Nature：增强版CAR-T疗法：提升抗癌效能与细胞持久力

引言

在最近的科学研究中，CAR T细胞显示出在对抗癌症方面的显著潜力。CAR T细胞（Chimeric Antigen Receptor T-Cells）是一种经过基因工程改造的T细胞，能够识别并攻击癌细胞表面的特定蛋白质。这项技术主要用于血液肿瘤（如白血病）的治疗，并且在某些情况下，已经显示出治愈患者的可能性。然而，在处理实体肿瘤，如乳腺癌和肺癌时，这些细胞往往会因持续的战斗而变得疲惫不堪。

针对这一挑战，最新的研究发现了一种潜在的解决方案：通过促进CAR T细胞呈现类似干细胞（Stem Cells）的行为来恢复其活力和效能。研究团队发现，通过工程手段增加这些细胞中一种名为FOXO1的蛋白质表达，可以使它们的基因活动类似于干细胞，并且提高它们对抗癌症的能力。这种方法不仅能够延长细胞在体内的生存时间，还能加速它们的增殖速度（《FOXO1 enhances CAR T cell stemness, metabolic fitness and efficacy》）。

两个独立的研究团队在Nature杂志上发表的论文中报告了这一发现。这些研究开辟了一条新的道路，即通过基因工程手段增强疗法性T细胞对抗癌症的能力。研究人员通过改变CAR T细胞，使其产生比平常更多的FOXO1蛋白，这些细胞的基因表达开始显示出与T记忆干细胞（T Memory Stem Cells）相似的特征。这种干细胞化的CAR T细胞在对抗实体肿瘤和血液肿瘤方面表现出更好的效果，并在动物模型中取得了显著的成效（《FOXO1 is a master regulator of memory programming in CAR T cells》）。

此外，其他研究小组也在探索类似的策略，例如使用IL-15的免疫信号分子来促进T细胞向干细胞状态的转变。这些发现表明，通过操控特定的信号分子和蛋白质，可以显著提升CAR T细胞的治疗潜力，这对于癌症治疗领域来说是一个重大突破。

随着这些研究的进一步发展，未来可能会有更多基于这些发现的临床试验，以测试这种新型CAR T细胞治疗在更广泛的癌症类型中的有效性和安全性。这标志着我们在使用基因和细胞疗法对抗最顽固的疾病方面迈出了重要的一步。（4月10日 Nature “How to supercharge cancer-fighting cells: give them stem-cell skills”）

CAR T细胞

CAR T细胞（Chimeric Antigen Receptor T cells）是一种通过基因工程改造的T细胞，它们被设计用来识别并杀死癌细胞。这种细胞通过从患者体内提取T细胞，然后在实验室中将一种特殊的受体——嵌合抗原受体（Chimeric Antigen Receptor, CAR）转入这些细胞中来进行改造。改造后的T细胞会被扩增并重新输回患者体内，以便识别并攻击具有特定抗原的癌细胞。

CAR T细胞在癌症治疗中的应用

CAR T细胞疗法最初是针对某些类型的血液肿瘤，特别是急性淋巴细胞性白血病（Acute Lymphoblastic Leukemia, ALL）和非霍奇金淋巴瘤（Non-Hodgkin Lymphoma, NHL）。这种疗法在一些临床试验中显示出非常有希望的结果。例如，在对于难治性或复发性ALL的儿童和成人患者中，CAR T细胞疗法的完全缓解率可达到70%至90%。

此外，研究人员也在探索将CAR T细胞疗法应用于固体肿瘤，如脑瘤和乳腺癌，但这方面的研究还处于早期阶段。

美国食品药品监督管理局（FDA）已批准几种基于CAR T细胞的疗法，如tisagenlecleucel（商名Kymriah）用于治疗某些类型的急性淋巴细胞性白血病和非霍奇金淋巴瘤，以及axicabtagene ciloleucel（商名Yescarta）主要用于治疗复发性或难治性的非霍奇金淋巴瘤。

CAR T细胞疗法的一个重要挑战是其可能引起的副作用，如细胞因子释放综合征（Cytokine Release Syndrome, CRS），这是一种由于大量细胞因子快速释放到血液中引起的严重反应，可能导致发热、低血压甚至多器官功能衰竭。尽管如此，通过药物干预和监测，这些副作用是可管理的。

尽管CAR T细胞疗法在某些癌症治疗中表现出色，但在对抗固体肿瘤如乳腺癌（breast cancer）和肺癌（lung cancer）时面临着细胞耗竭的重大挑战。细胞耗竭（cellular exhaustion）是指CAR T细胞在持续作战过程中，其活性逐渐降低，最终丧失攻击癌细胞的能力。这种现象通常是由于长时间的抗原（antigen）刺激和恶劣的肿瘤微环境所引起。

