Nature Reviews:善用多維組學數據,推進CAR-T細胞療法

間充質干細胞、免疫細胞、外泌體源頭實驗室

Nature Reviews:善用多維組學數據,推進CAR-T細胞療法

嵌合抗原受體 (CAR) T 細胞療法已經在某些血液系統惡性腫瘤的治療中取得了顯著的成功,但是 CAR-T 療法仍在多個方面存在大量挑戰,包括優化 CAR 的結構設計、細胞產品、提高反應率、延長緩解的持久性、降低毒性和擴大這種治療方式對其他癌癥類型的效用等方面。

近年來,隨著多組學技術的發展和相關數據的積累,包括基因組學、表觀基因組學、轉錄組學、T 細胞受體譜分析、蛋白質組學、代謝組學和/或微生物組學在內的多維組學分析的數據,將為剖析 CAR-T 細胞復雜動態的多因子表型、過程和反應,以及發現新的腫瘤靶點和耐藥途徑提供了獨特的機會。

在這篇綜述中,作者總結了可用于促進我們對 CAR-T 細胞療法的機制理解的多維細胞和分子分析技術。此外,本文還討論了利用多組學數據來識別最佳靶抗原和其他分子特征的當前應用和潛在策略,這些特征可用于增強?CAR-T?細胞治療的抗腫瘤活性和最小化其毒性。事實上,充分利用多組學數據將為?CAR-T?細胞治療的生物學提供新的見解,有助于進一步加速研發具有更好療效和安全性的產品,并使臨床醫生能夠更好地預測和監測患者的反應。

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全文要點總結

? 多維組學數據包括:基因組學、表觀基因組學、轉錄組學、T 細胞受體圖譜分析、蛋白質組學、代謝組學和微生物組學,這些手段及數據均已被用于促進我們對 CAR-T ?細胞治療的機制理解。

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? 利用來自腫瘤和非惡性組織的大量和/或單細胞水平的多組學數據是確定高效安全的 CAR-T 細胞治療的最佳靶點的強大方法。

? 整合大量和/或單細胞多維組學數據,已被用于研究 CAR-T 細胞持久性和抗腫瘤療效的關鍵決定因素,包括 T 細胞狀態和表型、腫瘤細胞特征、腫瘤微環境和微生物組。

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? 利用多組學數據有助于闡明 CAR-T 細胞相關毒性的機制,包括細胞因子釋放綜合征、免疫效應細胞相關神經毒性綜合征和靶向、腫瘤外毒性等。

嵌合抗原受體 (CARs) 是一種人工合成的融合受體,旨在通過重定向 T 細胞的識別靶標以清除表達同源抗原的癌細胞。為此,CAR 通常使用靶向特定腫瘤相關抗原的抗體可變區,將其通過鉸鏈和跨膜結構域連接到來自 T 細胞受體 (TCR) CD3ζ 鏈和共刺激受體 (如 CD28 和/或 4-1BB) 的細胞內信號基序。接著,編碼這些結構的轉基因載體被引入患者來源(自體)或健康供體來源 (異體)的 T 細胞。然后,將?CAR-T?細胞在體外進行大量擴展和篩選,并輸注到患者體內抗擊癌癥。

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▲?圖:CAR 的結構與 CAR-T 治療過程 (10.1016/j.omtm.2019.11.018)

由于?CAR-T?細胞療法在 B 細胞急性淋巴細胞白血病 (B-ALL)、大 B 細胞淋巴瘤 (LBCL)、套細胞淋巴瘤、濾泡淋巴瘤或多發性骨髓瘤患者中,都表現出令人印象深刻的有效率和持久性,并已成為復發和/或難治性 B 細胞惡性腫瘤的前線治療手段。此外,CAR-T?細胞已被證明可誘導各種晚期實體腫瘤患者的臨床反應,包括膠質母細胞瘤、胰腺導管腺癌、肉瘤、胃腸道癌和去勢抵抗性前列腺癌。盡管與 B 細胞惡性腫瘤患者相比,CAR-T?細胞在實體腫瘤中的臨床反應性較低且較短暫。然而,CAR-T?細胞治療的臨床成功面臨著一系列挑戰,包括在許多惡性腫瘤中缺乏穩定表達的腫瘤特異性抗原?CAR-T?細胞耗竭,?CAR-T?細胞持久性有限和潛在的危及生命的毒性等。
多組學數據,包括基因組學、表觀基因組學、轉錄組學、蛋白質組學等,可以深入了解各種組織或細胞中生物分子在多個維度上的豐度和/或變異。多維分析策略和整合方法的快速發展促進了多組學數據的使用,以描述廣泛研究領域中不同細胞過程的復雜分子特征,包括?CAR-T?細胞治療。CAR-T 療法本質上是一種活細胞藥物,其能夠積極地感知和響應各種各樣的外在和內在因素。因此,通過批量和單細胞分析,識別有害的表型異質性和制造前自體T細胞的通路調節可能有助于?CAR-T?細胞產品的質量控制,或為 CAR 設計或產品制造提供提高其功能的策略。此外,使用多組學策略來監測功能和/或功能失調的?CAR-T?細胞亞群的時間動態擴張,表征?CAR-T?細胞的轉錄組、表觀基因組和代謝動力學,描述限制?CAR-T?細胞浸潤抑制?CAR-T?細胞毒性腫瘤微環境 (TME) 特征,確定關鍵細胞因子的來源和功能,并預測新的靶標。此外,在非惡性組織中的非腫瘤毒性可以促進生物標志物的發現,并提高我們對?CAR-T?細胞治療反應和毒性的機制理解。
在這篇綜述中,作者強調了多組學數據在推進改善?CAR-T?細胞治療方面的潛力。本文首先概述了已用于?CAR-T?細胞治療研究的多組學剖析技術。接下來,作者討論了利用多組學數據發現單一和組合 CAR 靶標的策略。進一步地,作者討論了通過多組學分析發現的與增強抗腫瘤反應和/或降低?CAR-T?細胞治療毒性相關的分子特征和其他關鍵因素。利用當前和新興的多維組學分析技術,我們將能夠全面理解?CAR-T?細胞療法的分子生物學,最終使這些治療的臨床效益最大化。
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一、多維剖析技術 (Multidimensional profiling technologies)
來自基因組學、表觀基因組學、轉錄組學、TCR 庫分析、蛋白質組學、代謝組學和微生物學研究的數據已被用于解決?CAR-T?細胞治療的剩余關鍵挑戰。利用這些多組學數據可以為 TME 中影響?CAR-T?細胞治療結果的腫瘤和非惡性細胞特征、細胞狀態轉變、細胞類型和細胞-細胞相互作用提供新的見解 (圖1和表1)。

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▲?圖1 | 多組學數據在 CAR-T 細胞治療中的應用概述

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▲?表1 | 應用于研究 CAR-T 細胞治療的代表性多組學分析方法

1.1 基因組學 (Genomics)

