以細(xì)胞為基礎(chǔ)的治療,包括將細(xì)胞作為活性藥物來治療疾病,近年來在臨床應(yīng)用和醫(yī)藥市場的擴(kuò)張方面都經(jīng)歷了爆炸性增長。特別是,一些療法已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用,2017年 FDA 批準(zhǔn) Kymriah(Tisagenlecleucel)和Yescarta(Axicabtagene ciloleucel)分別用于治療急性淋巴細(xì)胞白血病 (ALL)和大B細(xì)胞淋巴瘤(LBCL)。
其他成功包括批準(zhǔn)使用患者來源的角膜緣干細(xì)胞修復(fù)受損的角膜上皮,以及使用成人干細(xì)胞治療與克羅恩病相關(guān)的瘺管。目前,臨床試驗(yàn)數(shù)量不斷擴(kuò)大,商業(yè)上批準(zhǔn)的治療方法也越來越多。
然而,盡管取得了顯著的臨床和商業(yè)成功,但基于細(xì)胞的療法仍然面臨著許多挑戰(zhàn),限制其廣泛轉(zhuǎn)化和商業(yè)化。這些挑戰(zhàn)包括確定適當(dāng)?shù)募?xì)胞來源,生產(chǎn)出足夠可行、有效和安全的產(chǎn)品,以滿足患者和疾病的特定需求,以及可擴(kuò)展制造流程的開發(fā)。
面對(duì)這些障礙,科學(xué)家們正在通過使用由新一代工程學(xué)方法,包括基因組和表觀基因組編輯、合成生物學(xué)以及生物材料的應(yīng)用,以驅(qū)動(dòng)前沿基礎(chǔ)研究加以解決。
細(xì)胞療法的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn) 人們對(duì)于細(xì)胞治療的持續(xù)熱情很大程度上源于重新賦予固有細(xì)胞功能的前景,以實(shí)現(xiàn)超越其他治療模式的安全性和有效性。相比而言,盡管生物制劑 (包括重組蛋白和其他細(xì)胞衍生生物分子) 可以利用大分子的識(shí)別能力來實(shí)現(xiàn)高度的靶向特異性,但它們?nèi)菀桩a(chǎn)生不利的藥代動(dòng)力學(xué) (PK) 和藥效學(xué) (PD) 特性,從而限制其安全性和有效性。
細(xì)胞療法具有獨(dú)特的內(nèi)在特征,有可能提高對(duì)疾病的療效。例如,細(xì)胞可以在特定組織或器官中自然遷移、定位甚至增殖。此外,細(xì)胞可以主動(dòng)感知來自小分子、細(xì)胞表面標(biāo)記蛋白甚至物理力的各種外部信息。
因此,基于細(xì)胞的療法具有高度復(fù)雜的感知和反應(yīng)功能,可以通過檢測相關(guān)的分子線索和提供包括激活內(nèi)在反應(yīng)或治療性轉(zhuǎn)基因表達(dá)在內(nèi)的多因素輸出反應(yīng)來動(dòng)態(tài)跟蹤疾病狀態(tài)。由于細(xì)胞能夠在體內(nèi)存活、消耗營養(yǎng)物質(zhì)并通過分泌因子的產(chǎn)生影響其外部環(huán)境,因此基于細(xì)胞的治療可用于維持長期的內(nèi)源性藥物輸送。
盡管針對(duì)各種適應(yīng)癥的細(xì)胞治療正在取得進(jìn)展,但開發(fā)新產(chǎn)品仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),因?yàn)獒槍?duì)特定疾病的治療策略必須克服一系列重大挑戰(zhàn),才能成功生產(chǎn)出具有臨床和商業(yè)可行性的產(chǎn)品。
這些挑戰(zhàn)包括: 需要確定細(xì)胞來源,以產(chǎn)生具有穩(wěn)健和穩(wěn)定特性的產(chǎn)品,并且出于工程目的,易于進(jìn)行基因操作?;诩?xì)胞的產(chǎn)品需要具有足夠的活力,以確保足夠的治療作用持續(xù)時(shí)間。
必須通過改變現(xiàn)有的細(xì)胞特性或設(shè)計(jì)新的特性來實(shí)現(xiàn)可預(yù)測和確定的治療效力水平。細(xì)胞的PK/PD特性必須與疾病的特定生理需要相匹配。 必須確保細(xì)胞治療產(chǎn)品的安全性和致瘤性,以限制宿主免疫系統(tǒng)的不良反應(yīng)并防止腫瘤形成。
必須開發(fā)可擴(kuò)展的制造工藝,以高效且經(jīng)濟(jì)的方式生產(chǎn)出足夠數(shù)量的細(xì)胞,供給藥患者使用。細(xì)胞治療的過去和現(xiàn)在 以細(xì)胞為基礎(chǔ)的人類療法開始于20世紀(jì)50年代的骨髓移植形式,用于血源性癌癥患者。這些治療的成功,是細(xì)胞治療疾病潛力的證據(jù),為近幾十年來以臍帶血來源的 HSC 和造血祖細(xì)胞 (HPC) 為來源的治療批準(zhǔn)鋪平了道路。
