瑋馳分享丨設(shè)計(jì)新一代的細(xì)胞療法

前言

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(chǎng)的擴(kuò)張方面都經(jīng)歷了爆炸性增長(zhǎng)。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)tisagenlecleucel和Axicabatagene ciloleucel分別用于治療急性淋巴細(xì)胞白血?。ˋLL）和大B細(xì)胞淋巴瘤（LBCL）。近的其他成功包括批準(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，盡管近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)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*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(cè)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(yíng)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。

• 基于細(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(cè)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)胞治療的過去與現(xiàn)在

以細(xì)胞為基礎(chǔ)的人類療法早開始于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(gòu)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(chǎng)。

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“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(chǎng)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)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5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。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)獲得多的關(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PD1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?。═-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 。

基于人類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?。∟CT03655678；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。近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)?shù)幕诩?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、可預(yù)測(cè)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。

近利用合成生物學(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)。雖然初開發(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)近的一個(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)初被設(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(cè)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，葡萄糖和氧氣等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流入，以支持移植細(xì)胞的存活，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)。

小結(jié)

縱觀細(xì)胞治療研究的進(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。近的科學(xué)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)品的關(guān)鍵，這些創(chuàng)新使得更容易采購(gòu)和制造的同種異體產(chǎn)品具有更大的效力和生存能力。

文章來源：小藥說藥