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通過比較來自腫瘤和非惡性組織樣本的 DNA 測序 (DNA-seq) 數據,人們已經確定了許多與腫瘤相關的體細胞突變。其中一些突變可能產生腫瘤特異性的新抗原,如果這些新抗原呈現在細胞表面,就可能作為 CAR-T 或 TCR-T 的新靶點。然而,迄今為止,用新抗原導向的?CAR-T?細胞靶向癌細胞的嘗試還僅限于少數臨床前和臨床研究。另外,腫瘤相關突變和復雜的基因組改變,可能也會影響?CAR-T?細胞治療的臨床反應。通過全基因組文庫化 CRISPR-Cas9 敲除篩選,隨后通過測序檢測單個 sgRNA 的頻率富集情況,已使我們得以大規模、高通量研究和評估不同條件下單個基因的影響,從而更高效地確定細胞的功能依賴性。這種功能基因組學分析手段已經幫助我們確定了涉及 T 細胞激活、持久性、細胞毒性和功能障礙的關鍵基因,以及影響治療耐藥性的腫瘤細胞的遺傳改變,提供了可能被利用來提高?CAR-T?治療療效的調控因子。同時,基于 CRISPR-Cas9 的功能獲得性篩選結合單細胞 RNA 測序 (scRNA-seq), 已被用于檢測表達不同敲入結構的 T 細胞的豐度并評估其狀態,該研究發現了一種可用于可提高?CAR-T?細胞對實體瘤清除效能的新型嵌合細胞共刺激受體??傊?,功能基因組學分析是一種強有力的方法,可以闡明?CAR-T?細胞功能的機制調控,最終可能用于改進 CAR 設計或細胞工程。
1.2 表觀基因組學 (Epigenomics)

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表觀遺傳因素,包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾、染色質可及性和 3D 結構。復雜而多層次的表觀修飾使多個細胞信號的整合能夠動態調節基因表達程序,并最終調節 T 細胞的表型和功能。因此,通過擾動表觀遺傳調節劑對?CAR-T?細胞進行表觀遺傳重編程可能有助于提高 CAR-T 的抗腫瘤效能。全基因組表觀基因組分析技術已成為研究表觀遺傳調控景觀 (包括?CAR-T?細胞) 的最佳方法。例如,DNA 甲基化陣列分析可以幫助識別與?CAR-T?細胞治療反應相關的差異甲基化位點。結合使用 ATAC-seq 和 RNA-seq 的轉座酶可達染色質分析,可以促進識別表觀基因組的調控模塊,而這些模塊控制與?CAR-T?細胞耗竭和細胞毒性相關的細胞程序,從而為潛在的表觀遺傳重編程策略提供了許多見解并有助于發現提高療效的調控通路。
單細胞表觀基因組學分析仍在快速發展,目前已經能夠評估單個?CAR-T?細胞內的表觀遺傳調控圖景。將單細胞 ATAC-seq 數據與轉錄組學和蛋白質組學數據相結合,有助于確定與?CAR-T?細胞功能亞群相關的表觀遺傳調控模式??偟膩碚f,表觀基因組分析研究的新證據證明了?CAR-T?細胞內動態表觀遺傳改變,及其在確定與治療療效相關的分子特征方面的重要性。
1.3 轉錄組(Transcriptome)
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RNA-seq 對于我們理解細胞狀態具有重要作用,并在腫瘤異質性和 TME 的表征方面取得了巨大進展。在?CAR-T?細胞治療領域,RNA-seq 最常用于不同條件下的差異表達基因分析,以描繪與療效相關的細胞狀態轉變。此外,監測編碼各種細胞因子的基因轉錄的變化,這些細胞因子是?CAR-T?細胞活性的關鍵介質,對于提高療效和降低細胞因子釋放綜合征 (CRS)、免疫效應細胞相關神經毒性綜合征 (ICANS) 和其他毒性的風險也至關重要???RNA-seq 的應用提供了額外的信息,例如,非編碼 RNA 的表達可以調節免疫調節分子,從而影響?CAR-T?細胞的細胞毒性。此外,轉錄后的 RNA 處理失調也可能產生不同的轉錄本,從而潛在地產生不同的蛋白質異構體,進而能夠逃避 CAR 識別。因此,人們越來越重視利用現有的和不斷增加的腫瘤 RNA-seq 數據,以發現源于 RNAs 的差異表達和調控異常的新型 CAR 靶點。

scRNA-seq 可生成單個細胞的轉錄組數據,自 2009年以來,scRNA-seq 已成為一種完善的方法并廣泛應用于癌癥研究。值得注意的是,scRNA-seq 是一種在臨床前和轉化研究中研究?CAR-T?細胞特征的新興方法。例如,scRNA-seq 能夠對?CAR-T?細胞輸注產品進行基于基因表達的細胞狀態檢查。數據表明,細胞毒性、中央記憶、衰竭和其他細胞程序的特征可能受到?CAR-T?細胞條件或設計變化的影響,并與臨床反應和毒性相關。除了?CAR-T?細胞產物的分析,將 scRNA-seq 應用于非惡性組織和腫瘤可以幫助識別罕見的細胞亞群,以闡明潛在的治療相關毒性機制。此外,scRNA-seq 可以提供多種細胞類型的豐富基因表達數據。因此,scRNA-swq 已經成為探索 TME 中可能影響?CAR-T?細胞抗腫瘤活性的因素的最佳無偏倚方法。這些見解可能為克服 TME 的免疫抑制特征和尋求擴大?CAR-T?細胞在實體瘤中的應用提供潛在的新機會。
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1.4 TCR 庫分析(TCR-repertoire analysis)

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TCR 是 T 細胞表面的一種異二聚體蛋白復合物,可由異質 TCRα 和 TCRβ 或 TCRγ 和 TCRδ 鏈組成,由單個 T 細胞克隆中不同的 V、D、L 和 C基因片段隨機遺傳重組形成。TCR 形成過程會導致不同的 T 細胞群具有高度多樣化的 TCR 庫,以介導抗原特異性的適應性免疫反應。高通量技術已經可以對每個 T 細胞中表達的 TCR 鏈進行測序,從而表征 TCR 庫和 T 細胞群的克隆多樣性。結合其他組學方法(如轉錄組學分析) 進行 TCR 測序,可以使特定的 TCR 克隆型與不同的 T 細胞表型相關聯。這種聯合分析可以通過追蹤不同亞群間的 T 細胞克隆性來幫助描述 T 細胞動力學,而且這樣的研究已經證明了高度擴增的?CAR-T?細胞克隆型在癌癥患者中的細胞毒性和增殖特性。此外,單細胞技術的進步已經能夠在單個細胞中同時進行 TCR 測序和 scRNA-seq,這將特定的 TCR 克隆型分配給具有不同轉錄表型的單個 T 細胞,因此可以將 TCR 克隆型用作整個治療過程中 T 細胞功能狀態擴張和持久性的替代品。需要注意的是,單個 TCR 克隆型可以包含沿著功能連續體的混合細胞狀態,這些分析方法提供了進一步探索特定的克隆典型定義的T細胞狀態是否與?CAR-T?細胞性能或毒性相關的途徑。