這些產(chǎn)品在臨床上廣泛使用,包括迄今為止 FDA 批準(zhǔn)的多種基于細(xì)胞的療法。但是,這些治療方法在商業(yè)化轉(zhuǎn)化方面遇到了巨大障礙,包括確定易于采購和制造的細(xì)胞來源,以及解決它們與宿主免疫系統(tǒng)的相互作用。這些挑戰(zhàn)對(duì)安全性和有效性構(gòu)成了持久的障礙,導(dǎo)致在過去十年之前,只有少數(shù)基于細(xì)胞的新療法獲得批準(zhǔn)進(jìn)入市場。
第一個(gè)突破性的非 HPC 產(chǎn)品是前列腺癌治療,從患者身上分離的樹突狀細(xì)胞在體外暴露于重組腫瘤抗原,然后重新引入以促進(jìn)T細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤反應(yīng)。這種 sipuleucel-T 療法在2010年獲得 FDA 批準(zhǔn)時(shí)被吹捧為世界上第一種“個(gè)性化”癌癥療法,但由于療效不一致和報(bào)銷不確定,使其使用受到限制,這是制造過程的高成本和技術(shù)復(fù)雜性導(dǎo)致的后果。
其他早期進(jìn)入市場的藥物包括使用患者和供體來源的成纖維細(xì)胞局部治療組織損傷,以及使用患者來源的軟骨細(xì)胞修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨。在 FDA 對(duì)第一個(gè) CAR-T 療法的監(jiān)管批準(zhǔn)后,過去十年中,細(xì)胞療法的商業(yè)化進(jìn)展顯著加快。目前,已有6個(gè)針對(duì)難治性多發(fā)性骨髓瘤,以及 ALL 和 LBCL 的的 CAR-T 產(chǎn)品獲批上市。更多的使用各種效應(yīng)細(xì)胞,例如 NK 細(xì)胞,正在進(jìn)行多種固體和血液腫瘤的臨床試驗(yàn),其中一些報(bào)告了突破性的成功。
除了癌癥療法繼續(xù)獲得的關(guān)注,幾個(gè)新興領(lǐng)域的臨床成功也引起了人們的興趣。這些包括自身免疫疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 和神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和各種孤兒病的治療。其中一些療法是利用間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSCs) 開發(fā)的,治療克羅恩病相關(guān)瘺管的 darvadstrocel,是少數(shù)商業(yè)化 MSC 產(chǎn)品之一。另一種的產(chǎn)品是 remestemcel-L,它使用供體來源的、培養(yǎng)擴(kuò)增的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療 GvHD。
目前,越來越多的療法正在通過臨床試驗(yàn)取得進(jìn)展,這些療法使用來自多能干細(xì)胞的細(xì)胞產(chǎn)品。來自誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 的視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞被用于治療急性黃斑變性和 Stargardt 病。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病是此類療法的另一個(gè)活躍領(lǐng)域,有幾個(gè)研究正在使用 iPSC 生成多巴胺能神經(jīng)元以用于帕金森病,還有一些基于干細(xì)胞的方法正在進(jìn)行中風(fēng)、癲癇、脊髓損傷、阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化和疼痛的臨床前研究。
細(xì)胞工程學(xué)創(chuàng)新
目前,人們正在探索細(xì)胞工程學(xué)科的創(chuàng)新,包括基因組和表觀基因組編輯、合成生物學(xué)以及生物材料,以應(yīng)對(duì)細(xì)胞治療的重大挑戰(zhàn)。其中一些方法已成功用于生產(chǎn)商業(yè)化產(chǎn)品,但許多方法仍處于臨床前階段。
基因組和表觀基因組編輯
CRISPR/Cas9 作為可編程工具在活細(xì)胞中設(shè)計(jì)人類基因組和表觀基因組,推動(dòng)了細(xì)胞治療學(xué)的進(jìn)展。Cas9 介導(dǎo)的非同源末端連接 (NHEJ) 已被用于沉默致病位點(diǎn)、去除有害插入物和賦予對(duì)病毒的抗性。
