中国科学家补足癌症疗法CAR-T致命短板,论文登肿瘤医学顶刊

生物医学
中国科学家补足癌症疗法CAR-T致命短板,论文登肿瘤医学顶刊
麻省理工科技评论 2020-09-28

2020-09-28

一种激酶作用机理的发现或许将推动人类抗癌进程;但同行评议对此不敢过分乐观。
医疗 生物
一种激酶作用机理的发现或许将推动人类抗癌进程;但同行评议对此不敢过分乐观。

8 月 28 日,清华大学廖学斌课题组与中山大学魏来课题组合作,在国际肿瘤医学领域的顶级杂志 Cancer Cell 上发表文章《造血祖激酶 1(HPK1)通过有效调控 T 细胞功能,成为 T 细胞免疫疗法的药物靶点》(Hematopoietic Progenitor Kinase1 (HPK1) Mediates T Cell Dysfunction and Is a Druggable Target for T Cell-Based Immunotherapies),证实一种叫做造血祖细胞激酶 1(HPK1)的细胞因子与 T 细胞衰竭直接相关。

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图|论文概要 (来源:学术论文)

这被业内同行评价为肿瘤免疫治疗领域的一项重要工作。廖学斌教授告诉 DeepTech:“我们对实验的结果非常满意。这项研究成果有希望克服 T 细胞衰竭,并且让攻克实体肿瘤成为可能。”

肿瘤(俗称癌症)是医学科学要攻克的最坚固堡垒,而免疫治疗则被认为是未来最有希望的主攻手段之一。要准确理解廖学斌等人工作的意义,我们有必要简单回顾肿瘤免疫治疗的发展史。

百年战争:免疫攻击 VS 肿瘤逃逸

或许很多人都难以相信,以激发免疫系统来对抗肿瘤,出现的时间比公众更熟悉的放疗和化疗都早得多。

稍微懂点医学基础知识的人都知道,人体组织一旦遭到外来物侵入,无论是细菌、病毒还是随着食物摄入的各种过敏原,免疫系统马上就会对它展开攻击。

一个半世纪之前,人类对于恶性肿瘤刚有初步认识的时候,就有科学家提出疑问:癌细胞尽管不算外来物,但毕竟与正常细胞有所不同,人体免疫系统是否也能识别并杀死它?

答案是肯定的。1891 年,美国骨科医师威廉 · 科利往肿瘤病灶注射细菌以激活人体免疫反应,期望通过这种方式杀死癌细胞,这后来被人称为 “科利毒素” 疗法。这显然不是一种安全的方法,细菌感染可能会直接杀死病人,并且疗效很不稳定。改进的手段是通过加热对细菌灭活、减毒,据统计,确实有少数肿瘤患者的症状得到了缓解。

但这种原始的手段效果不佳。究其原因,由菌类激发的免疫反应毕竟不是专门针对癌细胞,杀灭作用有限。随后一个多世纪,科学家从各个角度寻找癌细胞独有的抗原,企图据此攻隙击弱、针对性杀死它。而选择的武器,则涵盖了各种免疫因子(抗体)和免疫细胞。其中最重要的一种,就是 T 淋巴细胞。

过程中科学家遇到第一个麻烦:癌细胞存在一种免疫逃逸机制。其表面有一些抑制性分子,会对免疫系统发出 “别杀了我” 的信号,癌细胞以此把自己化妆成健康细胞,从而躲过免疫系统攻击。

在这一背景下,CAR-T 细胞被科学家提出并研发出来。

所谓 CAR-T 细胞,就是携带了具有 “制导瞄点” 功能的 T 细胞。“CAR”,就是通过基因工程在患者的 T 细胞上嵌入的 “导航系统”,通过“CAR” 的指引,T 细胞就能找到癌细胞从而消灭它。

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图|CAR-T 疗法示意图 (来源:东方IC)

这一思路的诞生迄今已逾 30 年。科学家通过采集病人自身的免疫 T 细胞,经过体外修饰和培养,使其数量扩增,针对性杀伤功能增强,然后回输到患者体内,以杀灭血液及组织中的肿瘤细胞。