1.5 蛋白質組學 (Proteomics)
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蛋白質組學分析能夠識別和量化蛋白質及其翻譯后修飾 (如磷酸化和糖基化),以表征細胞的通路活性和細胞功能。例如,免疫腫瘤學領域新興的蛋白質組學分析方法極大地提高了我們對腫瘤免疫逃避機制的理解。值得注意的是,在癌癥免疫治療的背景下,應用單細胞蛋白質組學分析在 TME 中發現不同免疫細胞表型的臨床相關性方面已經取得了前期的成功。
傳統的蛋白質組分析技術,如提供選擇蛋白質表達數據的蛋白質微陣列,已被應用于量化?CAR-T?細胞治療后淋巴瘤或白血病患者的血漿細胞因子水平。而隨著基于質譜的蛋白質組學技術的進步,人們已經實現了膜蛋白質組的高通量分析,包括細胞表面蛋白組和免疫肽組,以及磷蛋白組中反映的信號通路動態變化。腫瘤細胞的表面蛋白組已成為各種血液學和實體性惡性腫瘤治療新靶點的重要來源。非惡性組織的免疫肽組和表面組可以作為腫瘤特異性靶點選擇的參考數據庫,從而避免靶上和腫瘤外毒性。磷酸蛋白組學可用于表征 CAR 下游信號活性,以評估與不同 CAR 結構相關的功能狀態。因此,蛋白質組學分析加深了我們對 CAR-T 細胞治療各個方面的知識,特別是 CAR 靶點的發現和 CAR 功能。
流式細胞術是用于免疫細胞分類的單細胞水平的膜蛋白和細胞內蛋白檢測的金標準。全光譜流式細胞術的正在快速進步,其中高靈敏度的檢測器陣列用于捕捉各種熒光分子的全發射光譜,通過增加可在實驗運行中評估的細胞參數數量來提高通量,從而為免疫治療研究中的蛋白質表達分析提供了一種強大的方法。大規模細胞術,或飛行時間細胞術(CyTOF),結合流式細胞術和質譜技術,實現了高通量、單細胞蛋白質組學分析 (通過在一次運行中同時評估數百萬個細胞中的>40蛋白),用于實現多維度細胞表型的刻畫。在臨床前和臨床環境中,CAR-T?細胞的蛋白表達的大規模細胞術分析,已被用于功能表征以幫助快速監測 CAR-T 細胞的動態特征。
單細胞分泌組分析技術也得到了發展。例如,單細胞微室、蛋白質組學條形碼多重免疫分析芯片已被用于通過預灌注?CAR-T?細胞產品量化約 32種選定效應物和免疫刺激分子的分泌,以衡量其“多功能性”,這些因子與臨床反應和毒性相關。
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1.5 代謝組學(Metabolomics)
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代謝組學分析對代謝過程中產生的一組小分子進行表征,提供各種細胞代謝活動的功能解讀。T 細胞的功能受內在和外在代謝因子的調節,而強大的內在代謝活性對于有效的 T 細胞毒性是必要的。例如,由于缺氧和/或營養可用性降低,TME 中的代謝中斷可導致浸潤的 T 細胞的代謝需求得不到滿足,從而限制其抗腫瘤活性。因此,維持?CAR-T?細胞的代謝適應度對于提高其治療效果非常重要,特別是增強其在實體瘤免疫抑制 TME 中的功能。
以質譜為基礎的代謝組學能夠同時進行靶向代謝物定量和全面的非靶向代謝物分析。一些研究已經描述了 T 細胞中通過各種生化過程產生的代謝物及其中間產物。糖酵解和三羧酸循環代謝產物的靶向量化強調了影響腫瘤浸潤 T 細胞增殖和衰竭的固有代謝過程受損,提供了通過代謝重編程增強?CAR-T?細胞功效的機會。代謝組學數據還可以用于?CAR-T?細胞的代謝重編程,以增強它們的適應性和對不利的外部、微環境因素的抵抗力。
細胞代謝是可變的,能適應環境的限制。通量組學描述了參與細胞內代謝網絡的代謝物的產生和消耗速率,這反映了細胞內的動態代謝過程。穩定同位素和質譜的組合可用于跟蹤和量化動態代謝通量,稱為代謝通量分析,從而能夠對糖酵解和線粒體呼吸等感興趣的代謝途徑進行通量組學分析。這種方法對于不同 CAR 設計或不同環境條件下?CAR-T?細胞代謝過程的動態評估具有優勢,新興的通量組學數據表明,維持?CAR-T?細胞代謝適應度對有效治療的關鍵作用。
1.6 微生物組(Microbiomics)

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微生物群正在成為調節癌癥進展和治療反應的關鍵因素。一些研究已經證明了腸道微生物組或飲食干預與免疫療法的臨床反應之間的相關性,特別是針對 CTLA4, PD-1 或 PD-L1 的免疫檢查點抑制劑。此外,通過糞便微生物移植健康供體或應答者的有益菌群進行微生物干預,可以提高免疫檢查點抑制劑的療效。
兩種主要方法已開發用于微生物區系的分析:16S 核糖體 RNA-seq (16S rRNA-seq)和宏基因組鳥槍測序。16S rRNA-seq 用于微生物分類組成的大規模分析更具成本效益,但不能提供關于病毒或真核成分的信息。宏基因組鳥槍測序全面覆蓋了樣本中存在的所有微生物,增加了發現在癌癥中具有潛在作用的新物種的潛力,并為分析功能變異提供了基因水平分辨率的數據,盡管這些好處是以計算挑戰為代價的。對接受?CAR-T?細胞治療的患者的糞便樣本進行微生物學分析,揭示了腸道菌群組成與治療反應之間的相關性,這表明有希望利用與菌群的聯系來改善?CAR-T?細胞治療。目前的研究主要集中在腸道微生物群的影響上,然而腫瘤內微生物群也可能對抗腫瘤免疫反應有重要影響,這可能代表著未來需要探索的另一個維度。
二、將空間背景信息納入組學分析(Incorporation of spatial contexture into omics profiling)
空間分子分析方法的進步,特別是空間轉錄組學空間蛋白質組學,已經能夠使用組織切片對基因和蛋白質表達的局部變異進行大規模和高分辨率的描述??臻g轉錄組學是一項新興技術,能夠在近細胞或亞細胞分辨率下實現高維或轉錄組范圍內的 RNA 定量,當與非空間分辨率的單細胞轉錄組學集成時,可以通過在組織結構中精確定位細胞來加強對細胞-細胞相互作用的分析。類似的方法正在開發用于空間表觀基因組分析,如空間 ATAC-seq 和目標和標記下的空間切割 (CUT&Tag-seq),這已被證明在高分辨率表征組織中的表觀遺傳調控方面具有實用價值。
已建立的空間蛋白質組學技術,如成像大規模細胞術,能夠在組織載片上同時定量和定位大約 40 種蛋白質,同時保留組織結構,以解析 TME 的細胞組成,并在亞細胞分辨率探索各種癌癥類型的細胞因子環境。此外,為了探索 TME 中 T 細胞代謝程序的空間組織,一項研究利用 CyTOF 來量化單個細胞中參與代謝調節組的蛋白質的表達,并將 CyTOF 與飛行時間多重離子束成像 (MIBI-TOF) 耦合以表征這些蛋白質在組織中的分布和表達??臻g通量組學還可用于癌癥研究的動態代謝分析。這些方法尚未應用于?CAR-T?細胞研究,但將空間背景納入組學分析有望增加我們對細胞-細胞相互作用和細胞鄰近如何影響與反應和毒性相關的關鍵細胞程序的理解。
2.1 多組學數據處理的挑戰
盡管多組學分析在?CAR-T?細胞治療領域有廣泛的應用和顯著的進展,但在數據分析和解釋方面仍然存在顯著的挑戰。
首先,使用大塊組織的多組學技術在大規模數據生成中具有廣泛的用途,但在混合細胞群的背景下,信號的潛在掩蔽和信號的平均化可能會降低新靶點發現的潛力和結果的可重復性。這些問題可能可以通過新開發的反卷積算法得到解決,前提是潛在的參考簽名準確地反映了相關微環境中每種細胞類型和病理狀態的轉錄譜。此外,高分辨率單細胞和/或空間多組學分析技術的革命性應用為?CAR-T?細胞治療提供了各種豐富的數據,盡管這些技術帶來了一定程度的計算復雜性,需要開發和優化創新的生物信息學工具。
其次,適當調整分析方法以適應新的應用是實現生物解釋穩健和可重復結果的一個具有挑戰性但至關重要的步驟;對于大多數類型的組學數據,需要仔細評估和修正由樣本處理協議和數據生成平臺的差異引起的批量效應。此外,對于單細胞和空間組學數據,數據的稀疏性和背景噪聲是共同的挑戰,需要使用適當的計算算法進行信號檢測。
第三,細胞中分子波動的動力學可能需要進一步的組學研究,并采用時間分辨率設計。事實上,一些研究已經證明了在?CAR-T?細胞治療的不同階段監測多組學變化的重要性,以更好地描述與治療相關的生物學變化。
最后,隨著多組學數據量的積累,迫切需要優化的計算方法來整合來自多個組學模式的數據。開創性研究已經證明了多組學機器學習模型預測治療反應的能力,這表明人工智能算法有望在未來的研究中進行數據集成;然而,與復雜的分析程序和結果的生物學轉譯有關的挑戰仍有待解決。
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三、CAR-T?細胞治療的靶點發現
識別具有較高腫瘤特異性和覆蓋率的 CAR 靶點,對于確保抗腫瘤療效和降低?CAR-T?細胞治療的毒性均至關重要。一般來說,理想的 CAR 靶點應該在所有腫瘤細胞的表面特異性地高表達,而不表達在非惡性細胞上。然而,由于腫瘤細胞和非惡性細胞之間共享大量抗原,以及腫瘤細胞之間的高度的異質性,確定合適的?CAR-T?細胞靶點一直具有極高的挑戰性,特別是對于實體腫瘤而言。在這種情況下,利用和整合多維組學數據將是確定最佳的 CAR 靶標的一種極具前景的方法。

