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        腫瘤免疫細胞治療研究進展

        2018-02-28 06:32:38刁愛坡
        天津科技大學學報 2018年1期

        刁愛坡,趙 青

        (天津科技大學生物工程學院,天津 300457)

        惡性腫瘤是危害人類健康最嚴重的疾病之一.近年來,隨著生物技術的迅速發(fā)展,以調(diào)動機體的免疫功能來清除腫瘤微小殘留病灶或明顯抑制腫瘤細胞增殖為基礎的腫瘤免疫治療,已被廣泛研究和應用于臨床并取得了一定療效,成為繼手術、放療和化療之后的又一重要的腫瘤治療手段.

        腫瘤免疫治療按照治療的原理可分為非特異性免疫調(diào)節(jié)劑治療、腫瘤疫苗治療、免疫檢查點阻斷治療和免疫細胞治療.非特異性免疫調(diào)節(jié)劑治療是通過使用干擾素、白細胞介素–2(IL-2)、胸腺肽、胸腺肽α、香菇多糖、豬苓多糖、酵母多糖等增強機體免疫功能,激活機體的抗腫瘤免疫應答[1–4].腫瘤疫苗治療是利用腫瘤細胞或腫瘤抗原物質(zhì)誘導機體的特異性免疫和體液免疫,增強機體抗腫瘤能力,預防術后擴散和復發(fā).治療腫瘤常用的腫瘤疫苗包括多肽疫苗、核酸疫苗、重組病毒疫苗、細菌疫苗、樹突細胞(dendritic cell,DC)疫苗等[5].免疫檢查點阻斷治療是通過阻斷腫瘤微環(huán)境中的免疫抑制信號,即免疫檢查點,解除免疫細胞活性抑制,增強抗腫瘤活性.目前研究最為深入的免疫檢查點為細胞程序性死亡受體 1(programmed death 1,PD-1)/程序性死亡配體1(programmed death ligand 1,PD-L1),以及細胞毒性淋巴T細胞抗原4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4,CTLA-4)[6–7].免疫細胞治療(cell-mediated immunotherapy)則是通過采集人體自身免疫細胞,經(jīng)過體外修飾和培養(yǎng),使其數(shù)量擴增成千倍增多,靶向性殺傷功能增強,然后再回輸?shù)交颊唧w內(nèi),從而殺滅血液及組織中的腫瘤細胞.免疫細胞治療能夠靶向腫瘤細胞而不傷及正常組織細胞,并可產(chǎn)生免疫記憶,預防腫瘤復發(fā).腫瘤免疫學研究及其臨床應用已成為腫瘤治療研究中開展最廣泛、最深入的領域之一,本文僅就腫瘤免疫細胞治療中以嵌合抗原受體 T細胞、自然殺傷細胞以及巨噬細胞為核心的免疫細胞治療技術的研究情況進行綜述.

        1 嵌合抗原受體T細胞療法

        嵌合抗原受體(chimeric antigen receptor,CAR)T細胞免疫療法是一種新型腫瘤免疫細胞療法,1989年由 Gross等[8]提出,近幾年被改良并應用到臨床中.它是將抗原抗體的高親和性與 T淋巴細胞的殺傷作用相結合,通過構建特異性嵌合抗原受體,經(jīng)基因轉(zhuǎn)導使 T淋巴細胞表達特異性嵌合抗原受體,特異性識別靶抗原從而殺傷靶細胞.目前,臨床上CAR技術在血液系統(tǒng)腫瘤和實體瘤的治療上均取得了明顯的效果.

        CAR-T細胞的嵌合抗原受體的基礎結構如圖 1所示,其基礎設計組成包括抗原結合區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導區(qū).

