接或重排实现的。不同于EGFR,它似乎不受EGF和TGF-α调控。EGFRvⅢ过度表达显示出强烈的致瘤性,可诱导肿瘤发生、侵袭,并使肿瘤细胞对治疗产生抗性[37]。EGFRvⅢ只在大约30%的GBM肿瘤细胞[38]及肿瘤干细胞表面表达。EGFRvⅢ特异性CAR-T的优势是能特异性清除肿瘤细胞而不损伤正常组织[39]。在Laura等[37]的研究中,鼠EGFRvⅢ特异性抗体单链片段3C10人源化,构建出2173 EGFRvⅢ4-1BBζCAR-T细胞,在体内、体外实验中均表现出对U87 EGFRvⅢ的杀伤作用,且不损害人类表皮细胞。Sampson等[39]构建的鼠源性CD28/4-1BBξCAR-T细胞检测了该种CAR的自身免疫反应,实验结果表明EGFRvⅢ特异性CAR-T存在剂量依赖性,并且在治疗前需要进行宿主淋巴细胞清除以保证治疗效果。令人鼓舞的是,当治愈后的小鼠遭遇EGFRvⅢ阴性的肿瘤细胞再刺激时,表现出了抗肿瘤作用,说明这种治疗方案可能在宿主体内建立了对新肿瘤的抵抗机制,有效地避免因免疫逃逸和肿瘤抗原缺失导致的复发。目前,第二代、第三代的EGFRvⅢ特异性CAR-T细胞在动物模型中均可发挥很好抗肿瘤作用[39-41],基于这些临床前实验结果,NCT02209376(139 scFv-CD28-4-1BB-CD3ζCAR-T治疗胶质母细胞瘤的ⅠⅡ期临床试验)、NCT01454596(#2173scFv-4-1BB-CD3ζCAR-T治疗胶质母细胞瘤的Ⅰ期临床试验)正在招募中[42-43]。

酪氨酸蛋白激酶受体(ErbB2)是ERBB2基因编码,位于人类17号染色体长臂(17q12),也称为CD340,原癌基因Neu或HER2,是人表皮生长因子受体家族成员。ErbB2在41%的原发性胶质母细胞瘤和细胞系中表达[44],它的信号途径抑制肿瘤细胞凋亡,并增加肿瘤细胞侵袭转移[45]。研究显示[46],来自GBM患者的CD28ζCAR-T细胞能够杀死ErbB2+的原发性GBM肿瘤细胞,包括ErbB2+CD133+的GBM干细胞,并在动物模型中抑制肿瘤的生长。近期Ⅰ/Ⅱ期临床试验中[47],ErbB2特异性CD28ζCAR-T治疗不同组织类型的肉瘤有效率可达40%,并没有不可控制的不良反应发生,该结果显示了ErbB2特异性CAR-T治疗实体瘤的巨大潜力。但是,曾有案例报道[48],在肺癌患者体内注入1 010个第三代ErbB2特异性CAR-T细胞可引起细胞因子风暴,导致患者死亡,推测可能的原因是CAR-T细胞靶向ErbB2弱阳性的肺表皮细胞造成。ErbB2特异性CAR-T细胞是否能应用于GBM患者的治疗,安全性将是研究者考虑的首要因素。

