CAR-NK细胞在肿瘤免疫治疗中的研究进展
2017-09-29赵报程箫吴炯
赵报,程箫,吴炯
海南博鳌瑞达麦迪赛尔国际医疗中心有限公司,琼海 571435
CAR-NK细胞在肿瘤免疫治疗中的研究进展
赵报,程箫,吴炯
海南博鳌瑞达麦迪赛尔国际医疗中心有限公司,琼海 571435
赵报,曾任中国科学院微生物研究所助理研究员,主要研究方向为肿瘤预防性疫苗和肿瘤治疗性疫苗的开发。现任海南博鳌瑞达麦迪赛尔国际医疗中心有限公司细胞免疫研发部负责人,主要负责DCs、NK、CAR-T/NK肿瘤细胞免疫治疗技术的开发。E-mail:zhaobao86@126.com
自然杀伤细胞(NK细胞)具有细胞毒性效应,无需抗原预先致敏,就能自发杀伤靶细胞,抵挡恶性肿瘤和病原的入侵,参与免疫监视和抗肿瘤应答免疫。嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor,CAR)主要由来源于抗体的单链抗体(single-chain variable fragment,scFv)的胞外识别区和来自于T细胞抗原受体(TCR)的CD3ζ组成,能特异性地识别肿瘤细胞表面的 抗原和通过胞内的信号传导区域激活淋巴细胞,增强淋巴细胞的靶向性和活性,从而杀伤多种肿瘤。目前大多数的CAR研究都集中在T细胞,但巨额的花费、额外的毒性等都极大地限制了CAR-T细胞的广泛应用。CAR-NK细胞因能提供一种安全、有效的抗肿瘤免疫治疗,受到越来越多的重视。主要阐述CAR-NK细胞在肿瘤免疫治疗中的最新研究进展,以期为后续免疫治疗研究和NK细胞研究提供参考。
自然杀伤性细胞;嵌合抗原受体;肿瘤;免疫治疗
肿瘤逐渐成为世界性的主要公共健康问题,在我国,肿瘤已经成为心脏疾病外的第二大致死性疾病。目前针对肿瘤的治疗手段主要为手术切除、放疗、化疗和免疫治疗等,而免疫治疗受到越来越多的重视。机体内的免疫系统可以分为两个部分,即天然免疫和获得性免疫。天然免疫作为机体的第一道防线,依靠病原识别模式和细胞机制消灭外来病原和恶化细胞。而获得性免疫,主要由T细胞和B细胞组成,通过特异性受体,识别特异性抗原发挥作用,并能形成记忆性免疫反应。传统上认为自然杀伤细胞(NK细胞)是天然免疫系统的一部分。早在20世纪70年代,NK细胞就已经被发现[1-2],但却不被认为是免疫学领域的主要研究对象[3]。免疫学家并没有认识到NK细胞在机体免疫系统中的重要性,直到发现NK细胞功能缺乏的患者的恶性肿瘤的发病率高于常人[4-5],且易受到疱疹病毒的感染[6],同时发现NK细胞活性受损的小鼠体内肿瘤的生长速度和转移能力增强[7],才意识到NK细胞在免疫系统中的重要性。随着研究的深入,人类对NK细胞的认识越来越全面。NK细胞是快速发挥能力的、高度细胞毒性的先天免疫效应细胞,对肿瘤和病毒感染的细胞不需要预先致敏,因此被称为“天然”杀手。NK细胞杀伤肿瘤细胞不受主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex,MHC)限制,其在肿瘤免疫治疗上的优势受到越来越多重视。
1 NK细胞
1.1 NK细胞简述
NK细胞是约占外周血单个核细胞的10%左右的、细胞表面表达CD3-CD56+表型的大颗粒细胞,是天然免疫系统中重要的效应淋巴细胞,是人体内抵挡病原入侵和恶性肿瘤第一道防线的重要组成之一。NK细胞发挥作用是非MHC分子限制性的,其能清除病毒感染的细胞和癌变的细胞,无需预先免疫,而是通过抑制性和激活性信号的动态平衡实现。与T细胞不同,NK细胞并不表达抗原受体,其功能的发挥是通过识别靶细胞上的配体的种系编码的受体传达的信号。NK细胞通常被认为缺乏T细胞受体,同时表达CD16和CD56表面抗原。根据NK细胞表面抗原CD56表达量高低,NK细胞可分成CD56dim和CD56bright两个亚群。约90%的NK细胞为CD56dim亚群,具有较高的细胞毒性。而另一类CD56bright亚群细胞毒性弱,可在激活后分泌大量的细胞因子,多存在于免疫器官中[8-9]。
不同于T细胞的杀伤作用,NK细胞的杀伤活性(细胞毒性和细胞因子的分泌)受细胞表面的抑制性受体和激活性受体的调控。NK细胞的抑制性受体,主要是抑制性Ig样受体(KIRs)和异二聚体C型凝集素受体(NKG2A),可与细胞表面的MHC I结合并传递抑制信号,从而使NK细胞进入“沉默”状态[10]。而NK细胞的活化是通过其表面的激活性受体(特别是天然细胞毒性受体NCRs、NKp46、NKp30、NKp44和C型凝集素样活化免疫受体NKG2D)与细胞表面的特异性配体结合,从而通过释放含有穿孔素和颗粒酶的细胞质颗粒直接杀伤靶细胞[11],同时释放肿瘤坏死因子(TNF)家族的成员(如FasL)和TNF相关凋亡诱导配体(TRAIL),通过与肿瘤细胞表面相应受体的相互作用,诱导肿瘤细胞凋亡[11-13]。此外,抗体依赖的细胞介导的细胞毒性(ADCC),通过Fc受体CD16,可触发NK细胞对被抗体结合的靶细胞的脱粒作用[14]。