        圖1 嵌合抗原受體基礎結構Fig. 1 Schema of chimeric antigen receptor structure

        抗原結合區(qū)由單鏈抗體(single chain fragment variable,scFv)與鉸鏈區(qū)(spacer)連接形成.單鏈抗體由輕鏈可變區(qū)(VL)、重鏈可變區(qū)(VH)以及它們之間的 15個氨基酸((Gly4,Ser)3,linker)鏈接肽組成,鉸鏈區(qū)通常來源于CD8[9]或者IgG[10].抗原結合區(qū)對特定腫瘤相關抗原(tumor associated antigen,TAA)有特異識別功能,其與 TAA間的親和力決定了 CAR-T細胞與靶細胞的結合能力[11].跨膜區(qū)(transmembrane domain,TD)通常由同源或異源二聚體膜蛋白,如CD3、CD4、CD8、CD28組成,主要起著連接抗原結合區(qū)與胞內(nèi)信號區(qū)進行信號轉(zhuǎn)導的作用.胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導區(qū)主要由 T細胞受體 TCR/CD3ζ鏈、免疫球蛋白 Fc受體的 γ鏈或 CD3ε鏈構成,通常包含免疫受體酪氨酸活化基序(immunoreceptor tyrosine_based activation motifs,ITAMs),負責信號轉(zhuǎn)導[12].

        自 1989年起,CAR結構不斷改進,目前已發(fā)展到第四代,如圖2所示.

        圖2 四代CAR的嵌合受體組成Fig. 2 1st-4th generation of CARs

        第一代 CAR胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導區(qū)只包含單一的TCR/CD3ζ鏈或Fc受體的γ鏈或CD3ε鏈結構域,在體外實驗中可以識別靶抗原并有效殺傷腫瘤細胞,同時分泌 INF-γ,但是在臨床試驗中表現(xiàn)出體內(nèi)存活時間短,回輸 3周后,外周血中無法檢測到第一代CAR-T細胞[13].第二代 CAR胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導區(qū)除了TCR/CD3ζ鏈結構域外,串聯(lián)了一個協(xié)同刺激分子結構域(co-simulation domain,CSD),例如 CD27、CD28、CDl34(OX40)或 CDl37(4-1BB)等[14–15].加入?yún)f(xié)同刺激分子后,第二代 CAR-T細胞可以分泌更多的 IL-2,細胞凋亡信號通路處于抑制狀態(tài),抗原刺激后 CAR-T細胞大量擴增[15–16],彌補了第一代 CAR-T細胞隨著時間延長數(shù)量減少的缺陷.其中,加入 CD28共刺激結構域,除了增強細胞持續(xù)活化外,還有效解除了調(diào)節(jié)性 T細胞(regulatory T cells,Treg)對 CAR-T的抑制作用[17],使第二代 CART細胞在腫瘤微環(huán)境中能夠更好地發(fā)揮殺傷功能.第三代CAR是在TCR/CD3ζ鏈結構域的基礎上,同時串聯(lián)了兩個協(xié)同刺激分子結構域,可使 T細胞持續(xù)活化增殖,細胞因子持續(xù)分泌,增強殺傷腫瘤細胞作用.體外分析二代與三代 CAR-T細胞的功能并無明顯區(qū)別,但在針對不同腫瘤類型的小鼠模型中,它們表現(xiàn)出不同的治療活性[15,18].第四代 CAR (T cells redirected for universal cytokine killing,TRUCKs)除了嵌合抗原受體基因外,整合表達免疫因子、整合共刺激因子配體,如促炎性細胞因子白細胞介素–12(IL-12)等,成功激活 CAR的信號通路[19]. 這種被改造后的T細胞可以在CAR識別靶抗原后,通過激活下游轉(zhuǎn)錄因子 NFAT(nuclear factor activated T cells)來誘導表達 IL-12,從而招募環(huán)境中的其他免疫細胞(樹突狀細胞、吞噬細胞和自然殺傷細胞等),參與對不表達靶抗原的腫瘤細胞的清除.同時,被募集在腫瘤附近的免疫細胞還可以通過分泌某些細胞因子(如干擾素–γ、腫瘤壞死因子–α、IL-4和 IL-5等)來調(diào)節(jié)腫瘤附近的微環(huán)境,解除其免疫抑制性,通過調(diào)動機體自身免疫力參與對腫瘤細胞的殺傷作用.