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▲?圖2:多組學數據在 CAR 靶標識別中的應用

3.1 發現單個 CAR 靶點
來自惡性組織和非惡性組織分析的轉錄組學和/或蛋白質組學數據已被廣泛應用于發現腫瘤中過表達的?CAR-T?細胞靶標(圖2)。在一項使用新型 RNA-seq 分析方法的研究中,glypican 2 被確定為在成神經細胞瘤細胞表面選擇性高水平表達的靶標,而在非惡性組織中未被明顯檢測到。對人類蛋白質圖譜和基因型-組織表達 (GTEx) 項目中包含的非惡性組織的數據,以及人類蛋白質圖譜病理數據庫和癌癥差異表達蛋白數據庫中包含的腫瘤樣本的數據進行分析,其中包括 78種不同的組織、124種細胞類型和 20種癌癥類型,揭示了超過 100個候選 CAR 靶點的表達圖景。在另一項研究中,基因組學、轉錄組學和免疫肽組學數據被整合起來,以鑒定來自成神經細胞瘤中高表達的細胞內癌蛋白的 MHC 結合肽。由 PHOX2B 編碼并由 HLA-A*24:02 呈現的非突變肽 (QYNPIRTTF) 被選為產生高度特異性的肽中心 CARs 的主要靶點,其在異種移植模型中誘導腫瘤的完全消退。因此,大量轉錄組學和/或蛋白質組學分析提供了大量和全面的公共資源,支持跨不同組織、細胞和癌癥類型的 CAR 靶點的全基因組篩查。然而,平均來自大塊組織的基因或蛋白質表達數據可能會掩蓋來自罕見細胞群的信號,這對?CAR-T?細胞治療的有效性和毒性具有潛在的重要意義。
單細胞技術,如 scRNA-seq,能夠以前所未有的分辨率進行組學分析,以發現 CAR 目標,包括識別潛在的安全信號。例如,對來自人類腦組織樣本的三個獨立的大規模 scRNA-seq 數據集的分析發現了一種罕見的表達 CD19 的壁細胞群體,這可能有助于 CD19 導向的?CAR-T?細胞治療的靶向性、腫瘤外神經毒性。類似地,對兩個廣泛的 scRNA-seq 數據集的分析預測了 591個不同 CAR 靶點在廣泛的組織和細胞類型中的靶向和腫瘤外毒性情況,確定了許多“潛在風險基因” (包括EGFR)。數據庫 CARTSC 也可以作為提供單細胞水平的 CAR 靶表達數據的寶貴資源。
新抗原是新型腫瘤特異性蛋白,主要由腫瘤細胞的體細胞突變產生,可能是免疫治療的理想靶點。為了篩選新抗原,通常對配對的腫瘤和非惡性樣本進行比較全外顯子組或全基因組測序,以確定腫瘤特異性的非同義體細胞突變,然后進行 RNA 測序和質譜分析,以確認突變的 mRNA 和多肽的表達。幾種新抗原已經被作為治療血液系統或實體性惡性腫瘤的有前途的 CAR 靶點。例如,EGFR 變體III (EGFRvIII) 是一種在某些實體腫瘤中特異性表達的新抗原,包括膠質母細胞瘤的一個子集,導致正在進行的 EGFRvIII 定向?CAR-T?細胞的臨床試驗 (如NCT03726515, NCT03283631 和 NCT03638206)。迄今為止,高通量多維組學方法已經能夠識別大量的新抗原,為?CAR-T?細胞治療提供了豐富的腫瘤特異性靶點來源。
3.2 CAR 組合靶標的鑒定
事實證明,使用單一 CAR 靶點充分區分腫瘤細胞和非惡性細胞具有挑戰性,這不僅是因為對靶點和腫瘤外的毒性,而且還因為抗原逃逸導致治療耐藥性。這個問題可以通過使用布爾邏輯門控 “AND”和/或“AND-NOT” 結合多個?CAR-T?靶點來進行克服,以增加腫瘤靶向的特異性并降低潛在毒性 (圖2)。簡而言之,只有當兩個目標抗原同時表達在腫瘤細胞上時,具有 “AND” 邏輯門控的?CAR-T?細胞才能被觸發;而具有 “AND-NOT” 邏輯門控的?CAR-T?細胞只有在存在腫瘤細胞上表達的靶抗原和不存在正常在非惡性細胞上表達的抗原時才能被激活。
多組學數據集成已經證明了通過基于表達譜的組合 CAR 靶標的識別來改善?CAR-T?細胞設計的潛力。例如,對來自非惡性和惡性組織的大量轉錄組學和蛋白質組學數據集進行了綜合分析,以提出急性髓系白血病的最佳CAR組合靶點,有四個可能的 “AND” 對滿足嚴格的療效和安全性標準?;趤碜园┌Y基因組圖譜 (TCGA) 中腫瘤和 GTEx 中非惡性組織的 mRNA 表達數據,對編碼表面蛋白的 3567個基因進行了比較轉錄組學分析,確定了對 “AND” 和對 “AND-NOT” 門控 CAR 靶點。其他研究也類似地應用了多組學數據來發現“與”或“與-非”邏輯門 CARs 的雙重目標。這種策略也可以應用于識別更復雜的 CAR 目標組合,如三重靶標。例如,來自 TCGA 的 33種腫瘤類型和來自 GTEx 的 34種非惡性組織的大規模 mRNA 表達數據已用于 2358個預測表面基因的綜合計算篩選,以研究“AND”或“AND-NOT”邏輯門控制的 CARs 的兩個或三個靶抗原的潛在組合。該研究表明,與單一目標相比,組合 CAR 目標具有更好的鑒別能力;所有預測抗原對的性能數據都可通過抗原探索者門戶網站獲得。盡管布爾邏輯門控 CAR 尚未在臨床環境中使用,但其他減輕抗原逃逸可能性的組合抗原靶向策略,例如,在急性髓系白血病中預測 CLL1 和 CD33 的表達,在 B-ALL 和 LBCL 中預測 CD19 和 CD22,在多發性骨髓瘤中預測 BCMA 和 GPRC5D,在臨床前和/或臨床研究中顯示出增強?CAR-T?細胞抗腫瘤活性的希望。
單細胞表達數據也為預測?CAR-T?細胞組合靶標的有效性和安全性提供了高分辨率。例如,使用 scRNA-seq 數據的分析已經預測了基于批量表達數據識別的預定義 CAR 靶對列表的潛在毒性風險。理論上,需要充分利用來自腫瘤和非惡性組織的綜合單細胞多組學數據來為?CAR-T?細胞治療指定最佳靶抗原,從而限制毒性風險。一些 scRNA-seq 數據資源提供了包含多個器官和細胞類型的人類非惡性細胞圖譜,以及正在開發的大規模泛癌癥單細胞圖譜(如人類腫瘤圖譜網絡所繪制的圖譜)。然而,單細胞技術也有局限性,包括 scRNA-seq 測量值的很大一部分為零,這可能反映轉錄本缺失或基因表達的真正缺失。目前,發現既高效又安全的最佳?CAR-T?細胞靶點可能最好也是最可行的方法是,首先根據大量組學數據提名在腫瘤細胞中高度和普遍表達的有希望的靶點,然后使用單細胞組學數據預測指定靶點的靶上毒性和腫瘤外毒性的風險。值得注意的是,基于 RNA-seq 數據識別 CAR 靶標并不簡單,需要與人體表面數據整合,并通過蛋白質組學技術(如流式細胞術)驗證靶標表達。此外,靶蛋白在細胞表面的表達并不一定與臨床反應相關,例如,由于腫瘤細胞中抗原的高度異質性表達,因此需要在嚴格的臨床前研究和早期臨床試驗中對具有新靶點的?CAR-T?細胞產品進行仔細評估。
四、了解并增強?CAR-T?細胞的功效和持久性(Understanding and enhancing CAR T cell efficacy and persistence)
全面了解影響?CAR-T?細胞抗腫瘤療效的生物學因素對于制定策略以實現穩健和持久的治療反應并使臨床獲益最大化至關重要。整合大量和/或單細胞多維組學數據來研究與治療療效相關的關鍵特征的可行性已得到明確證明?CAR-T?細胞療效和持久性的主要決定因素可以分為四大類:T 細胞狀態和表型、腫瘤細胞特征、TME 和微生物群 (圖3和表2)。