根据“缺失自我”假设,NK细胞介导的细胞毒性是“MHC无限制”,这意味着NK细胞杀伤的原则是杀死不表达MHC I类的靶细胞[15]。当成熟的NK细胞遇到病毒或在恶性转化中出现的缺乏MHC I类的转化细胞时,NK细胞表达的抑制性受体与相应配体未接合,抑制性受体的信号的降低和激活性受体的信号的启动有效激活NK细胞,进而识别并杀伤靶细胞[16]。同样的,在病毒或恶性转化过程中发生的细胞应激和DNA损伤可通过激活NK受体而被识别的“应激配体”,导致NK细胞杀死靶细胞的激活性信号上调[16-17]。
1.2 NK细胞治疗恶性肿瘤
过去的几十年中,过继性转输体外激活或扩增的同种异体NK细胞已经或为肿瘤治疗的有效方法。自体或者同种异体的NK细胞主要来自供体的外周血,但也有来源于骨髓或者脐带血的。人胚胎干细胞或者诱导型多能干细胞也可能作为NK细胞的来源。自体NK细胞联合IL-2在临床上没有取得良好的临床效果,可能是因为IL-2相关的副作用,以及IL-2激活的调节性T细胞抑制NK细胞的功能或引起激活诱导的细胞死亡;其次,自身的人类白细胞抗原(HLA)也能通过杀伤型免疫球蛋白样受体(KIR)抑制NK细胞的功能。而同种异体的NK细胞由于“缺失自我”的机制,比自体NK细胞发挥更好的活性。Miller等[18]通过回输体外扩增的半相合NK细胞进行肿瘤治疗,证明体外扩增的NK细胞是安全的,不会引起移植物抗宿主排斥反应(GVHD),I期临床试验共招募了43位血液类肿瘤或者实体瘤患者,在接受NK细胞治疗和相应的辅助治疗后,19位急性骨髓性白血病(AML)患者中有5位获得完全缓解。研究表明瘤内NK细胞和肿瘤进展延迟与良好预后具有相关性。不过,应用NK细胞进行实体肿瘤的治疗具有一些困难,除了分泌抑制性细胞因子和下调激活配体等免疫逃逸机制外,NK细胞必须要迁移到实体肿瘤部位并浸润到肿瘤内部发挥作用;其次,肿瘤靶标抗原需对NK介导的细胞毒活性敏感。已经开展的一部分针对复发性实体肿瘤的临床可行性研究,多采用体外扩增的自体或异体NK细胞回输到患者体内,但是目前针对于实体瘤进行NK细胞治疗的有效性研究的报道很少[19]。
2 CAR-NK细胞简述
在过去的20多年中,嵌合抗原受体(chimeric antigen receptor,CAR)修饰T细胞的研究快速发展。如抗CD19 CAR-T细胞治疗在2014年被美国食品和药物管理局(FDA)授予“突破疗 法”称号[20-21]。2017年7月12日,FDA肿瘤药物专家咨询委员会就诺华CAR-T产品tisagenlecleucel(CTL-019)的生物制品许可申请(BLA)进行了讨论和投票表决,最终以10∶0的结果支持批准CTL-019上市。目前CAR-T细胞治疗已经成为有前途的免疫治疗策略,被广泛用于慢性淋巴细胞白血病(CLL)和急性淋巴细胞白血病(ALL)[22-26],具有惊人的临床效果,并获得了学术界和工业界研究人员的重视[27]。最为成功的是,在采用CAR-T细胞治疗ALL中,有几组的痊愈率高达90%。然而,CAR修饰的T细胞具有许多局限性。让病人提供自体CAR-T细胞产品所需的T细胞不仅会对病人造成负担,而且在临床使用中也具有很大的局限性。同时,CAR-T细胞的制备通常需要数周之久,这对于治疗病情迅速发展的病人显得不切实际。而且,并不总能从大量预处理中收集到符合临床所需的足够的T淋巴细胞。虽然同种异体T细胞可以克服以上这些临床挑战,然而,即使同种异体T细胞的HLA相匹配,仍会存在由于其自身T细胞受体(TCR)造成GVHD的极大风险。
与T细胞相比,NK 细胞应用于肿瘤免疫治疗有很多优势。首先,NK细胞是抗原非特异性的,不需要MHC特殊抗原的表达,就可识别一系列可诱发细胞溶解的配体;其次,过继性转输自体或者同种异体的NK 细胞在体内的持续时间较短,一般只有几天或几周,所以一些危害生命的毒性[如细胞因子释放综合征(CRS)]几乎不可能发生。此外,T细胞可能引起GVHD,而NK细胞则不会,因为供体NK细胞通常不会攻击非造血组织,如肝、肺、肾和肌肉。同时,NK细胞在人体内存活期较短,也可以缓解GVHD发展的风险[28]。此外,NK细胞的功能受抑制性受体严格控制,如KIR和其他抑制性受体[7]。NK细胞独特的细胞生物学和免疫学特征可能就是在转输NK细胞时副作用较轻的原因所在。