除了 Cas9 介導(dǎo)的 NHEJ 靶向單個(gè)基因座,同時(shí)靶向多個(gè)基因座的復(fù)合方法近年來也取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。例如,利用同時(shí)靶向 T 細(xì)胞受體 (TCR) 、β2-微球蛋白 (β2m) 和 PD-1 基因的 Cas9 mRNA 和 gRNAs 進(jìn)行基于 CRISPR–Cas9 的多重基因組編輯,已與慢病毒載體 CAR 結(jié)合使用,以生成缺乏 TCR、HLA I 類分子和 PD-1 的異基因 CAR-T 細(xì)胞,這為通用 CAR-T 細(xì)胞的研究打開了大門。重要的是,這些類型的組合策略對(duì)于解決細(xì)胞治療面臨的一些重大挑戰(zhàn)至關(guān)重要,尤其是通過降低自體細(xì)胞源的免疫原性和增強(qiáng)工程細(xì)胞的活性,從而提高患者的安全性和治療效力。
除了正在進(jìn)行的臨床試驗(yàn)和創(chuàng)建新的 CAR 平臺(tái)之外,基因組編輯在開發(fā)用于治療的“現(xiàn)成”工程細(xì)胞方面也發(fā)揮了重要作用。例如,經(jīng)過編輯以去除 CD7 和 TRAC 的人類 T 細(xì)胞顯示出對(duì)抗T細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病 (T-ALL) 的效力,而沒有異種 GvHD 的證據(jù)。
在細(xì)胞分化之前進(jìn)行基因組編輯是另一種選擇,例如,破壞 iPSC 中的 HLA 基因已被證明是增強(qiáng)免疫兼容性的有效方法,敲除 B2M 并同時(shí)過表達(dá) CD47 的類似策略也產(chǎn)生了免疫原性顯著降低的 iPSC ?;谌祟?iPSC 的現(xiàn)成療法正在取得快速進(jìn)展,實(shí)體瘤和晚期血液惡性腫瘤的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中 (NCT03841110和NCT04023071)。
在臨床環(huán)境中使用基因組編輯的這些令人興奮的進(jìn)展已擴(kuò)展到許多嚴(yán)重適應(yīng)癥,包括細(xì)菌感染 (NCT04191148) 、β-地中海貧血和鐮狀細(xì)胞病 (NCT03655678;EDIT-301) 、B型血友病 (NCT02695160) 和II型粘多糖病II (NCT03041324)。
此外,基于 CRISPR-Cas9 的表觀基因組編輯工具已用于模擬基因表達(dá)和表觀基因組失調(diào)的幾種人類疾病和疾病治療。值得注意的例子包括神經(jīng)肌肉組織和酶紊亂,以及腎病和糖尿病。
隨著這些精確編程人類基因表達(dá)和人類表觀基因組的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)和成熟,當(dāng)先進(jìn)的基于細(xì)胞的療法和常規(guī)基因組編輯相結(jié)合時(shí),它們無疑將成為下一代細(xì)胞藥物的組成部分。
合成生物學(xué)
過去二十年來,合成生物學(xué)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn),其目標(biāo)是通過應(yīng)用定量設(shè)計(jì)規(guī)則,使基因工程結(jié)果更加精確、可預(yù)測和可重復(fù)。盡管它在微生物系統(tǒng)方面取得了早的突破,但近年來該領(lǐng)域在人類細(xì)胞工程方面也取得了重大進(jìn)展。通過精確控制治療性轉(zhuǎn)基因表達(dá)或分泌治療因子的傳遞,或通過編程細(xì)胞來感知與特定組織或疾病狀態(tài)相關(guān)的生物分子,并通過改變細(xì)胞行為作出反應(yīng),可以增強(qiáng)基于細(xì)胞的治療。
利用合成生物學(xué)解決過繼性T細(xì)胞治療中的特異性和活性的成功證明了這一系列方法。在這一領(lǐng)域成功的應(yīng)用之一是一種蛋白質(zhì)安全殺傷開關(guān),該開關(guān)被設(shè)計(jì)用于引起植入細(xì)胞的凋亡。
該開關(guān)的嵌合設(shè)計(jì)以人 caspase9 與修飾的人 FK 結(jié)合域融合為特征,能夠在施用小分子藥物 AP1903 后二聚并激活凋亡信號(hào)。雖然開發(fā)該開關(guān)是為了在干細(xì)胞移植過程中消除同種異體反應(yīng)性T細(xì)胞,但隨后其被用于 CAR-T 治療的臨床試驗(yàn),以限制 CRS 中效應(yīng)器的增殖( NCT03696784 )。