Nature Reviews:善用多維組學數據,推進CAR-T細胞療法

▲?圖3:與 CAR-T 細胞治療療效相關的分子特征的多維組學表征。

Nature Reviews:善用多維組學數據,推進CAR-T細胞療法

4.1 T 細胞狀態和表型
4.1.1 預制造T細胞的特征
T 細胞群體的異質性在決定自體 CAR 產物隨后的體內持久性方面起著至關重要的作用(圖3a)。例如,一項對預制造 T 細胞群的整體批量和單細胞分析研究顯示,較高比例的幼稚和早期記憶 T 細胞,特別是在 CD8+ 組分,與 B 細胞惡性腫瘤患者更長的?CAR-T?細胞持久性和更強的療效相關。此外,效應 T 細胞中的 TCF7 (TCF1) 網絡活性被發現與?CAR-T?細胞的長期持久性相關,而與 I型干擾素(IFN-I)反應相關的基因的上調,如 RSAD2、IRF7、MX1、ISG15、OASL 和 IFIT3,則與?CAR-T?細胞持久性較差相關。
4.1.2 CAR-T?細胞特征
注入患者體內的?CAR-T?細胞產物的組成也是高度異質的,特定的?CAR-T?細胞群與有利或不利的反應相關 (圖3a)。例如,在將?CAR-T?細胞輸注到 41例晚期慢性淋巴細胞白血病 (CLL) 患者前,對其進行了大量轉錄組學分析,結果顯示,隨后出現完全緩解(CR)的患者的?CAR-T?細胞富集于早期記憶程序和 IL-6-STAT3 通路基因的表達。相比之下,只有部分反應或無反應的患者的?CAR-T?細胞富集了與T細胞分化和衰竭、有氧糖酵解和凋亡相關的基因表達。CD8+?CAR-T?細胞亞群的特征是治療效果的關鍵決定因素,特別是在抗腫瘤反應的初始階段。在對復發性和/或難治性 LBCL 患者接受的?CAR-T?細胞輸注產品的單細胞多維分析中,記憶性CD8+?CAR-T?細胞富集與 3個月的 CR 相關,而?CAR-T?細胞產品富集耗盡 CD8+ T 細胞和低水平 TCR 克隆型多樣性與部分緩解或進展性疾病相關。
CAR-T?細胞的組成也影響治療持久性和/或長期疾病緩解。在一項涉及 12名 B-ALL 患者的研究中,結合 scRNA-seq 和 CD19 導向的?CAR-T?細胞輸注產物轉錄組和表位的細胞索引測序 (CITE-seq) 表明,Th2 細胞功能的缺乏和效應相關表型的富集是 CD19+ 疾病復發的預測。此外,數據表明某些CD4+ CAR-T?細胞狀態是 CD19 靶向?CAR-T?細胞治療后長期緩解的主要要求。在一項縱向研究中,使用大量和單細胞多維組學數據來描述兩名 CLL 患者中 CD19 導向的?CAR-T?細胞的功能和分子特征,這兩名 CLL 患者的持續性 CRs 持續了 10年以上。具有細胞毒性、增殖和代謝活性表型的持續性CD4+?CAR-T?細胞克隆被認為是?CAR-T?長期持久性的關鍵決定因素。
CAR-T?細胞的內在特征,包括特定基因的表達 (如關鍵轉錄因子),表觀遺傳特征和代謝狀態,與治療效果相關 (圖3a)。例如,單細胞轉錄組學和染色質可及性分析數據暗示轉錄因子 NR4A1, NR4A2 和 NR4A3 在?CAR-T?細胞功能障礙。此外,Nr4a 三敲除的?CAR-T?細胞的 ATAC-seq 顯示,含有 NF-κB 和 AP1 轉錄因子結合基序的可達染色質區域富集。來自多維轉錄組學、表觀基因組學和單細胞蛋白質組學研究的數據表明,轉錄因子 BATF 可以防止?CAR-T?細胞衰竭,并促進表型和轉錄譜向效應體樣狀態的轉變196。在基因表達分析的另一種方法中,使用來自 114例用 CD19 靶向?CAR-T?細胞治療的 B 細胞惡性腫瘤患者的 DNA 甲基化陣列數據,產生了一種稱為 EPICART 的預測 DNA 甲基化標記。在初始發現隊列 (n = 77) 和獨立驗證隊列 (n = 35) 中,此特征陽性的預輸注?CAR-T?細胞與更好的臨床結果相關,并且富集了幼稚樣或早期記憶 T 細胞表型。
CAR-T?細胞的代謝狀態可能會影響抗腫瘤活性和毒性(圖3a)?;?sgRNA 的 CRISPR 功能獲得篩選平臺已被開發并應用于原代 CD8+ T 細胞,結果鑒定了編碼羥脯氨酸脫氫酶(一種參與脯氨酸代謝的酶)的 PRODH2 上調,作為增強?CAR-T?細胞功能的一種手段。PRODH2 敲入的?CAR-T?細胞的轉錄組學和代謝組學分析顯示,這些細胞增強了代謝和免疫活性,并且在多個小鼠模型中提高了抗腫瘤活性。此外,CAR-T?細胞代謝活性可能導致失衡,并導致?ICANS,如低磷血癥。
將 CAR 轉基因整合到基因組中可以影響關鍵基因,從而影響?CAR-T?細胞治療的臨床結果 (圖3a)。例如,將 CAR 序列插入 CLL 患者的 T 細胞中會破壞 TET2 (編碼參與表觀遺傳調控的甲基胞嘧啶雙加氧酶) 的轉錄,并導致抗腫瘤反應增強。進一步的轉錄組學和表觀基因組學分析顯示,患者在第二個 TET2 等位基因中存在預先存在的低形態突變, TET2 中斷的?CAR-T?細胞增加了效應分子的表達,如穿孔素和顆粒酶B,以及防止細胞最終耗盡的中央記憶狀態。在一項對 40例 CLL 或 B-ALL 患者的 CAR 載體整合位點的高通量測序研究中,對治療有反應的患者的整合位點富集了與介導T細胞增殖途徑相關的基因,如磷脂酰肌醇、cAMP 或 TCR 信號通路或共價染色質修飾,這表明這些基因的插入突變可能導致更好的臨床結果。
