CAR-T細胞療法治療血癌已經(jīng)取得了一定的成功，但在實體瘤上的應用還存在很多局限性。過表達的腫瘤相關抗原（如EGFR和HER2）是治療性T細胞有吸引力的靶點，但CAR-T細胞可能與表達低水平靶抗原的正常組織發(fā)生毒性交叉反應，這種脫靶副作用是阻礙CAR-T發(fā)展的一大障礙。
近期，美國加州大學舊金山分校與芬蘭赫爾辛基大學的研究人員合作，設計了一個兩步正反饋電路，即給CAR-T細胞加了一個開關，可讓其根據(jù)S型曲線抗原密度閾值來區(qū)分靶標，從而避免CAR-T細胞對表達低水平腫瘤抗原的正常細胞誤殺，也為攻克實體瘤提供了一個關鍵性工具。相關成果發(fā)表在Science上。
在該電路設計中，研究人員利用一種名為synNotch的受體來檢測HER2抗原表達。低親和力synNotch受體作為一個過濾器，限制轉(zhuǎn)錄誘導只發(fā)生于T細胞遇到高抗原表達靶細胞時。而一旦通過這個初始過濾器，誘導的高親和力CAR就能進行強效的T細胞增殖和殺傷。
圖2 | 超靈敏抗原密度感應T細胞的設計。（A）理想的治療性T細胞將區(qū)分表達高抗原密度的腫瘤細胞和表達低抗原量的正常細胞。具有標準線性響應曲線的CAR-T細胞在高密度和低密度細胞之間的區(qū)別效果很差。有效的區(qū)別需要一條S型超靈敏劑量-反應曲線。（B）兩步識別電路的設計。TF = 轉(zhuǎn)錄因子。（來源：Science）
具體來說，考慮到T細胞電路的應答可以通過改變電路內(nèi)的受體親和力來調(diào)節(jié)，研究人員通過連接低親和力和高親和力識別，形成兩步級聯(lián)反應來產(chǎn)生穩(wěn)健的超靈敏響應。低親和力synNotch受體遇到低密度HER2抗原時，在T細胞表面表達很少量CAR（圖3下左）。相反，當該受體遇到高密度HER2抗原時，它們被更好地激活從而表達更高穩(wěn)態(tài)量的CAR（圖3下右）。因此，高密度靶抗原既增加了CAR的表達水平，又激活了T細胞的增殖和殺傷活性。相比之下，對于組成型表達（constitutively expressed。與誘導性表達相對，組成型表達不需要其他因子的誘導即可穩(wěn)定的表達）CAR的T細胞，即使是CAR表達降低，或CAR親和力降低，也會觸發(fā)T細胞對低抗原密度細胞的殺傷。
圖3 | 在高親和力CAR上表達低親和力synNotch（synNotch低親和力→ CAR高親和力）的兩步電路機理。（來源：Science）
研究人員解釋道：“即便使用相同的抗原結(jié)合域，CAR和synNotch受體顯示出不同的敏感性。CAR更敏感，以相對低的抗原密度觸發(fā)殺傷活性，而synNotch介導的基因表達需要更高的抗原密度。因此，低親和力 synNotch受體不能誘導足夠量的CAR表達來觸發(fā)低密度靶點的殺傷反應，而僅引發(fā)高密度靶點的強效殺傷?！?/span>
研究人員還評估了T細胞電路的設計是否可以實現(xiàn)HER2抗原的密度依賴性識別。結(jié)果顯示，一些synNotch低親和力→ CAR高親和力電路T細胞顯示HER2抗原密度超敏感（圖4右）。相比之下，組成型表達高親和力或低親和力CAR的T細胞顯示出很小的密度區(qū)分（圖4左）。
圖4來源：Science
接下來，研究進一步檢測了HER2抗原密度感應電路針對多種不同 HER2低表達和高表達的人癌細胞系的效果。
體外殺傷實驗顯示，對于低密度HER2表達的細胞，未轉(zhuǎn)化的T細胞和電路T細胞在72小時內(nèi)均未顯示細胞毒性（圖5）。
圖5來源：Science
對于高密度HER2表達細胞，電路T細胞能有效進行殺傷。
體內(nèi)研究顯示，在小鼠腫瘤模型中，電路T細胞顯示出很強的密度分辨力（圖6）：高密度HER2表達腫瘤被迅速清除，但低密度HER2表達腫瘤的生長速度與接受未轉(zhuǎn)化T細胞處理的相似。
圖6 | synNotch低親和力→ CAR高親和力電路T細胞在小鼠模型中的抗原密度鑒別。（來源：Science）
對于這些實驗結(jié)果，研究團隊表示非常興奮，進一步的研究已經(jīng)開始起步。文章作者之一、赫爾辛基大學的Anna M?kel?博士說：“我們正在進一步開發(fā)該技術，以將其應用于治療卵巢癌等實體腫瘤。隨著研究的進展，我們的目標是開發(fā)靶向更多抗原的CAR結(jié)構，再結(jié)合該技術，從而應用于更多的實體腫瘤。這就像‘多彈頭導彈’一樣，癌細胞將難以抵抗。”
雖然，CAR-T實現(xiàn)真正攻克實體瘤，還需要克服其他幾個挑戰(zhàn)，包括腫瘤異質(zhì)性、抑制性腫瘤微環(huán)境，以及改善T細胞向腫瘤的輸送等，但是這項研究實現(xiàn)了CAR-T超靈敏區(qū)分腫瘤抗原密度的能力，為擴大CAR-T對實體瘤的治療范圍（找到低門檻而廣泛的靶點）提供了關鍵性工具。
參考資料：
1# Rogelio A. Hernandez-Lopez et al. T cell circuits that sense antigen density with an ultrasensitive threshold. Science. (2021)
2# A leap forward in research on CAR T cell therapy（來源：Medical press）
3# Cellular Engineering Boosts CAR-T Therapy against Solid Tumors（來源：Genetic Engineering & Biotechnology News）
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