两大障碍:T 细胞衰竭与细胞因子风暴

自 1989 年 CAR-T 概念被提出后,这一技术不断发展、改进。最早一代 CAR-T 细胞在体外实验中可以识别靶抗原并有效杀伤肿瘤细胞,但临床试验发现,CAR-T 细胞在体内存活时间过短,回输 3 周后,外周血中即检测不到 CAR-T 细胞。这是因为 CAR-T 细胞会迅速衰竭。此后科学家以各种手段抑制 T 细胞衰竭,逐渐弥补 CAR-T 细胞随着时间延长数量减少的缺陷。

2012 年,美国宾夕法尼亚州科学家卡尔 · 朱恩(Carl June)教授使用改进后的 CAR-T 细胞治愈了急性淋巴性白血病女孩艾米莉(Emily Whitehead)。彼时,患上白血病的艾米丽在经历 16 个月化疗之后,体内癌细胞死灰复燃。绝望之际,她接受了尚处在研究阶段的 “CAR-T 免疫疗法” 的治疗。最终效果让所有人惊讶,艾米丽体内的癌细胞消失了。

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图|艾米莉(Emily Whitehead) (来源:Emily Whitehead Foundation)

艾米莉由此成为首个 CAR-T 细胞免疫疗法治愈的儿童白血病患儿。2013 年,《科学》杂志将这一免疫疗法评为十大科学突破之首。今年 5 月,艾米莉发布了最新照片:她的癌症已经消失 8 年。

CAR-T 的成功似乎让全世界看到了战胜癌症的曙光。然而科学家却不这么看,因为艾米丽是一个幸运的特例,她的 “成功” 不可复制。

艾米丽被治愈至少避开了 CAR-T 疗法中的两大障碍。

首先,CAR-T 疗法还无法突破实体瘤。Emily 所患的是白血病,这是不幸中的万幸,否则 CAR-T 也帮不了她。

其次,她成功挺过了 “细胞因子风暴” 的危险期。细胞因子风暴是 CAR-T 疗法最严重的副作用,具体表现为免疫系统被激活到极限之后,会在杀灭包括病毒在内的外来物的同时,也对人体正常组织展开自杀式攻击,导致患者死亡。

究其根源,是 T 细胞衰竭导致 CAR-T 细胞疗法无法在实体瘤治疗领域取得突破。T 细胞在面对实体瘤时,会因为抗原的持续刺激而分化为衰竭 T 细胞,最终停止工作。往病人体内注入 T 细胞时,数量太少且 CAR-T 细胞在体内容易衰竭,则起不到治疗效果;数量进一步增加,则引发细胞因子风暴。

因此,攻克 T 细胞衰竭问题,是提高 CAR-T 疗法疗效的关键。

揭示一种抑制免疫的激酶的作用机理

廖学斌课题组及其合作者的工作,正是针对 T 细胞衰竭问题。他们的论文证实,通过抑制造血祖细胞激酶 1(HPK1)的作用,可以有效减缓 T 细胞衰竭、提高其抗肿瘤效应。

此前,科学家对于 HPK1 这种激酶在人体中的主要功能已经有较多研究。阿诺医药生命科学部负责人何南海博士告诉 DeepTech:“HPK1 激酶的作用可以简单地归纳为抑制免疫反应。”何南海博士是美国加州大学伯克利分校博士、索尔克研究所博士后,有着超过 10 年的分子生物学及生物化学的研究经验,擅长代谢及肿瘤免疫领域的靶点发现与验证。

而廖学斌及其合作者发表的这篇论文,则是进一步阐释了 HPK1 激酶抑制免疫反应的具体机理。

HPK1 激酶是基因 MAP4K1 表达的产物。在研究初期,廖学斌团队发现,MAP4K1 的表达与低级神经胶质瘤和肾透明细胞癌两种癌症患者存活期限有关,表达越低,存活时间越长。廖学斌由此对 HPK1 的作用机制产生了联想:HPK1 是否通过调控 T 细胞的衰竭从而影响肿瘤病人的生存期?