Eph受体A2(EphA2)是人EPHA2基因编码的蛋白。该基因属于蛋白-酪氨酸激酶家族肝配蛋白受体亚家族。酪氨酸激酶受体在胚胎循环系统的形成中起着关键作用,并控制病理性血管生成。Eph受体酪氨酸激酶调节神经系统发育过程中的细胞的空间组成,促进肿瘤血管生成。EphA2在U373细胞系表达量达81%,GBM原代细胞表达量为67%~93%[30]。过度表达的EphA2与肿瘤血管生成和肿瘤侵袭转移密切相关,导致GBM预后不良[49]。鉴于靶向IL13Rα2、EGFRVⅢ的治疗可因其突变缺失而无效,而靶向HER2治疗的安全性有待考证,EphA2特异性CAR-T是新的研究方向。实验证明[50],EphA2在5例多形性胶质母细胞瘤的患者样本和细胞系中均有表达,以人类EphA2单克隆抗体4H5构建的第二代EphA2特异性CAR-T细胞在体外对胶质母细胞瘤细胞系有明显的杀伤作用,并能同时分泌IL-2和INF-γ帮助活化T细胞。在原位小鼠模型中,完全缓解率约为40%。该实验认为EphA2特异性CAR-T细胞能抑制EphA2+胶质瘤干细胞的生长,可辅助杀伤CD133-的肿瘤发生细胞,阻止复发。靶向EphA2+细胞治疗GBM是安全可行的,免疫组织化学结果显示正常脑组织并不表达EphA2,正常上皮细胞表达EphA2水平低,但CAR-T细胞优先攻击分裂的肿瘤细胞而不攻击静止的正常上皮细胞[51]。采用EphA2特异性CAR-T疗法十分有价值,但是它的有效性和安全性仍有待更多动物模型和临床试验的验证。

根据不同靶向GBM的前期研究结果,到目前为止,在体外通过基因修饰患者的T淋巴细胞,特异性识别胶质瘤细胞表面上的抗原或过度表达的分子,从而杀死胶质瘤细胞的治疗方法,已有多个登记的临床试验:(https://clinicaltrials.gov/ct2/results?term=CAR-T+and+glioma&Search=Search)。在不久的将来,有可能发现更多的针对GBM的CAR-T的新靶点。随着诊疗技术的进步,通过组学研究、分子影像等技术结合大数据分析,精确判断分子生物病理学特征,对疾病状态和过程进行个体化诊断,可实现精准防治的目的。

3 结语

以特异性细胞为主(CAR-T))的免疫疗法可避免放化疗对肿瘤患者的伤害,有望提高其生存质量乃至治愈一些晚期癌症患者。CAR-T是免疫学基础理论的完美应用,重组逆转录病毒载体将编码CAR的DNA转导至T细胞中,使其表达由胞外肿瘤特异性抗体单克隆片段、胞内信号传导结构域和/或共刺激分子组成的嵌合性抗原受体,识别肿瘤细胞时不受MHC限制,是一种新的肿瘤治疗策略。

尽管目前CAR-T治疗GBM处于早期临床试验阶段,其面临的主要挑战是找到特异性的靶点及如何避免脱靶效应,防止移植物抗宿主病和自身免疫性疾病的发生,另外由于免疫细胞导致的副肿瘤性小脑变性及多发性硬化症造成脑部损伤等其它CAR-T治疗可能导致的不良反应都是我们将要面临的实际问题。其次,高级别胶质瘤有明显抗原异质性,这是免疫疗法治疗胶质瘤的障碍之一,筛选我国GBM患者的肿瘤特异性表面抗原或者过度表达的分子,构建功能强大的特异性CAR-T细胞或者其它特异性的细胞,是未来的研究方向。采用何种方式注入安全剂量的CAR-T细胞,使其能在胶质瘤病灶处达到有效的治疗浓度,达到完全活化状态,发挥抗肿瘤作用仍需探索。

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(2016-04-30收稿)

(2016-08-25修回)

(编辑:郑莉 校对:杨红欣)

Progress on gliob lastom am ultifo rm e treatment with chim erican tigen receptor T-cells

Yue BAI1,Xiaosong ZHONG2,Wenbin LI1

1DepartmentofGlioma,Beijing Shijitan Hospitalof the CapitalMedicalUniversity,Beijing 100038,China;2The Center ofGene and Cell Engineering,Beijing Shijitan Hospitalof the CapitalMedicalUniversity,Beijing 100038,China