        CAR結構基因需要借助特殊的方法整合到T細胞基因中以實現(xiàn)表達,如使用病毒載體、電穿孔、轉(zhuǎn)座子以及直接轉(zhuǎn)入 mRNA 或蛋白[20–23].成功表達CAR的T細胞需要在體外擴增到足夠的數(shù)量才能輸入體內(nèi)產(chǎn)生治療效果.體外擴增的方法通常用抗CD3和抗 CD28抗體或是基因修飾過的表達靶抗原的抗原提呈細胞等激活 T細胞擴增.最近又有研究將一段編碼10個氨基酸的肽段基因序列作為表位標簽添加到 CAR結合區(qū),然后使用針對這個表位標簽的單抗特異性選擇修飾CAR-T細胞擴增與純化[24].

        目前臨床應用研究最為深入的代表性CAR-T療法為靶向 CD19的 CAR-T細胞免疫治療,該療法在治療兒童和成人復發(fā) B細胞急性淋巴細胞白血病(B-ALL)、慢性淋巴細胞白血病(CLL)和B細胞非霍奇金淋巴瘤(B-NHL)方面表現(xiàn)出穩(wěn)定高效的抗腫瘤效果[25].在各種臨床研究中,雖然 CAR的設計有所不同,但是從臨床響應數(shù)據(jù)(表 1)中可以看出,靶向CD19的CAR-T細胞治療是復發(fā)/難治B細胞惡性腫瘤的一種非常有效的治療方法.

        表1 靶向CD19的CAR-T細胞治療臨床研究情況Tab. 1 Clinical responses to CD19 CAR therapy

        雖然 CAR-T療法的臨床試驗效果良好,但治療過程中也存在著潛在的毒副作用,如較為常見的發(fā)熱、皮疹、寒顫、低血壓等,嚴重時可引起細胞因子釋放綜合癥、腫瘤溶解綜合癥等[25].因此,為提高CAR-T的有效性和安全性,一系列可控型CAR-T及其他新型基因修飾 T細胞技術應運而生,包括嵌合共刺激受體(chimeric co-stimulating receptors,CCRs)T 細胞[34–35]、抗原特異性抑制受體(antigenspecific inhibitory receptors,iCARs)T 細胞[36]和基于Notch的合成受體(Notch-based receptors,synNotch)T細胞技術[37]等.如 Prosser等[35]將 PD-1胞外結構域串聯(lián)CD28跨膜結構域與胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導區(qū),得到嵌合共刺激受體(CCR),將T細胞中PD-1/PD-L1抑制性信號通路逆轉(zhuǎn)為共刺激信號通路,進而加強 CCRT細胞的細胞毒性.Notch蛋白是一種參與多種有機體中細胞間通訊的蛋白質(zhì),對正常發(fā)育至關重要,F(xiàn)edorov等[37]基于Notch蛋白研制出synNotch受體,synNotch受體一端伸出T細胞外,作為傳感器組件,特異性地識別多種不同類型的疾病信號;而另一端在細胞內(nèi),作為效應器組件,經(jīng)設計后能夠讓細胞執(zhí)行多種多樣的反應.這些新技術可以更精確地調(diào)節(jié) T細胞的激活,從而降低治療風險.

        CAR-T細胞療法是當今最先進的腫瘤免疫細胞治療技術,在淋巴瘤中已經(jīng)取得了顯著的成果.它的出現(xiàn)使得腫瘤免疫治療進入一個新階段,但是基于CAR的治療方法在技術和大規(guī)模臨床應用方面仍然存在著巨大的挑戰(zhàn).隨著對人體免疫系統(tǒng)和腫瘤免疫治療的研究更加深入,相關臨床數(shù)據(jù)不斷積累.其中:凱特制藥公司(Kite Pharma)的 CAR-T項目Axicabtagene Ciloleucel(KTE-C19)于2016年經(jīng)歐洲藥品管理局(EMA)人用醫(yī)藥產(chǎn)品委員會(CHMP)和先進療法委員會(CAT)準許,進入新成立的重點藥物(PRIME)審批計劃.朱諾治療公司(Juno Therapeutics Inc.)CAR-T療法JCAR015在 2016年和 2017年的臨床試驗中分別導致 3位和 2位患者死亡,被迫叫停.2017年 8月 30日,美國 FDA批準諾華(Novartis)旗下 CAR-T療法明星藥物 Tisagenlecleucel(曾用名 CTL019)上市,商品名為 Kymriah,用于治療復發(fā)/難治 25歲以下 B細胞急性淋巴性白血病(B-ALL)患者.相信 CAR-T細胞治療技術將日趨完善,并有望成為惡性腫瘤的克星,為醫(yī)學發(fā)展及人類健康作出貢獻.