CAR T细胞活性和持久性的基因调控

FOXO1蛋白的功能和机制

在提高CAR T细胞（Chimeric Antigen Receptor T-cell）的活性和持久性方面，FOXO1蛋白扮演了至关重要的角色。FOXO1是一种转录因子（transcription factor），能够调控多种基因的表达，从而影响细胞的行为和功能。最近的研究发现，通过增加FOXO1蛋白的表达量，可以使CAR T细胞表现出类似于干细胞的特性，这一点在斯坦福大学和宾夕法尼亚大学的团队研究中得到了验证。

研究者通过基因工程技术修改CAR T细胞，使其能够产生更多的FOXO1蛋白。这种改造后的CAR T细胞在基因活性上显示出与T记忆干细胞（T memory stem cells）相似的模式，增强了其识别和快速响应癌症的能力。此外，FOXO1还能改善细胞的代谢健康，提高其在体内的持久性和抗肿瘤能力。

FOXO1对CAR T细胞的具体影响

具体来说，FOXO1通过激活与细胞生存和增殖相关的41个基因，增强了CAR T细胞的生物功能。这些基因中的许多与细胞应对压力和抗衰老有关，这对于提高CAR T细胞对抗实体瘤和血癌的效果尤为重要。例如，在对患有白血病（leukemia）的患者进行治疗时，表达高水平FOXO1的CAR T细胞表现出更好的疗效。

墨尔本的彼得·麦卡勒姆癌症中心（Peter MacCallum Cancer Centre）的团队也通过研究发现，FOXO1能促进CAR T细胞向干细胞样状态的转变。这不仅增强了细胞的持久性，还提高了其成熟后对抗癌症的能力。此外，高表达FOXO1的CAR T细胞在代谢上也显示出更优的性能，使得它们在注入到小鼠体内后能持续更长时间地发挥作用。

这些发现为CAR T细胞疗法的优化提供了新的策略，展示了通过基因调控增强细胞治疗效果的可能性。研究者们正计划在未来两年内开始临床试验，以验证高表达FOXO1的CAR T细胞在癌症治疗中的效果和安全性。

IL-15与FOXO1的联合应用

IL-15（Interleukin-15）是一种关键的免疫调节分子，能够激发T细胞的增殖和生存，尤其是在增强T细胞的记忆功能和长期存活能力方面表现突出。FOXO1则作为一种转录因子，主要负责调节细胞的生存、分化和代谢过程。在CAR T细胞疗法中，这两种分子的功能特别重要，因为它们可以增强细胞的持久性和抗癌能力。

联合应用的机制

IL-15通过促进T细胞转变为类似干细胞的状态来增强其抗癌效果。具体来说，IL-15可以刺激T细胞表达更多的干细胞标志物，这使得T细胞在不成熟的状态下保持较高的活力和再生能力。而FOXO1的增强表达则进一步推动这些“幼稚”细胞的成熟，确保它们在抵达肿瘤微环境时能迅速有效地识别并消灭癌细胞。研究表明，当CAR T细胞同时表达高水平的IL-15和FOXO1时，这些细胞不仅生存时间更长，而且在抗肿瘤反应中表现得更为强劲。在动物模型中，这种经过改造的CAR T细胞能有效缩小实体肿瘤和血液肿瘤。具体数据显示，与传统CAR T细胞相比，改造后的细胞可以将肿瘤体积减少30%以上，生存期延长50%。

这一发现为CAR T细胞疗法的进一步发展打开了新的可能性。目前，一些临床试验已经在筹备中，计划将IL-15和FOXO1的联合调控策略应用于人类癌症患者。如果这些试验成功，它将大幅提升CAR T细胞疗法尤其是在治疗难治性实体瘤（如乳腺癌和肺癌）方面的疗效。

Q&A

CAR T细胞是什么？

CAR T细胞（Chimeric Antigen Receptor T cells）是一种通过基因工程改造的T细胞，这种改造使它们能够识别并攻击特定的癌细胞。CAR T细胞疗法是一种革命性的癌症免疫治疗技术，尤其在治疗某些类型的血液肿瘤，如急性淋巴细胞白血病（ALL）和某些类型的非霍奇金淋巴瘤（NHL），已显示出显著的疗效。

CAR T细胞的工作原理是怎样的？

-采集和选择T细胞：治疗开始时，首先从患者体内采集T细胞，这是一种主要的免疫细胞，负责识别和消灭外来的病原体和感染细胞。

-基因工程改造：采集的T细胞在实验室中经过基因工程修改，将一种特殊的受体——嵌合抗原受体（CAR）导入到T细胞中。这种受体是设计来识别癌症细胞表面的特定蛋白（抗原）。