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图|T细胞攻击癌细胞 (来源:东方IC)

廖学斌课题组司静文博士在小鼠身上做了一系列实验。在实验设计中,对照组是没有做特殊处理的小鼠,而实验组则被敲除了 MAP4K1 基因,这意味着无法产生 HPK1 激酶。结果显示,实验组小鼠(无法产生 HPK1)的肿瘤生长速度明显降低。

研究人员接着又清除了两组患癌小鼠的 CD4+T、CD8+T 和 NK 细胞(它们都属于高等动物体内最重要的免疫细胞),发现在敲除了 MAP4K1 基因的小鼠中,如果缺少 CD4+T 和 CD8+T,抗肿瘤效果基本消失。

这说明,由 HPK1 介导的大多数免疫抑制作用都发生在 T 细胞内,通俗地讲,HPK1 激酶是通过影响 T 细胞从而降低其抗癌效果的。由此很容易产生进一步联想:当 CAR-T 遇上 HPK1,会发生什么?

廖学斌团队针对 CAR-T 细胞进行实验,发现敲除了 MAP4K1 基因的 CAR-T 细胞在培养过程中表现出了更慢的衰竭速度,而对照组则快速衰竭。与预期一致,实验组中小鼠肿瘤生长更缓慢,敲除 HPK1 增强了 CAR-T 细胞的持久性。

“清华廖学斌课题组与中山大学魏来课题组合作发表在 Cancer Cell 的论文进一步印证了 HPK1 在调节 T 细胞激活上的关键作用。这一方面为 HPK1 抑制剂用于实体瘤治疗提供了实验证据和理论支持,另一方面也揭示了 HPK1 抑制剂可能进一步与 CAR-T 疗法联用,以提高 CAR-T 在实体瘤方面的有效性,这对于 HPK1 抑制剂的开发和 CAR-T 疗法均具有重要的意义。”百济神州一位技术负责人以官方身份接受 DeepTech 采访时如此评价这篇论文的重要性。

何南海博士也对这篇论文给予了高评价:“论文非常好,数据量大且说服力强。他们的文章进一步证实了 HPK1 在免疫细胞中的作用,也佐证了 HPK1 作为一个肿瘤免疫治疗靶点的极大潜力。”

美籍华裔科学家、原协和医学院教授王晨光认为,这篇论文能进入 Cancer Cell 的主要原因是研究者在实体瘤上的实验,从这个方面看,“研究人员的的确确在推进这项医学的进步”。

关键决定于安全性?

廖学斌据此开发了多种针对 HPK1 的抑制剂,他表示,其中一种名为 ZYF0033 的抑制剂已经在试验中显示出良好的效果。

事实上,此前已有不止一家公司开发了 HPK1 抑制剂,阿诺医药、百济神州都有类似研发项目。美国制药公司 Treadwell Therapeutics 开发出 HPK1 抑制剂 CFI-402411,FDA 已经批准临床试验;百时美施贵宝开发的 HPK1 药物,今年 8 月 11 日已经公布它在美国国内的专利申请。百济神州在给 DeepTech 的官方回复中表示,他们开发的 HPK1 小分子抑制剂 BGB-15025 预计将在今年提交临床申请,很快进入临床一期,“这也是百济神州真正意义上第一个具有首创新药(first-in-class)潜力的候选药物。”

但 HPK1 对正常人的作用是什么?抑制 HPK1 激酶有什么后果?廖学斌说,HPK1 激酶在人体中的正面功能主要是“防止潜在的免疫系统过度激活”。根据廖学斌等人在小鼠身上的实验,敲除 MAP4K1 之后,小鼠会患皮炎。这一副作用看起来很小,但它仅限于小鼠实验,至今还没有在人身上做过实验。添加 HPK1 抑制剂的副作用不清楚,廖学斌认为,合理推断是其抑制作用比敲除基因小。