Glioblastomamultiforme(GBM)is themostmalignant form of glioma,and its treatment through traditionalsurgery combined w ith chemotherapy and radiotherapy has lim ited efficacy.Chimeric antigen receptor T-cells(CAR-T)are recombinant receptors for antigen,which,in a singlemolecule,redirectandmediate antigen recognition,T-cellactivation,and,in the case of second-generation chimeric antigen receptors(CARs)costimulation(CD28 or 4-BB),augment T-cell functionality and persistence.CARsare the focus ofattention in emerging treatmentoptions for GBM.Thisarticlemainly introduces the developmentprocessof CAR-T therapy and the recent successofadoptive transfer of CAR-Tcells.Effective targetsof the treatmentofGBM w ith CAR-Taccording to this research are discussed aswell.Some of themost extensively studied targetson GBM,especially interleukin-13 receptorαchain variant 2,epidermalgrow th factor receptor-Ⅷ(EGFRⅧ),human epidermalgrow th factor receptor 2(ErbB2),and ephrinA2 receptor(ErbA2),and thedifferent characteristics of each kind of alloantigen-specific CAR-T cells,are the basis for CAR-T therapy and indicate their different characteristicsor utilitiesand the prospectof further clinical research.The discovery of selective expression of interleukin-13 receptor alpha 2 in glioma cellsmore than 20 yearsago prompted the clinical trialof CAR-T therapy in stage IGBM tumors,and the therapywas proven safe and effective.EGFRⅧisaneoantigen presenting only in cancer cellsand glioblastoma stem cells.Itspresence is correlated w ith poor prognosis,and a phaseⅠ/Ⅱ trial is ongoing at different institutes.ErbB2-specific CARswere also expressed in human T-cells.Adoptive transfer of EphA2(or ErbB2)-specific Tcells resulted in the regression ofglioma xenografts.Thus,target-specific CAR-T immunotherapymay be a prom ising approach for the treatment of different target-positive GBM.Finally,we summarize the application value and challenge ofCAR-Tcell therapy in the treatmentofGBM.

glioblastomamultiforme,chimeric antigen receptor T-cell,IL-13Rα2,EGFRⅧ,ErbB2,EphA2

Wenbin LI;E-mail:neure55@126.com

10.3969/j.issn.1000-8179.2017.16.462

李文斌,医学博士、主任医师、教授。现任首都医科大学附属北京世纪坛医院脑胶质瘤科主任,兼任中国医师协会脑胶质瘤专业委员会常委兼总干事,中国抗癌协会期刊出版部部长,神经肿瘤专业委员会常委,肿瘤药物临床研究专业委员会常委,CurrentSignal Transduction Therapy期刊编委及亚洲编辑部执行副主任,Cancer Biology&Medicine、《中国肿瘤临床》期刊编委。1999年至2005年,于美国宾夕法利亚大学医学院、美国南佛罗里达大学医学院和美国莫菲特(国家)癌症中心及研究所实验治疗科学习及研究。2013年“脑胶质瘤诊疗技术创新的基础研究与临床研究”荣获教育部科学技术进步一等奖,并获得“原发替莫唑胺及贝伐珠单抗赖药的胶质母细胞瘤细胞系及其构建方法和应用”专利权。2009年任国家863课题“低消耗大规模集成微流控分子诊断芯片研发”课题组副组长;2012~2015年任国家863计划“脑胶质瘤分子分型与生物标志物研究”子课题“识别中国人群脑胶质瘤关键癌症通路和分子调控网络”负责人。先后承担了10余项科研课题,发表40余篇研究论文,主编或副主编10余种专著。

①首都医科大学附属北京世纪坛医院脑胶质瘤科(北京市100038);②首都医科大学附属北京世纪坛医院临床基因和细胞工程技术中心

李文斌 neure55@126.com

白玥 专业方向为脑胶质瘤基础研究和临床诊治。

E-mail:18612946653@163.com

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