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一文解读T细胞激活机制及CART基于此的演变历程

【最终拖延症有点严重,本来早想写的,但拖着拖着就搞到现在了。

利用抗肿瘤免疫反应一直是癌症免疫治疗的基本策略,这中间涉及的最重要的免疫细胞就是T细胞,不管是现在火爆的免疫检查点还是TCRT, CART,其实都是利用T细胞去杀伤肿瘤细胞,因而本次我们主要介绍T细胞的激活机制,并通过这种激活机制来看下CART的演变历程和针对共刺激信号靶点的抗体研发】


T细胞受体有两种——αβ和γδ,每一个T细胞都只包含一个αβ或一个γδ受体,而不会两者兼备。大约有超过95%循环中的T细胞具有αβ型T细胞受体,此外,除了αβ蛋白外还表达一个CD4或CD8共刺激分子。与之相对,绝大多数γδ型T细胞不表达CD4或CD8。这次我们仅讨论αβT细胞。


TCR-CD3复合物——T细胞受体传递信号

一旦αβ型受体TCR识别APC细胞表面肽和MHC分子的复合物后,接下来就应该将T细胞表面发生识别的信号传递至T细胞核内。但由于αβ型TCR虽然有一个非常完美的胞外区可以结合它的配体,但是α和β蛋白的胞质尾部只有大约3个氨基酸的长度,这对于信号传递来说太短了,不足以将“配体结合”的信号传递至核内。


为了便于信号传递,TCR需要CD3的蛋白的协助。人类的这一信号传递复合物由4个不同蛋白质组成,γδε和ζ。然而,作为CD3复合物组成部分的γδ蛋白与组成gγδ型T细胞受体是不一样的。CD3蛋白锚定在细胞膜上,拥有足够长的胞质尾部能够进行信号传递。TCR的信号传递包括将这些受体在T细胞表面的某个区域簇集在一起。而后,一定数量的激酶通过CD3蛋白的胞质尾部被募集,激活的信号就这样被传递入核。



CD4和CD8共受体——信号加强

杀伤性T细胞(CTL)和辅助T细胞(Th)履行两种截然不同的任务,它们分别通过MHCⅠ类和MHCⅡ类这两类不同的分子获得不同的工作提示。但是,CTL是怎样知道应该识别由MHCⅠ类分子提呈的肽段,而Th细胞又是如何知道应该识别由MHCⅡ类提呈肽段的APC呢?这时就需要CD4和CD8了。通常CTL表达CD8,而Th细胞表达CD4。这类共受体分子的作用是钳住MHCⅠ类(CD8)或MHCⅡ类(CD4)分子。


这些“钳子”可加强T细胞和APC之间的附着力,所以CD4和CD8共受体分子的作用就是通过适当的MHC分子吸附住CTL和Th细胞。CD4和CD8都具有可穿过细胞壁深入细胞内部(细胞质)的尾部,这些尾部也具有信号传递所必需的特性。此外,由于CD4是一个单体蛋白,而CD8则是由两个不同蛋白所组成,因此,由这两个共受体分子所传递的信号可能完全不同,也就是可以用“辅助”和“杀伤”区分两者。相当于与细胞表面αβT细胞受体紧密黏合的CD3分子,CD4和CD8共受体分子通常只是与TCR/CD3蛋白松散结合。一旦TCR识别了由MHC分子提呈的同源抗原,CD4或CD8共受体分子就钳住TCR-MHC-肽复合物,并使其间相互作用稳定,从而加强了由TCR进行的信号传递。


共刺激信号


在初始T细胞中,T细胞受体和细胞核之间的联系并不是很健全,大量从TCR发出的信号在传送到细胞核的过程中丢失了从而无法有效激活T细胞,然而一旦T细胞接收到共刺激信号,从TCR传出的信号就会被放大很多倍,此时只需极少量(约1/100)的TCR参与就可激活原初T细胞。所以,在激活前,除了原初T细胞的受体应与MHC-肽结合外,还必须接收到共刺激信号。共刺激就好像一个“扩增器”,可以用来放大由TCR发出的“我参战了”的信号,从而降低必须与MHC-肽复合物交联的TCR阈值。有趣的是,一旦原初T细胞被激活,TCR和细胞核之间的联系就被巩固了。


目前已经分离出了很多不同的T细胞共刺激分子,其中最具代表性的就是B7:CD28和4-1BB:4-1BBL,B7蛋白可以通过插入T细胞表面的受体CD28而对T细胞提供共刺激。作为激活的结果,T细胞上的4-1BB和CTLA-4上调,因而能持续维持B-7:CD28介导的细胞激活并进一步增强CD8+T细胞增殖和存活能力。


CART的演变


最早的CART设想是绕开MHC的限制性,因而科研人员首先是找到一个合适的TAA(Tumor Associated Antigen,即肿瘤相关抗原),然后给T细胞装上一个与这个抗原相对应的scFv(single chain Variable fragment,即单链抗体),严格的说只是抗体的一个片段,这样就没有MHC分子什么事情了,这就是CAR-T的雏形。