对免疫细胞进行修饰从而特异性地靶向杀伤肿瘤细胞是一种战胜肿瘤逃逸机制非常有效的方法。CAR使免疫细胞可以以不受MHC限制的方式识别肿瘤表面抗原,增强免疫细胞的靶向性。CAR是由胞外抗原识别区[主要为抗体的单链抗体片段(scFv)、自然配体和抗体的抗原结合片段(Fab)等]、连接子、跨膜结构域和胞内信号传导结构域组成,它能使淋巴细胞识别肿瘤细胞表面特异性的抗原,同时激活淋巴细胞,从而靶向杀伤肿瘤细胞[29]。自1989年第一代CAR的诞生,CAR结构目前已发展到共表达细胞因子转基因的第四代。第一代CAR主要为scFv、连接子、跨膜区胞内信号结构域(CD3ζ),第二代CAR在第一代CAR的基础上添加了共刺激信号结构域(4-1BB或CD28),第三代CAR在第二代 CAR 的基础上,同时表达两个共刺激信号结构域(4-1BB和CD28),理论上第三代CAR的持续时间要长于第二代CAR。因其良好的靶向性、杀伤性和持续性,目前CAR技术已被广泛用于T细胞,并在白血病和淋巴恶性肿瘤的临床试验中显示出良好的效果[30-34]。
3 CAR-NK细胞治疗恶性肿瘤
3.1 CAR-NK细胞治疗急性淋巴细胞白血病
利用细胞表面不同抗原修饰的CAR-NK细胞广泛应用于治疗白血病。CD5在T细胞急性淋巴细胞白血病(T-ALL)和T细胞淋巴瘤中高度表达,根据CD5分子进行修饰的CD5-CAR-NK92细胞可以杀死多种T细胞白血病和淋巴瘤细胞系[35]。CD19-CAR修饰的NK细胞杀伤功能明显增强(细胞毒性作用的增强及细胞因子分泌的增多),可用于治疗原发性CLL[36]、AML、ALL[23,32]、骨髓增生异常综合征(MDS)[37]和B细胞白血病[38-39]。CD20-CAR-NK92细胞对原代CLL细胞的细胞毒性强于结合抗CD20的单抗且表达IgG Fcγ受体III(FcγR III也称为CD16)的NK92细胞[36]。
3.2 CAR-NK细胞治疗胶质母细胞瘤和神经母细胞瘤
众所周知,CAR修饰的T细胞正面临靶向治疗实体肿瘤的挑战[40],CAR-NK细胞的研究必须克服类似的障碍。胶质母细胞瘤由于其高侵袭性和易转移性,是致死性原发性恶性肿瘤之一[41]。神经母细胞瘤是一种神经内分泌肿瘤,是儿童最常见的颅外实体瘤[42]。NK92细胞已被开发用于体外治疗胶质母细胞瘤和神经母细胞瘤。研究表明,利用ErbB2(起源于与禽类骨髓红细胞增多症病毒有关的ERB-B基因)-CAR[43]或EGFR(表皮生长因子受体)-CAR[44]修饰NK92细胞可治疗胶质母细胞瘤,GD2(二唾液酸神经节苷脂)-CAR-NK92细胞则被用于治疗神经母细胞瘤[45],均取得较好的疗效。
3.3 CAR-NK细胞治疗乳腺癌
乳腺癌是女性最常见的癌症。使用CAR修饰的NK92细胞广泛用于乳腺癌免疫治疗,将为广大乳腺癌患者带来希望。大量研究表明,用抗人表皮生长因子受体2(HER2)-CAR(CD28-CD3ζ)修饰的NK细胞和NK92细胞株均表现出特定的抗肿瘤活性,能够特异性识别且高效杀伤 HER2+的肿瘤细胞[46-47]。而EGFR-CAR-NK92细胞系配合溶瘤性单纯疱疹病毒1(oHSV-1)将有希望治疗癌细胞已转移至大脑的EGFR阳性乳腺癌[48]。
3.4 CAR-NK细胞治疗多发性骨髓瘤
多发性骨髓瘤是在B淋巴细胞分化成浆细胞的过程中发生的遗传突变导致的恶性肿瘤[49]。多发性骨髓瘤细胞系中常见的肿瘤抗原有CS1、CD138、BCMA等。目前,大量CAR-T细胞被开发用于治疗多发性骨髓瘤[50-51]。然而,很少有研究报道采用CAR-NK细胞治疗多发性骨髓瘤。目前用于治疗多发性骨髓瘤的CAR-NK细胞产品多采用NK92细胞系,所采用的肿瘤抗原多为CS1和CD138。细胞表面糖蛋白CD2子集1(CS1,也称为CRACC、SLAMF7、CD319或19A24)是多发性骨髓瘤细胞表面高度表达的蛋白质,多参与骨髓瘤细胞黏附和生长[52]。CD138,也称为类肝素样硫酸蛋白多糖,参与骨髓瘤细胞的黏附、生长和成熟,是多发性骨髓瘤主要的诊断标记[53]。分别利用CS1和CD138为靶点设计的CS1-CAR-NK92细胞和CD138-IFNα-CARNK92细胞成功抑制多发性骨髓瘤生长,延长了骨髓瘤小鼠的存活期[54-55]。
4 结 语
