Nature | 让T细胞可控：斯坦福大学通过信号分子实现CAR T细胞的逻辑门控制

原创 风不止步 图灵基因 2023-03-15 10:11 发表于江苏

撰文：风不止步

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亮点：

文章利用对T细胞信号网络的理解，通过LAT和SLP-76配对，设计了一个真正的Boolean-logic和门控CAR-T细胞。目前为止，这是第一个能够限制CAR-T细胞活性以直接、瞬时和可逆的方式遇到两种抗原的系统。

布尔代数（Boolean Algebra）与逻辑门：布尔代数，一个数学分支专处理“真”和“假”，它已解决了所有法则和运算；在布尔代数中，变量的值是true和false，能够对其进行逻辑操作。布尔代数中有三个基本操作：NOT、AND和OR。

CarT治疗（CAR-T治疗）即嵌合抗原受体T细胞免疫疗法，属于免疫疗法中的一种，主要用于恶性血液病和恶性肿瘤患者的临床治疗。CAR-T治疗是在从患者血液中收集分离T细胞，然后进行基因修饰，增强其对抗癌细胞的靶向和杀伤能力，T细胞在体外大量培养扩增后，再输入患者体内，并继续繁殖，最终识别体内癌细胞，将其摧毁。

2023年3月8日，美国斯坦福大学Robbie G. Majzner博士等人在《Nature》上发表了一篇“Co-opting signalling molecules enables logic-gated control of CAR T cells”的文章，文章用细胞内近端T细胞信号分子取代了传统的CD3ζ结构域，设计了一种快速和可逆的Boolean-logic门控CAR T细胞平台--细胞内网络（LINK）CAR，在疗效和预防靶、肿瘤毒性方面都优于其他系统。

CAR T细胞已经成为治疗B细胞恶性肿瘤的一个重要工具，对许多人来说是一种治愈性的、拯救生命的疗法。然而，用于治疗实体瘤的CAR T细胞的发展一直很缓慢，并以失败为标志。一个主要障碍是缺乏与重要的正常组织不共享的肿瘤特异性目标。虽然CARs有时可以在表达非常高的抗原的肿瘤和表达同一目标的较低水平的正常细胞之间提供一个治疗窗口，但随着更强大的CAR T细胞被设计出来，在临床研究中可能会出现更频繁的靶向、非肿瘤毒性。

图1：近端信号分子是传播CAR T细胞激活的必要条件。

通过与T细胞信号所需的LAT-SLP-76支架合作，产生了 Boolean-logic AND-gate CAR T细胞。通过利用本地T细胞信号生物学的优势，实现一个高度特异和可移植的系统，以限制T细胞对双抗原相遇的反应。其他几个AND-gate CAR系统已经被设计出来，包括SynNotch和SPLIT CAR，但正如数据所显示的，这些系统在体内的特异性或有效性方面存在缺陷。另外两个需要共同施用外来蛋白以在抗原表达的基础上重定向CAR T细胞的AND-gate系统已经被提出并在体外进行了测试（LOCKR和SUPRA CAR）。

图2：ZAP-70 CARs绕过上游信号元素，可以表现出更强的抗肿瘤活性。

由于药代动力学的原因，小蛋白疗法在临床上的应用在技术上具有挑战性，而且有效穿透组织的能力可能有限。此外，完全合成的蛋白质有潜在的免疫原性。相比之下，LINK CAR的信号成分完全是人类的，该系统很容易地以模块化的方式被设计成任何特异性。识别理想的AND-gate目标是肿瘤学中一个不断增长的领域，该系统准备改变可以安全地以CAR T细胞为目标的分子景观。使用病人样本和单细胞技术的进一步工作将是必要的，以确定LINK CAR T细胞的安全和有效目标。