CAR 結構的細胞內信號域也可以影響?CAR-T?細胞活性?(圖3a)。在使用定量質譜同時檢查 TCR 的 CD3ε、CD3δ、CD3γ 和 CD3ζ 信號亞基內的基于酪氨酸的免疫受體激活基序(ITAM)磷酸化的動態過程中,發現高水平的單磷酸化和 CD3ε 的基本富殘基序列抑制TCR信號。值得注意的是,在 CD19-CD28?CD3ζ CAR 構建物中加入 CD3ε 衍生的 ITAM 堿基富殘留序列區域,可產生與細胞因子釋放水平降低、抗腫瘤反應增強和B細胞淋巴瘤小鼠異種移植模型持久性增加相關的?CAR-T?細胞產物。的確,不同的?CAR-T?產物有不同的表型和擴增特征。例如,Axicabtagene ciloleucel (Aaxis-cel) 和 Tisagenlecleucel 不僅在細胞內共刺激結構域 (CD28 與 4-1BB) 的來源上不同,而且在它們的鉸鏈跨膜結構域 (CD28 與 CD8α) 和它們的整合載體 (γ轉錄病毒與慢病毒) 上也不同。在對輸液液產品和在治療前和治療后不同時間點收集的 105個外周血單個核細胞樣本的 scRNA-seq 分析中,19名接受 Axicel 治療的患者和 13名接受 Tisagenlecleucel 治療的患者,中樞記憶 CD8+ 細胞的擴增僅與 Tisagenlecleucel 的反應相關。對 Axis-cel 的應答者有更多的異質性 T 細胞亞群,而在 Axis-cel 輸注產品中 CAR-表達調節性 T (Treg) 細胞的富集與缺乏應答相關??傊@些發現強調了多組學數據在描述不同 CAR 設計和細胞產物之間差異方面的應用。
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4.2 腫瘤細胞特征
4.2.1 抗原依賴性耐受
腫瘤細胞的特征,包括抗原依賴和抗原不依賴機制,是對?CAR-T?細胞耐藥的關鍵驅動因素。腫瘤中的抗原逃逸(即靶表位的丟失)是對?CAR-T?細胞產生抗原依賴性耐藥性的主要原因,并已被證明通過下調、突變、選擇性剪接、譜系轉換或抗原掩蓋而發生。DNA-seq 和 RNA-seq 分析發現,在 CD19 靶向?CAR-T?細胞治療后,所有 12例復發 CD19陰性 B-ALL 的患者都有 CD19 外顯子2-5的體細胞突變,這被認為是導致 CD19 截斷和隨后細胞表面表達缺失的原因。一項 RNA-seq 研究表明,CD19 的選擇性剪接與外顯子2跳過,導致細胞外 CD19 表位的丟失。相比之下,在復發的 B-ALL 患者中,scRNA-seq 顯示 CD19 抗原通過錯誤剪接而丟失,導致 CD19 轉錄本保留內含子2無功能,并且該亞克隆在?CAR-T?細胞治療之前就存在。一項流式細胞術研究報告了 4例 CD19導向?CAR-T?細胞治療后 B-ALL 向 CD19- 髓系轉移。結合小鼠模型的 RNA-seq 和 ChIP-seq 數據,進一步驗證了髓系轉換是在 CD19 靶向?CAR-T?細胞注入后觸發的。此外,結合基因組學和轉錄組測序發現了一種新穎但罕見的與?CAR-T?細胞治療耐藥性相關的表位掩蔽機制:CAR基因意外地轉導到單個白血病B細胞中,CD19 導向的 CAR 在該白血病克隆的子代上的表達阻止了?CAR-T?細胞的識別,從而通過與 CIS 中的白血病細胞上的 CD19 競爭性結合而對?CAR-T?細胞產生耐藥性。這些結果表明 B-ALL 中抗原逃逸機制的復雜性。然而,盡管大約 28%的 LBCLs 在 CD19 定向?CAR-T?細胞治療后復發時 CD19 表達降低,但未觀察到突變和選擇性剪接,其機制仍有待明確;因此,不同的惡性腫瘤可能存在不同的抗原逃逸機制?;蚪M學、轉錄組學和/或蛋白質組學分析的應用對于闡明不同背景下的抗原逃逸機制和制定規避抗原依賴耐藥性的策略非常重要 (例如,通過設計雙靶點?CAR-T?細胞產品) 。
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4.2.2 抗原非依賴性耐受
由腫瘤細胞對?CAR-T?細胞介導的細胞毒性機制的固有不敏感性引起的抗原非依賴性耐藥也在很大程度上導致了治療失敗 (圖3b)。新出現的證據表明,腫瘤細胞中功能失調的死亡受體信號可導致對?CAR-T?細胞毒性的抵抗。在全基因組 CRISPR-Cas9 敲除篩選中,B-ALL 細胞系中參與促凋亡死亡受體信號傳導的基因(包括 FADD、BID、CASP8 和 TNFRSF10B) 的破壞賦予了對 CD19 導向的?CAR-T?細胞的抗性,這通過誘導?CAR-T?細胞功能障礙(抗原持久性)進一步增強。相反,在白血病細胞中敲除抗凋亡基因(如CFLAR, TRAF2 和 BIRC2)會增加它們對?CAR-T?細胞介導的細胞毒性的敏感性。類似地,另一項 CRISPR-Cas9 篩選表明,腫瘤細胞上死亡受體 Fas 的表達對于抗原依賴的?CAR-T?細胞介導的殺傷以及旁觀者T細胞介導的抗原陰性腫瘤細胞的殺傷至關重要。值得注意的是,DNA-seq 和 RNA-seq 數據表明,伴有 FAS 缺失的 LBCL 患者或 FAS 低表達患者在 CD19 導向的 CAR-T 細胞治療后生存率較低。
腫瘤細胞內的其他基因組學改變也與?CAR-T?治療后的不良結果相關。來自 82例接受 CD19 靶向?CAR-T?細胞治療的復發和/或難治性 LBCL 患者的治療前腫瘤樣本的整合靶向 DNA 測序表明,TP53 畸變 (突變和/或拷貝數損失) 與總生存期降低有關,但與無進展生存期無關。來自 562例患者的單獨隊列的大量轉錄組數據進一步表明,腫瘤中 TP53 的改變損害了干擾素信號、死亡受體信號和 CD8+ T 細胞浸潤等過程,而這些過程對于?CAR-T?細胞介導的細胞毒性非常重要。在包括 LBCL 在內的多種情況下,TP53 的改變也與基因組復雜性的增加有關,并且在接受 CD19 導向?CAR-T?細胞治療的 LBCL 患者中,基因組復雜性的高水平與不良預后相關。綜上所述,這些研究強調多維組學數據的整合對于揭示?CAR-T?細胞治療耐藥的腫瘤內在機制至關重要。