CAR-T 合成生物學(xué)的一個(gè)重要焦點(diǎn)是制定策略以增強(qiáng)腫瘤靶向特異性。一個(gè)例子是受體介導(dǎo)的基因調(diào)節(jié)回路設(shè)計(jì),其中融合單鏈抗體的工程化嵌合 Notch 受體在與相鄰細(xì)胞表面的配體結(jié)合時(shí)被觸發(fā),導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活劑的蛋白水解釋放和轉(zhuǎn)基因表達(dá)。
該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在第二個(gè)配體存在下表達(dá) CAR,從而實(shí)現(xiàn)抗原結(jié)合的雙特異性識(shí)別。synNotch 的進(jìn)一步發(fā)展,有可能區(qū)分特定腫瘤和旁觀者組織。
合成生物學(xué)的另一個(gè)主要重點(diǎn)是開發(fā)閉環(huán)調(diào)節(jié)回路,用于監(jiān)測生理或疾病狀態(tài)特征,并對(duì)治療結(jié)果作出反應(yīng)。利用轉(zhuǎn)基因報(bào)告來改變天然信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的策略已經(jīng)得到利用。一個(gè)例子是兩階段細(xì)胞因子轉(zhuǎn)換回路,該回路在第一階段將 TNF-α 依賴性 NF-κB 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 IL-22 生成,然后激活細(xì)胞因子受體并通過 STAT3 發(fā)出信號(hào),驅(qū)動(dòng)抗炎細(xì)胞因子 IL-10 和 IL-4 的轉(zhuǎn)錄生成和分泌。
在小鼠體內(nèi)試驗(yàn)中,含有該回路的細(xì)胞可以減輕小鼠銀屑病模型中的炎癥。類似地,人們構(gòu)建了β-細(xì)胞模擬細(xì)胞,該細(xì)胞引入一個(gè)回路,通過將糖酵解介導(dǎo)的鈣離子進(jìn)入與驅(qū)動(dòng)胰島素表達(dá)和分泌的轉(zhuǎn)錄回路的誘導(dǎo)相聯(lián)系來感知葡萄糖。當(dāng)植入糖尿病小鼠模型時(shí),工程細(xì)胞以葡萄糖反應(yīng)的方式分泌胰島素,從而糾正胰島素缺乏,并降低高血糖。
生物材料
半透性生物材料和水凝膠已用于改善治療細(xì)胞的傳遞、活性、保留和安全性。從可降解水凝膠到不可降解塑料和金屬等,人們探索了一系列生物材料,以改善輸送和活性,促進(jìn)細(xì)胞在特定體腔內(nèi)的保留,促進(jìn)控釋,并實(shí)現(xiàn)可回收性以提高安全性。
細(xì)胞治療中同種異體細(xì)胞的排斥反應(yīng),限制了現(xiàn)成的細(xì)胞治療產(chǎn)品的開發(fā)。然而,介導(dǎo)同種異體細(xì)胞排斥反應(yīng)的免疫機(jī)制需要細(xì)胞-細(xì)胞接觸。目前,人們?cè)诜e極探索一種策略,即在半多孔膜中使用同種異體細(xì)胞的細(xì)胞封裝來實(shí)現(xiàn)免疫隔離。這些努力的目標(biāo)是將移植細(xì)胞從患者自身的免疫系統(tǒng)中隔離,同時(shí)允許可溶性因子的雙向運(yùn)輸,保證葡萄糖和氧氣等營養(yǎng)物質(zhì)的流入,以支持移植細(xì)胞的長期存活,以及產(chǎn)生的治療性蛋白質(zhì)的輸出。通過使用海藻酸鈉水凝膠促進(jìn)大鼠胰島的免疫隔離,證明了在動(dòng)物中的可行性。這項(xiàng)研究表明,短期 (數(shù)周) 移植的同種異體細(xì)胞在免疫活性動(dòng)物中具有功能。
近年來,許多膠囊化細(xì)胞產(chǎn)品已在臨床上進(jìn)行了廣泛的細(xì)胞治療應(yīng)用評(píng)估,包括眼科學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)、腫瘤學(xué)和神經(jīng)病學(xué)。
小結(jié) 縱觀細(xì)胞治療研究的新進(jìn)展,很明顯,基因組和表觀基因組編輯、合成生物學(xué)以及生物材料介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié),將在創(chuàng)建新細(xì)胞治療產(chǎn)品管線方面發(fā)揮越來越大的作用,從而提高患者的安全性、有效性和可及性。
科學(xué)進(jìn)步不僅證明了這些領(lǐng)域開發(fā)的技術(shù)的潛在影響,而且還確定了克服目前限制細(xì)胞療法更廣泛商業(yè)化的重大挑戰(zhàn)的潛在途徑。因此,技術(shù)創(chuàng)新是未來影響細(xì)胞治療產(chǎn)品進(jìn)步的關(guān)鍵,這些創(chuàng)新使得更容易采購和制造的同種異體產(chǎn)品具有更大的效力和生存能力。