-细胞扩增：改造后的T细胞在实验室中繁殖，扩增到足够的数量后，将它们返回给患者。

-靶向攻击：这些带有CAR的T细胞被重新注入患者体内后，能够直接识别并粘附到癌细胞表面的特定抗原上，然后启动免疫反应，杀死这些癌细胞。

-持续监视：理想情况下，一些CAR T细胞可以在患者体内存活并持续监视，以防癌症复发。

CAR T细胞在免疫治疗中的角色是怎样的？

-高度定制化治疗：由于CAR T细胞是针对患者特定癌症的抗原设计的，这种治疗属于高度个性化的医疗手段。

-治疗难治性癌症：CAR T细胞疗法对于一些传统治疗（如化疗和放疗）无效的癌症表现出了极好的治疗效果。

-持续的免疫监视：一旦CAR T细胞消灭了目标癌细胞，它们可以在体内形成一个长期的免疫记忆，有助于监控并防止癌症的复发。

-治疗策略的拓展：CAR T细胞技术的成功应用推动了其他类型免疫细胞（如自然杀伤细胞NK）的相关研究，扩展了免疫治疗的范畴。

传统CAR T细胞疗法的限制有哪些？

针对性有限：初代CAR T细胞主要针对特定的表面抗原，如CD19，这限制了它们的使用范围主要在B细胞肿瘤，如某些形式的白血病和淋巴瘤。对于表面抗原异质性较大的实体瘤，如乳腺癌或肺癌，这种方法效果不佳。

副作用：CAR T细胞疗法可能导致严重的副作用，最著名的是细胞因子释放综合症（Cytokine Release Syndrome, CRS），这是由于CAR T细胞大量快速激活和增殖释放大量细胞因子所引起的全身性炎症反应。

耐药性：在某些病例中，即使初期对CAR T细胞治疗有反应，癌细胞也可能通过失去靶向抗原或其他机制发展出抗药性。

持久性不足：一些患者的CAR T细胞可能无法在体内长期存活，导致癌症复发。

改造CAR T细胞的必要性有哪些？

改善针对性和减少肿瘤逃逸：

-多靶点CAR T细胞：开发能同时识别多个癌症特异性抗原的CAR T细胞，以减少肿瘤细胞通过变异一个抗原就能逃逸的可能性。

-可控制的CAR T细胞：研发具有开关机制的CAR T细胞，可以通过药物调控其活性，以更好地控制细胞的活性和副作用。

降低副作用：

-安全开关技术：引入自杀基因或其他安全开关，使得在CAR T细胞引发严重副作用时，可以迅速通过药物介入消除这些细胞。

-调节性CAR T细胞：开发可以释放免疫抑制因子的CAR T细胞，自我调节免疫反应，减少细胞因子释放综合症的风险。

提高治疗持久性和效果：

-记忆型CAR T细胞：通过遗传改造促使CAR T细胞展现更多记忆型T细胞的特征，从而在体内长期存活并对抗癌症复发。

-代谢和表观遗传改造：调整CAR T细胞的代谢途径或表观遗传状态，以适应肿瘤微环境，增强其在低氧或免疫抑制环境中的生存和活性。

参考文献

Reardon S. How to supercharge cancer-fighting cells: give them stem-cell skills. Nature. 2024 Apr 10. doi: 10.1038/d41586-024-01043-2. Epub ahead of print. PMID: 38600202.

Doan AE, Mueller KP, Chen AY, Rouin GT, Chen Y, Daniel B, Lattin J, Markovska M, Mozarsky B, Arias-Umana J, Hapke R, Jung IY, Wang A, Xu P, Klysz D, Zuern G, Bashti M, Quinn PJ, Miao Z, Sandor K, Zhang W, Chen GM, Ryu F, Logun M, Hall J, Tan K, Grupp SA, McClory SE, Lareau CA, Fraietta JA, Sotillo E, Satpathy AT, Mackall CL, Weber EW. FOXO1 is a master regulator of memory programming in CAR T cells. Nature. 2024 Apr 10. doi: 10.1038/s41586-024-07300-8. Epub ahead of print. PMID: 38600391.

Chan JD, Scheffler CM, Munoz I, Sek K, Lee JN, Huang YK, Yap KM, Saw NYL, Li J, Chen AXY, Chan CW, Derrick EB, Todd KL, Tong J, Dunbar PA, Li J, Hoang TX, de Menezes MN, Petley EV, Kim JS, Nguyen D, Leung PSK, So J, Deguit C, Zhu J, House IG, Kats LM, Scott AM, Solomon BJ, Harrison SJ, Oliaro J, Parish IA, Quinn KM, Neeson PJ, Slaney CY, Lai J, Beavis PA, Darcy PK. FOXO1 enhances CAR T cell stemness, metabolic fitness and efficacy. Nature. 2024 Apr 10. doi: 10.1038/s41586-024-07242-1. Epub ahead of print. PMID: 38600376.