        2 自然殺傷細胞療法

        自然殺傷(natural killer,NK)細胞是獨立于T、B細胞的第三類淋巴細胞亞群,屬于固有免疫細胞,是機體防御的第一道防線,不僅具有抗感染、免疫調(diào)節(jié)和抗腫瘤等多重作用,而且在某些情況下參與超敏反應和自身免疫性疾病的發(fā)生.

        NK細胞殺傷的靶細胞主要包括腫瘤細胞、病毒感染細胞、較大的病原體(如真菌和寄生蟲)、同種異體移植的器官與組織等.它無需抗原預先致敏,即可直接殺傷靶細胞,故在機體抗腫瘤、早期抗病毒或胞內(nèi)細菌感染的免疫應答中有重要作用[38].近幾年,隨著腫瘤分子機制的深入研究,NK細胞的抗腫瘤作用備受關注,已形成多種不同的研究方法,包括同種異體 NK細胞過繼免疫治療、清除 NK細胞的抑制因素、基因修飾NK細胞表達嵌合抗原受體(CAR)等.

        NK 細胞的表型為 CD3-CD56+,主要分布于骨髓、外周血和脾臟當中,占外周血淋巴細胞的 10%,~20%[39].NK細胞殺傷腫瘤細胞的機制如圖 3所示.

        圖3 NK細胞對腫瘤的殺傷機制Fig. 3 Mechanism of NK cell cytotoxicity

        由圖 3可知,NK細胞殺傷腫瘤細胞機制包括:①穿孔素和顆粒酶介導的細胞毒性作用;②死亡受體介導的靶細胞凋亡;③分泌細胞因子促進殺傷活性;④抗體依賴的細胞毒性作用(antibody-dependent cellmediated cytotoxicity,ADCC)[40].NK 細胞的活性取決于其活化受體和抑制受體間的動態(tài)平衡[41–44],其中活化受體 NKG2D(natural killer group 2,member D)、NKp30、NKp44和 NKp46為 NK 細胞的活化提供激活信號,最終引發(fā)細胞毒性和產(chǎn)生細胞因子;典型的抑制性受體為 KIR(killer inhibitory receptor,KIR),KIR識別“自我”,隨后傳遞負調(diào)控信號,最終通過抑制信號通路來抑制 NK 細胞的活化[45].此外,細胞因子對于 NK細胞的發(fā)育、存活和功能行駛也具有重要的調(diào)節(jié)作用,如IL-15在NK細胞發(fā)育和信號激活中發(fā)揮關鍵作用[46–47],IL-12、IL-15和 IL-18促進 NK細胞壽命延長,且二次刺激可增強 NK細胞功能[48].

        在臨床應用中,NK細胞過繼性治療腫瘤已取得一定的成果,但同時也存在一些缺陷,如 NK細胞的靶向性、自體移植 NK 細胞失活問題等[49].為此,研究者開始嘗試將應用于 T細胞的嵌合抗原受體(CAR)技術應用于NK細胞,使NK細胞能夠特異地識別靶細胞,提高其殺傷靶細胞毒性作用,即 CARNK免疫療法.相比于 T細胞,NK細胞是一種安全的效應細胞,它的使用能夠避免 CAR-T細胞治療中帶來的細胞因子風暴、腫瘤溶解綜合癥等副作用,并且CAR修飾后的NK細胞與CAR-T細胞一樣,可以高效地實現(xiàn)對靶細胞的特異殺傷[50].但研究[51]發(fā)現(xiàn),CAR-NK細胞的轉(zhuǎn)導技術及其增殖能力均不及CAR-T細胞.因此,開發(fā)新一代的 CAR-NK細胞對NK細胞的過繼性治療具有重要意義.