4.3 腫瘤微環境(TME)
TME 通常含有多種免疫抑制細胞,包括 Treg 細胞、癌癥相關成纖維細胞、腫瘤相關巨噬細胞和骨髓來源的抑制細胞,以及可能限制?CAR-T?細胞浸潤、增殖和效應功能的細胞因子 (如TGFβ、IL-10、IL-4 和 VEGF),并最終導致?CAR-T?細胞衰竭。免疫抑制 TME 對?CAR-T?細胞治療的挑戰以及旨在克服它們的工程策略正在被廣泛研究。雖然研究結果表明,腫瘤內髓細胞和細胞因子水平與 CD19 靶向?CAR-T?細胞的反應相關,但?CAR-T?細胞治療患者的 TME 的詢問僅限于靶向基因表達測定,尚未通過組學方法進行全面探索。在這里,本文將重點應用多維組學數據來深入了解惡性 TME,以促進新方法的開發,以增強?CAR-T?細胞的瘤內豐度、持久性和活性,從而提高其臨床療效 (圖3c)。
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4.3.1 增加?CAR-T?細胞的浸潤
組學數據已被用于識別可用于增加?CAR-T?細胞滲入 TME 的關鍵調控因子。在乳腺癌小鼠模型中,干擾素基因刺激劑 (STING) 激動劑 DMXAA 極大地增強了?CAR-T?細胞在 TME 中的募集和持久性,scRNA-seq 揭示了趨化因子環境中的有利轉變以及免疫刺激與免疫抑制骨髓細胞的平衡。在一項全基元篩選研究中,RNA-seq 揭示 PAK4 在膠質母細胞瘤來源的內皮細胞中具有調節間充質樣轉錄激活的重要作用。在小鼠模型中,抑制 PAK4 激酶可改善 T 細胞的浸潤,并使膠質母細胞瘤腫瘤對 EGFRvIII?導向的?CAR-T?細胞增敏。
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4.3.2 加強?CAR-T?細胞對抗免疫抑制
多組學分析也為識別 TME 中的關鍵免疫抑制因子提供了一種強大的方法,從而使?CAR-T?細胞能夠抵抗這些因子。食道鱗狀細胞癌的單細胞轉錄組分析表明,PD-L1 在 TME 的耐受性樹突狀細胞上上調,來自T細胞泛癌scRNA-seq圖譜的數據表明,PD-L1 與 PD-1 的結合抑制 T 細胞的細胞毒性并促進免疫逃避,強調了 PD-L1-PD-1 軸作為 TME 免疫抑制的關鍵中介的已知作用。因此,通過將?CAR-T?細胞與抗 PD-(L)1 抗體、阻斷 PD-1 的?CAR-T?細胞或表達 PD-1 顯性陰性受體的?CAR-T?細胞或在?CAR-T?細胞中基因破壞 PD-1 表達,CAR-T?細胞對抗不良反應腫瘤的功效可能會增強。
基于 TCGA 和 GTEx 的 RNA-seq 數據的泛癌分析顯示,FASLG (編碼Fas配體;FasL) 常在 TME 中過表達。因此,CAR-T?細胞協同工程表達顯性陰性變體 Fas (FasL 的受體,通常在用于過繼細胞治療的自體 T 細胞上高表達)在各種實體和血液惡性腫瘤小鼠模型中具有更高的持久性和抗腫瘤功效。此外,CyTOF 分析表明,分泌 IL-18 的?CAR-T?細胞可以在不同的小鼠模型中調節 TME 并增強內源性免疫細胞的活性(例如,促進具有中央記憶表型的內源性 CD8+ T 細胞、具有 M1 表型的巨噬細胞和具有更成熟和活化表型的樹突狀細胞),從而促進抗腫瘤免疫反應。綜上所述,這些研究表明,利用多維組學數據可以極大地幫助克服 TME 中限制?CAR-T?細胞治療實體瘤有效性的因素。
4.4 微生物群
微生物組正在成為影響?CAR-T?細胞治療效果的關鍵因素 (圖3d)。在一項涉及 48名接受 CD19 靶向?CAR-T?細胞治療的 B 細胞淋巴瘤或白血病患者的前瞻性隊列的多中心研究中,對基線糞便樣本的 16S rRNA-seq 和宏基因組散槍測序顯示,與沒有癌癥的個體相比,α-多樣性水平顯著降低,腸道微生物群的組成有本質上的不同。此外,在第 100天有 CR 的患者中,Lachnospiraceae, Ruminococcaceae 和 Bacteroidaceae 的特定細菌類群比沒有CR的患者更豐富。黑色素瘤和胰腺癌小鼠模型的臨床前數據表明,使用人類共生細菌 Megasphaera massiliensis 的代謝組學數據確定的兩種微生物代謝物,即戊酸鹽和丁酸鹽,可以通過代謝和表觀遺傳重編程增加?CAR-T?細胞的抗腫瘤活性。先前的知識,不僅腸道微生物群,而且腫瘤內微生物群可以對人類癌癥產生多種影響,隨著技術的發展,能夠定量分析微生物群,將有助于進一步研究,以表征微生物群對?CAR-T?細胞治療療效的影響。
五、最小化?CAR-T?細胞相關的毒性
CAR-T?細胞療法的毒性可能是嚴重的,甚至是致命的,這對廣泛的臨床應用仍然是一個重大挑戰。在殺死表達抗原的靶細胞的過程中,CAR-T?細胞通過分泌各種細胞因子和趨化因子誘導一系列炎癥反應——這是一把雙刃劍,可以放大抗腫瘤免疫反應,但也可能導致嚴重的毒性。最常見的?CAR-T?細胞誘導的不良事件包括 CRS、ICANS 和延長的細胞減少率。一些研究已經證明了多組學分析的潛力,以闡明這些毒性的機制,從而為潛在的預防和治療策略提供信息。