虽然目前针对NK/CAR-NK展开的研究取得了很好的结果,但也面临一些问题。一是NK细胞来源的问题。目前开展研究采用的NK细胞主要来自于自体或者同源异体外周血的NK细胞和NK细胞系。NK细胞系(如NK-92)是体外扩增培养经辐射后回输给患者使用,存在一定的安全隐患。而自体NK细胞经证实疗效受限,目前开展NK细胞免疫治疗多采用半相合的或同种异体NK细胞,没有观测到安全问题。因此可以通过建立同种异体NK细胞库来解决细胞制备周期长的问题。二是NK细胞快速大量扩增问题。目前NK细胞快速大量扩增多采用表达4-1BB配体和IL-21的K562饲养细胞体系,NK细胞的安全性需要进一步验证,因此开发无饲养细胞、无血清快速大量扩增NK细胞是十分必要的。三是构建CAR-NK细胞多采用病毒载体的转染方式,而NK细胞的转染效率低,影响CAR-NK细胞的治疗效果,可以开发新的转染方式,如电转染或者优化条件来提高转染效率。未来几年内可能会提供CAR-NK细胞临床试验数据从而证明其治疗的有效性,并且可能会因此改变肿瘤免疫治疗的格局。为了进一步提高肿瘤免疫治疗效果,可以采用联合治疗的手段,通过改变NK细胞本身来提高其有效性,如抑制或敲除免疫检验点分子或者改变肿瘤微环境,通过CRISPR/Cas9技术或者单克隆抗体清除抑制性信号(anti-KIR 或anti-TIGIT)等。
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Research progress of chimeric antigen receptor engineered natural killer cells in tumor immunotherapy
ZHAO Bao,CHENG Xiao,WU Jiong
Hainan Boao Ruida Medicell International Medical Center Co., Ltd., Qionghai 571435, China
Natural killer(NK)cells are highly cytotoxic immune effectors, and contribute to the body’s immune defenses, which play important roles in the rejection of tumors and cells infected by viruses, without prior sensitization. NK cells can also participate in immune surveillance and anti-tumor immune responses. Chimeric antigen receptor(CAR),which is composed of an extracellular antigen-binding domain, typically the single-chain variable fragment(scFv)derived from a monoclonal antibody, and an intracellular signaling domain, usually the CD3ζ chain of the T cell receptor(TCR), can enhance lymphocyte targeting and activation to diverse malignancies. The majority of CAR studies hav e focused on T cells, however, cost, additional toxicity and other disadvantages have limited its widespread use. CAR-NK cells are getting more and more attention because they provide a safe and effective immunotherapy. This paper aims to summarize some of promising advances in CAR-NK cells, which promise to enhance and widen the research of tumor immunotherapy and NK cells therapy in the future.
natural killer cells; chimeric antigen receptor; tumor; immunotherapy
10.3969/j.issn.1674-0319.2017.05.007