针对此,同样从事抗肿瘤药物研究的王晨光认为不够严谨。“敲除基因是敲除 T 细胞的基因,然后回输到病人体内,影响是有限的。而添加抑制剂,是系统给药,直接进入血液,影响的是整个人体,反应有可能更剧烈。”

何南海对于这一问题表示了谨慎的乐观:“如果是在基因层面特异性地抑制 HPK1,在老鼠身上并没有看到太大的副作用,显示单独抑制 HPK1 在正常情况下并不会导致自身免疫疾病。以此类推,如果 HPK1 小分子抑制剂的特异性足够好的话,理论上安全性是有保证的。但我们公司在开发 HPK1 抑制剂时,最关注的却正是安全性问题,并且我们认为 HPK1 抑制剂的特异性(它象征着安全性)将直接决定此项目的成败。”

一个有希望的方向

近一二十年来,肿瘤免疫治疗的兴起让全世界看到了战胜癌症的希望。在传统治疗手段中,且不说放疗和化疗对自身健康组织的损坏,癌细胞作为一种具有无限繁殖能力的细胞,能够在敌人的杀伤下快速进化,越来越强,最终无法控制。而免疫治疗可以持续性地清除癌细胞,避免了这种情况。

2017 年,FDA 批准了两款细胞免疫治疗药物,分别为诺华公司研发的 Kymriah 以及吉利德旗下 Kite 研发的 Yescarta。

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图|诺华创新性细胞和基因疗法工厂 (来源:诺华官网)

当前国内还没有 CAR-T 药物批准上市,但处在临床阶段的不在少数。全球临床试验注册库 ClinicalTrials.gov 数据显示,目前登记在册且活跃的 CAR-T 项目有 556 个,中国就有 297 个。

蓬勃发展的 CAR-T 市场蕴含着治愈癌症的潜在可能性,廖学斌等人的研究成果如果最终得到证实,是否意味着将把这种可能性往前推进一大步?

王晨光教授对此评价说,这是一项系统性研究,算不上是突破性进展。美国公司百时美施贵宝 (Bristol Myers Squibb)很多年前就开始做 HPK1 激酶作用机理的类似研究,去年也发了论文,美国媒体以简报的形式跟进。

对此,廖学斌介绍说,他们的工作与百时美施贵宝他们做的还是不太一样的。“我们第一次提出 HPK1 调控 T 细胞衰竭,并第一次用于 CAR-T 治疗,第一次报告可以利用 PROTAC 降解 HPK1 蛋白。”并且,百时美施贵宝发表论文的 Plos One 是开放杂志,影响影子 3 左右,“我们发在 Cancer Cell 上(癌症方向最顶级杂志),影响因子 26.6。”

何海南则表示,对于 CAR-T 疗法能否在实体瘤中起到像在血液瘤中那样的好效果,目前还存有疑问。“毕竟实体瘤和血液瘤有着非常大的差别。实体瘤有着强大的肿瘤微环境来支持肿瘤细胞的生长、分裂和迁移,而血液瘤则基本没有。所以 CAR-T 想要在实体瘤中起到好的作用,离不开对肿瘤微环境的调节。我们公司的产品正是围绕杀伤性 T 细胞和肿瘤微环境这方面来布局的,我们期待未来能跟 CAR-T 一起联合,将癌症变成一种非致命疾病乃至最终治愈。”

王晨光介绍说,CAR-T 目前的研究进展还在初期,在中国 “临床应用上” 却已经铺天盖地,据他所知,山东的某个县级医院都要做 CAR-T。他认为,这个领域还有很多问题没有解决,甚至连细胞因子风暴的诱发因素都没有搞清楚;并且是在监管还不完善的情况下快速上临床,“这是很不好的一个现象”。

与这些医院的 “快速行动” 相映衬的,是踏实的研发者还在路上奔忙。“聚焦肿瘤免疫治疗,我们的目的是最大限度地把自身免疫系统调动起来,选择靶点的关键就是看它能否对免疫系统产生多方面的效应,而 HPK1 正是我们评估出来的佼佼者之一。”何南海博士如此总结该领域研究者共同的努力方向。

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