        3 巨噬細胞療法

        巨噬細胞是機體固有免疫反應的重要組分,是一類具有可塑性、異質(zhì)性的細胞群體,通過清除異常細胞保持正常組織的穩(wěn)態(tài),在機體的非特異免疫功能中發(fā)揮重要作用[52].

        巨噬細胞可通過多途徑、多步驟發(fā)揮廣譜抗瘤作用.細菌細胞壁成分和細胞因子可以活化巨噬細胞,活化的巨噬細胞可以高效、專一地識別并裂解腫瘤細胞,包括那些對細胞毒性藥物有抗性的腫瘤細胞,但對正常細胞的損傷卻很少.巨噬細胞和腫瘤細胞直接接觸 1~3,d后可分泌釋放一些細胞毒性物質(zhì)(如TNF-α、NO、絲氨酸蛋白酶、溶酶體酶、活性氧等),可導致所結合的腫瘤細胞溶解或調(diào)亡,此過程緩慢并且需要細胞之間直接接觸[53].巨噬細胞也可以通過抗體依賴的細胞毒性作用(antibody-dependent cellmediated cytotoxicity,ADCC)直接殺傷腫瘤細胞.巨噬細胞膜表面表達 IgG Fc 受體(FcγRⅠ和 FcγRⅢ),抗腫瘤抗體 Fab段與腫瘤表面抗原結合,F(xiàn)c段與巨噬細胞上IgG Fc受體結合,在與Fc受體交聯(lián)過程中巨噬細胞被活化并分泌 TNF-α、中性蛋白酶、活性氧和 IL-12等細胞溶解物質(zhì),將腫瘤細胞溶解并吞噬[54].活化的巨噬細胞可以處理和呈遞腫瘤抗原、激活 T細胞并刺激機體對腫瘤細胞產(chǎn)生特異性免疫應答.與T細胞相比,巨噬細胞殺傷腫瘤細胞與腫瘤細胞的免疫原性、轉(zhuǎn)移潛能和對藥物的敏感性無關.因此,對于絕大多數(shù)腫瘤細胞,尤其是那些腫瘤抗原易發(fā)生變異的轉(zhuǎn)移腫瘤細胞,在體內(nèi)特異性 T細胞難以發(fā)揮效應時,其對活化的巨噬細胞的殺傷作用卻極少出現(xiàn)抗性[55].

        在腫瘤發(fā)生初期,來自健康組織的巨噬細胞活化后可以抑制腫瘤細胞的生長,但是在腫瘤惡化階段,來自腫瘤微環(huán)境浸潤的巨噬細胞,即腫瘤相關巨噬細胞(tumor associated macrophages,TAMs)卻促進腫瘤細胞的生長.實體腫瘤不僅包括腫瘤細胞成分,腫瘤組織當中還有相當多的其他非腫瘤細胞成分,這些細胞成分構成了所謂腫瘤微環(huán)境,在腫瘤的浸潤、增殖和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要的作用.腫瘤微環(huán)境中包含多樣細胞成分,有組織本身固有的脂肪細胞、成纖維細胞,也有血源性細胞成分,包括巨噬細胞、中性粒細胞和肥大細胞等炎性細胞,這些血源性細胞在腫瘤的進展、侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用[56–57].TAMs是腫瘤微環(huán)境當中最豐富的細胞成分,在腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮多項功能,包括分泌金屬基質(zhì)蛋白酶消化細胞外基質(zhì)促進腫瘤細胞浸潤遷移、分泌多種生長因子及血管生成因子促進腫瘤增殖、分泌抑制性細胞因子抑制機體腫瘤免疫等[58].與腫瘤細胞不同的是,TAMs的基因表達更穩(wěn)定,所以采取針對巨噬細胞作為靶點治療腫瘤具有很大的可行性.此外,隨著研究的深入,研究者發(fā)現(xiàn)了 TAMs促進腫瘤生長的調(diào)節(jié)機制,多種腫瘤細胞表面均表達一種膜糖蛋白 CD47.當 CD47與巨噬細胞的 SIRPα 和 TSP1受體分別結合后,巨噬細胞便會停止吞噬腫瘤細胞,反而促進腫瘤的生長[59].因此,目前研究者們正嘗試通過使用 CD47的特異性抗體激活巨噬細胞吞噬腫瘤細胞,相關研究已進入臨床階段.