但这样形成的CART因为缺乏共刺激信号,T细胞往往会未老先衰,起不到抗肿瘤的作用。因而第二代CART的理念就是找到一个效果特别好的TAA,然后加上共刺激信号(CD28, 4-1BB)。这就是第二代CAR-T产品的两种主流设计,在共刺激结构域,一种用CD28,一种用4-1BB。 这中间最有代表性的就是Juno以CD19为靶点,用4-1BB做共刺激结构域和Kite以CD19为靶点,用CD28做共刺激结构域的第二代CAR-T。这两个共刺激信号一个持久,一个强烈,各有千秋。


下一步理所当然的设想就是既然CD28共刺激信号强烈但不持久,4-1BB持久但不强烈,那是否可以将两者结合到一起,从而取长补短使得刺激信号即强烈又持久呢?这就出现了第三代CART。



现在,已经有第四代CAR-T,就是在第三代的基础上再加点什么,比如说今天朋友圈里面分享的一篇很有意思的文章:

主要是在以往的CAR-T基础之上将IL-17以及CCL19添加进去改造而成。IL-17和CCL19能够将外围的T细胞和DC细胞有效地招募过来,以便维持T细胞集中的区域(T cell zone)。因此,研究者们将IL-17和CCL19也装到CAR-T细胞之中希望能够治疗肿瘤的同时招募更多的T细胞以及DC细胞来肿瘤组织中一起杀伤肿瘤。



免疫共刺激分子相关靶点研发


a.OX40


OX40,又叫CD134,是肿瘤坏死因子受体超家族成员之一,在T细胞活化后的24~72h表达。它的配体是OX40L,又叫CD252,主要在活化的APCs表面表达。OX40L和OX40结合后可以激活T细胞,并启动包括T细胞核因子在内的T细胞活化信号,并增强细胞周期蛋白A、Bcl-2凋亡分子、细胞因子和细胞因子受体等的表达。小鼠模型显示,兴奋OX40的特异性抗体可以使Tregs数目减少,从而维持效应T细胞的功能,并显示出了较高的抗肿瘤活性。针对此位点的临床研究较多,包括单药应用兴奋OX40的特异性抗体,或与化疗、放疗、手术、小分子靶向治疗、细胞因子或其他免疫检查点药物(抗-CD137、PD-1和CTLA-4抗体)联合应用。


b. 诱导共刺激分子(inducible costimulatory molecule,ICOS)


ICOS又叫CD278,是免疫球蛋白超家族成员之一,与CD28和CTLA-4同源,在活化T细胞表面表达,在调节T细胞的增殖和功能方面扮演着重要角色。ICOS的活化依赖于它的配体ICOS-L,ICOS-L主要表达在B细胞和APCs。也许因为既往CD28通路的研究大多疗效欠佳,人们对ICOS通路的研究也比较少,现在人们重新对ICOS燃起激情是因为它在肿瘤的免疫治疗中可以扮演标志物的角色,当恶性黑色素瘤患者接受Ipilimumab治疗时,ICOS+的CD4+T细胞的增多是药效学的标志物,可能与较好的疗效相关。小鼠模型发现,单独应用ICOS激动剂似乎很难引发免疫反应,激活ICOS同时应用抗CTLA-4药物存在协同作用,而ICOS基因敲除小鼠对抗CTLA-4治疗的反应较差。同时应用ICOS激动剂和抗PD-1及抗CTLA-4治疗也可以增强抗肺癌效果,因此,ICOS通路对CTLA-4(也许还有其他免疫检查点)的治疗是否起效至关重要。目前针对ICOS通路的临床研究正在进行,但多数处在Ⅰ期研究。


c. 4-1BB


4-1BB,又叫CD137,在效应T细胞和肿瘤浸润T细胞中上调表达,并且能够刺激细胞毒性功能和免疫记忆。此外4-1BB也能有效增强NK细胞毒性功能和刺激肿瘤血管。但同样的,4-1BB也会导致严重的毒副作用。Urelumab项目就因为严重的肝毒性而宣告终止。但通过对Fc片段进行改造,降低Fcγ2的活性,从而降低交联和生物活性,Utomilumab项目在高剂量情况下仍可以耐受。基本上所有的4-1BB双抗项目都设计为在未结合肿瘤抗原的情况下,4-1BB无法被激活。一个比较典型的项目为PRS343(HER2-4-1BB),其携带静默的Fcγ4片段。


d. CD27


CD27,不同于其他肿瘤坏死因子受体家族的成员,仅在淋巴细胞表面表达,包括幼稚和活化的CD4+和CD8+T细胞,它的配体是CD70,两者相结合可以使效应和记忆T细胞增殖分化,并增强B细胞和NK细胞的活化功能。小鼠模型提示,增强CD27信号通路可以抑制肿瘤的生长。并且人们发现,1/3霍奇金淋巴瘤和弥漫大B细胞淋巴瘤患者的CD27或CD70胚系缺失,大部分弥漫大B细胞淋巴瘤和伯基特淋巴瘤患者调控CD70的基因突变或缺失,这也进一步从侧面验证了CD27/CD70信号通路的抗肿瘤免疫作用。


文献:

Adam T C Cheuk, et al. 2004

Lauren Sompayrac. How the immune system works. the fifth edition.

Burugu, S., et al. (2018). Seminars in Cancer Biology 52: 39-52.


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