Nature Reviews:善用多維組學數據,推進CAR-T細胞療法

▲?圖4:多組學數據揭示的主要 CAR-T 細胞誘導毒性相關因素匯總。

 

5.1 細胞因子釋放綜合征(CRS,Cytokine Release Storm)
CRS 由?CAR-T?細胞與靶細胞接觸后產生的細胞因子,以及隨后激活的內源性免疫細胞產生的細胞因子引起,這產生了一個免疫激活的正反饋循環,可引起嚴重的“細胞因子風暴”。在 CRS 的背景下,細胞因子水平和免疫細胞相互作用的特征對理解其病因至關重要 (圖4a)。轉錄組學方法已用于確定介導這種過度細胞因子釋放的關鍵免疫細胞類型和/或細胞相互作用。在?CAR-T?細胞誘導的CRS小鼠模型中,通過熒光激活細胞分選分離的髓系細胞的大量 RNA 序列顯示,這些細胞,特別是巨噬細胞 IL-1 受體和 IL-6 表達的增加與 CRS 的嚴重程度相關。此外,來自高負擔白血病人源化小鼠模型的CD45+白細胞的scRNA-seq分析表明,?CAR-T?細胞輸注后釋放的 IL-6 和 IL-1 的主要來源是循環的人類單核細胞,時間過程分析表明,在 CRS 的發展過程中,IL-1 的產生早于 IL-6。此外,通過對 51例接受 CD19 指導的?CAR-T?細胞治療的患者的血清樣本進行蛋白質組學分析產生的細胞因子特征準確預測了嚴重 CRS 的可能性,這可能使早期干預成為可能。
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5.2?免疫效應細胞相關神經毒性綜合征 (ICANS)?
ICANS 是?CD19 導向的?CAR-T?細胞療法的另一種主要毒性靶向基因表達分析已經確定了高治療前瘤內 Treg 細胞密度與降低 LBCL 患者 ICANS 風險之間的相關性,靶向單細胞細胞因子分析表明,輸注產品中產生 IL-17a 的多功能 T 細胞頻率較高與高級別 ICANS 風險增加相關。此外,針對 LBCL 患者的 CD19 導向?CAR-T?細胞輸注產物的 scRNA-seq 顯示,在高級別 ICANS 患者的輸注產物中,有一小部分細胞具有單核細胞樣轉錄特征。值得注意的是,這些細胞表達高水平的 IL-1β;這一發現,加上前面提到的 IL-1 信號通路在 CRS 和 ICANS 中的病理生理作用的獨立支持,促進了IL-1受體拮抗劑預防 CRS 和 ICANS 的臨床研究 (NCT04432506)。此外,來自人腦組織的scRNA-seq數據表明,CD19 在腦壁細胞上的表達也可能是 CD19 導向的?CAR-T?細胞的靶點。此外,對 45例接受 CD19 靶向?CAR-T?細胞的 B 細胞惡性腫瘤患者的糞便樣本進行 16S rRNA-seq 和宏基因組鳥槍測序,證實 ICANS 與糞便微生物群組成之間存在關。ICANS 背后的機制是多因素的,仍然知之甚少;然而,利用多組學數據可以獲得更清晰的理解 (圖4b)。
5.3 在靶向/脫瘤毒性 (On-target/Off-Tumor Toxicity)
目前臨床和/或臨床試驗中使用的大多數?CAR-T?細胞產品的靶點,在某種程度上都表達在部分非惡性細胞上。因此,CAR-T?細胞可以對非惡性組織造成損害,并導致靶向和腫瘤外毒性,特別是在靶向實體瘤時。在治療期間,通過多組學分析來預測靶向性和腫瘤外毒性的風險,并監測患者的安全性,可能會更有效地管理這些不良反應38。通過結合大量轉錄組學和蛋白質組學數據,已經報道了包含 >100個單個 CAR 靶點和 >10萬個邏輯門控靶點對的可靶向景觀,且預測毒性最小。同樣,對兩個獨立的大規模 scRNA-seq 數據集的研究在單細胞水平上定義了 591個CAR靶點和 320,884個邏輯門控“與”設計靶點對的安全格局。值得注意的是,通過利用 scRNA-seq 分析罕見的細胞群和/或類型,確定了幾個潛在的危險靶點,這些靶點可能導致影響幾個重要器官的毒性,包括 EGFR、PSMA 和 VEGFR2,這些在批量表達分析中未被確定為安全風險??傊?,多組學分析可以大大拓寬對毒性的分子認識,從而促進減輕?CAR-T?細胞治療不良反應的方法的發展 (圖4c)。
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六、全文結論
CAR-T?細胞療法已經改變了 B 細胞惡性腫瘤的治療,但由于?CAR-T?細胞功能不佳和/或腫瘤細胞對這種療法的耐藥性,大量患者沒有臨床反應或疾病復發。此外,由于缺乏適當的?CAR-T?靶點、疾病復發的可能性和治療相關的不良事件等一系列挑戰,CAR-T?細胞療法的適用性仍然有限。這些挑戰的解決方案正在探索和開發中。不斷擴大的多組學數據庫可用于獲得?CAR-T?細胞治療的新分子見解。腫瘤和非惡性組織的多組學分析為大規模篩選 CAR 靶點和邏輯設計提供了可行的策略。與此同時,對 T 細胞、腫瘤細胞、 TME 和微生物群的表征可以破譯決定治療效果的分子特征和途徑,以及與?CAR-T?細胞治療相關的不同類型毒性的潛在機制和關鍵調節因子。目前 FDA 批準的?CAR-T?細胞產品是由自體T細胞制造的,這是由于避免移植物抗宿主病的優勢,但此類產品存在與制造時間長和患者來源的T細胞功能適應性受損相關的缺點。值得注意的是,利用轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學數據對供體來源的異體?CAR-T?細胞產品進行多組學研究,并將其與自體產品進行比較,結果表明自體?CAR-T?細胞的代謝適應性受損,異體?CAR-T?細胞的激活水平更高,表明具有更大的抗腫瘤潛力。這些研究也促進了對異基因產物的機制理解,并描繪了“現貨型”?CAR-T?細胞充滿希望的未來。
單細胞技術的進步極大地促進了 TME 中腫瘤和免疫細胞之間細胞表型和狀態的顯著多樣性的探索,擴大了我們在免疫腫瘤學領域的集體知識。解釋單細胞多組學數據的分析算法的并行改進,支持了單細胞技術的重要進展。進一步應用單細胞技術來研究?CAR-T?細胞治療的各個方面可能會提供豐富和高分辨率的信息,為治療策略提供臨床相關的見解,以最大限度地實現持久緩解的潛力。此外,空間分析技術使原位細胞表征和空間保存的組織切片映射成為可能。雖然尚未用于研究?CAR-T?細胞治療,但空間轉錄組學和蛋白質組學已用于研究免疫檢查點抑制劑治療背景下腫瘤細胞和浸潤免疫細胞之間的相互作用,以探索細胞定位的臨床相關性。單細胞和空間多組學技術的這些進展在解剖細胞成分及其細胞間連接方面顯示出了前景,為克服有效治療靶向障礙提供了機會,包括免疫逃避和?CAR-T?細胞的免疫抑制。
通過多組學數據集成利用有價值的多維資源,對于闡明治療過程中細胞的進化和轉變也具有重要意義。例如,結合 RNA-seq、CITE-seq 和單細胞 ATAC-seq 數據已被用于跟蹤?CAR-T?細胞長期持久性的分子決定因素。此外,整合來自多個研究的組學數據可以獲得更大的樣本量,從而可能導致以前在樣本量相對較小的研究中被低估的重要生物過程或特征的新發現。為此,需要進一步優化組學數據整合的計算框架,以便在?CAR-T?細胞治療領域及未來的研究中充分利用多組學數據。
參考文獻:Yang, J., Chen, Y., Jing, Y. et al. Advancing CAR T cell therapy through the use of multidimensional omics data. Nat Rev Clin Oncol (2023). https://doi.org/10.1038/s41571-023-00729-2

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