        4 其他腫瘤免疫細胞療法

        除了以上3種最受關注的療法外,腫瘤免疫細胞治療還涉及淋巴因子激活的殺傷細胞(LAK)、腫瘤浸潤淋巴細胞(tumor infiltrating lymphocyte,TIL)、樹突狀細胞(dendritic cells,DC)、細胞因子誘導的殺傷細胞(cytokine-induced killer,CIK)等.LAK細胞即淋巴因子激活的殺傷細胞,是一類重要的細胞毒性淋巴細胞群,平時處于抑制狀態(tài),在誘導因子IL-2刺激下激活增殖,對人體內(nèi)的腫瘤細胞具有很強的殺傷作用,具有廣譜高效的殺瘤效應[60].LAK細胞療法開發(fā)于20世紀80年代后期,經(jīng)過多年的臨床研究,目前僅作為腫瘤治療的輔助療法.

        TIL細胞即腫瘤浸潤淋巴細胞,是從腫瘤組織中分離出的 CD4+、CD8+,T細胞,在體外經(jīng) IL-2的刺激、活化、擴增后可應用于臨床腫瘤過繼性細胞治療.臨床上進行TIL 過繼性治療之前,需要對患者進行全身放療,使患者體內(nèi)的淋巴細胞清除,同時聯(lián)合化療藥治療可提高療效[61].

        DC即樹突狀細胞,為體內(nèi)專職抗原提呈細胞,是抗微生物、腫瘤和自身抗原免疫應答時重要的啟動子和調(diào)控子[62].在 DC發(fā)育和發(fā)揮作用的過程中,未成熟DC具有較強的遷移能力,成熟DC能有效激活初始型 T細胞,是啟動、調(diào)控并維持免疫應答的中心環(huán)節(jié).DC亞群在體內(nèi)抗腫瘤免疫應答的動物模型中廣泛研究,DC通常在體外被分離出來,并負載腫瘤抗原,注射到同系動物中作為腫瘤疫苗[63].

        CIK細胞即細胞因子誘導的殺傷細胞,是人體外周血中單個核細胞在體外經(jīng)多種細胞因子如 IL-2、CD3單抗、干擾素–1、重組人纖維蛋白等共同刺激后獲得的一群異質(zhì)細胞,具有識別、殺傷腫瘤的特性,增殖能力強,細胞毒作用強,同時也具有一定的免疫特性[64].將CIK細胞與DC細胞在體外共同培養(yǎng),在促進 DC細胞成熟的同時,更加強了 CIK細胞的抗腫瘤活性,即DC-CIK.DC-CIK既能凸顯出特異性的免疫殺傷,又能展現(xiàn)其強大的非特異性抗瘤效應,除了殺瘤活性高及殺瘤范圍廣的特點外,還具有降低免疫耐受的特性,可以有效地預防某些自身免疫性疾病[65].

        5 結 語

        腫瘤免疫細胞治療除了可直接發(fā)揮抗腫瘤的作用外,還可以通過糾正機體免疫功能低下,增強機體抗腫瘤細胞的免疫功能而兼顧治療與預防的雙重療效.近年來,腫瘤免疫療法研究取得了重要進展,腫瘤免疫細胞治療受到越來越多的關注,預示著免疫細胞治療有望成為繼手術、化療、放療、靶向治療后惡性腫瘤治療領域的又一場革新.

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