图3：LAT和SLP-76 CARs绕过上游信号元素，共同发挥布尔逻辑AND门的作用。

在观察到细胞内的近端信号分子（如ZAP-70和PLCγ1）可以作为合成TM受体的信号域后设计了LINK CARs。近端信号的CARs绕过了TCR机制的上游组件，但转录和磷蛋白组分析表明，其下游信号网络与使用CD3ζ的CARs相似。此前，研究人员发现，蛋白酪氨酸激酶SYK也可以被重新利用到类似CAR的嵌合分子中，在体外杀死肿瘤细胞，但基于ZAP-70的CARs基本上是无效的。与ZAP-70KIDB CAR功能上的差异可能是由于排除了自我抑制的SH2结构域。总之，这项工作表明，合成受体可以重新利用胞质激酶和其他信号机制来控制细胞内的过程——这种方法也可能适用于其他类型的细胞。

图4：靶向突变建立LINK CAR的特异性。

某些近端信号的CARs在模型中显示出优势，包括减少强直信号和T细胞衰竭，以及增加扩增和持久性。一些ZAP-70 CARs有可能优于CD3ζ CARs，因为强直信号的减少和衰竭或更精细的信号强度，和/或通过逃避T细胞中的抑制性配体和调节机制，这些配体和调节机制集中在LCK或CD3ζ本身。未来的工作将确定增强ZAP-70 CAR活性的基础，并评估LINK和PLCγ1 CAR是否具有同样的优势。当目标抗原密度较低时，CD3ζ CAR T细胞的功能是有限的，通过抗原重塑为肿瘤免疫逃逸提供了机会。预计LINK CAR系统也有类似的易感性，但需要系统性的工作来了解该系统每个组成部分的抗原密度阈值，这些阈值可能因个别抗原和结合分子而不同。

图5：LINK CAR介导了肿瘤的根除，同时防止了靶向、非肿瘤的毒性。

总之，利用近端信号分子设计了一个CARs工具箱，表现出更强的功能和特异性，包括一个强大的瞬时和可逆的Boolean-logic和门控系统，超过了以前发表的系统。通过将细胞膜分子重新利用到CARs中，以一种高度功能性但未预期的方式控制细胞活动。该工具为科学家和医生提供了在临床上控制和增强CAR T细胞功能的能力。这些进展可能会产生广泛的影响，不仅在癌症免疫治疗领域，而且在研究人员将CAR T细胞扩展到自身免疫性疾病和开发新类别的细胞疗法方面。

教授介绍

Robbie G. Majzner 博士

Robbie Majzner博士是血液学和肿瘤学部门的儿科助理教授。从哥伦比亚大学获得学士学位后进入哈佛大学医学院，在那里对儿童肿瘤学产生了兴趣。在纽约长老会-哥伦比亚大学完成了儿科住院医师培训，并在约翰霍普金斯大学和国家癌症研究所完成了儿科血液肿瘤学的研究培训。

在研究期间，他照顾了一些最早接受CD19嵌合抗原受体（CAR）T细胞的儿科病人，这些儿童患有B细胞急性淋巴细胞白血病（B-ALL），通常没有其他治疗选择。见证了CAR T细胞在这些患者身上的成功，促使Majzner博士来到实验室，专注于将CAR T细胞的使用扩展到实体肿瘤。他优化了新的受体，以识别儿科实体瘤上过度表达的抗原，如GD2（Mount/Majzner等人，Nature Medicine，2018）B7-H3（Majzner等人，Clinical Cancer Research，2019）和ALK（Walker/Majzner等人，Molecular Therapy，2017）。

目前的工作重点是将多特异性赋予CAR T细胞，并优化这些受体，以便在目标量（抗原密度）受到限制时提高其疗效（Majzner等人，Cancer Discovery，2020）。通过借鉴最先进的生物工程技术，Majzner实验室专注于提高CAR T细胞对癌症儿童的效力和特异性。

在临床上，Majzner博士在Lucile Packard儿童医院照顾所有神经母细胞瘤患者，并对将新型免疫疗法用于这些患者和其他实体瘤患者的临床试验有特殊兴趣。他拥有小儿科和小儿血液肿瘤学证书。

参考文献

Aidan M. Tousley, Maria Caterina Rotiroti et.al Co-opting signalling molecules enables logic-gated control of CAR Tcells（2023）