細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

間充質干細胞、免疫細胞、外泌體源頭實驗室

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前言

 

CAR-T細胞療法在血液瘤治療中已被認為是最先進、最有效的策略之一,然而在實體瘤治療中療效并不顯著。其中一個原因主要是由于抑制性細胞因子、低氧環境和活性氧的存在。使腫瘤周圍形成不利于T細胞的滲透和發揮作用的腫瘤微環境。結合細胞因子的功能優勢,靶向腫瘤細胞的第四代CAR結構已經被開發出來并額外釋放有助于T細胞發揮作用的細胞因子。CAR-T細胞發揮作用過程中,細胞因子在免疫細胞的激活、擴增和亞群的極化中起著關鍵作用

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因此本篇文章主要對細胞因子對CAR-T細胞功能的影響、在CAR-T生產過程中的應用及臨床效果進行討論。強調了細胞因子在細胞治療中的重要性。

作者 |?Discovery
細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用
細胞因子對CAR-T細胞功能的影響
腫瘤是一種復雜的組織,除含有腫瘤細胞外,還含有內皮細胞、周細胞、炎癥細胞、成纖維細胞以及非細胞成分,如細胞因子、脂類介質和細胞外基質。在腫瘤微環境(TME)中,不同的組分能夠通過不同的機制誘導血管生成,促進腫瘤細胞的存活和增殖,并抑制T細胞的抗腫瘤反應。
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腫瘤浸潤性炎癥細胞被腫瘤細胞分泌到腫瘤微環境的細胞因子所吸引,首先,它們通過產生活性氧、分泌促炎細胞因子和介導細胞毒作用,構成了對抗腫瘤的初始防線。然而,當這種促炎環境與TME的慢性炎癥發展相平衡時,會導致局部組織微環境轉變為促進腫瘤生長的狀態。TME細胞利用細胞因子的功能,對免疫細胞的增殖、分化、激活、遷移和存活產生負面影響,構成了一個不利的微環境。因此,細胞因子在調節抗腫瘤反應、細胞轉化和惡性腫瘤的增殖中扮演著重要的角色。

細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖1:腫瘤微環境中細胞因子的動態變化及其在維持免疫抑制表型中的作用
1.1
IL-2 and TGF-β
TGF-β主要由腫瘤微環境中兩種免疫抑制細胞即髓系來源的抑制細胞(MDSCs)和調節性T細胞(Tregs)分泌,誘導促腫瘤反應。Tregs(CD25+Foxp3+)一方面通過分泌TGF-β影響T細胞活性。另一方面通過募集IL-2限制腫瘤微環境中效應性T細胞的擴增。在體內,TGF-β通過抑制穿孔素、顆粒酶和干擾素-γ的表達等多種機制,使CD8+和CD4+T細胞增殖和細胞毒T細胞活性的下調。因此抑制TGF-β在免疫微環境中的抑制作用,對CAR-T細胞發揮高效作用具有重要意義。目前溶瘤腺病毒表達TGF-β受體II-Fc融合蛋白與CAR-T聯合治療乳腺癌模型中已展現加強抗腫瘤效果。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用
圖2:溶瘤腺病毒表達TGF-β受體II-Fc融合蛋白與CAR-T聯合治療在乳腺癌模型中效果
1.2?
IL-6

IL-6被認為是腫瘤發生發展過程中的重要細胞因子。研究表明,不同類型癌癥(如黑色素瘤、結直腸癌等)患者血清中的IL-6濃度過高與患者的預后不良有關。一項研究表明,shRNA-IL-6基因敲除的ssCART-19細胞在注入小鼠體內后,導致IFN
-γ、TNF、IL-2和IL-17A細胞因子水平升高,而IL-10和IL-6水平下降,對抑制荷瘤小鼠有明顯的增強效果。但在4周后會在大部分組織器官中出現,因此,說明shRNA-IL-6基因敲除的ssCART-19延長了荷瘤小鼠的存活時間,但具有潛在的免疫毒性。因此,
更好地了解和利用細胞因子在腫瘤的生物發生中的作用,對提高CAR-T細胞的治療效果,變得越來越重要。

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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖3:shRNA-IL-6基因敲除的ssCART-19細胞注入小鼠體內細胞因子變化

1.3?
IFN-γ

干擾素-?是一種有效的促炎劑,除了刺激促炎巨噬細胞和誘導Treg細胞凋亡外,它還對腫瘤細胞具有細胞抑制、抗增殖和促凋亡作用,在細胞免疫和抗腫瘤反應中發揮重要作用。干擾素-?的主要來源是天然免疫細胞、NK細胞和NKT細胞以及獲得性免疫細胞、CD4+CD8+T細胞。IFN-γ除具有抗腫瘤作用,也可以幫助腫瘤逃脫免疫監視,據報道肝癌、乳腺癌和黑色素瘤模型表明,長期低劑量干擾素?可導致腫瘤生長,并誘導與T細胞活性障礙有關的分子PD-L1、PD-L2、CTLA-4和Foxp3的表達。結合IFN-γ的作用,文獻報道了IL-6/IFN-γ雙敲除CAR-T細胞在體外可減少PBMC釋放多種細胞因子,為臨床應用提供了一種有希望的策略。

細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖4:IFN-γ逃脫免疫監視作用,促進PD-L1等表達

細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用
細胞因子調動T細胞實現雙重殺傷
最近,帶有啟動T細胞殺傷的細胞因子的新一代CAR-T細胞被開發出來。這些CAR-T細胞被修飾細胞因子生產盒(可誘導的)。CAR-T細胞的細胞毒性與細胞因子的原位傳遞聯系起來,增強CD8+T細胞的細胞毒作用,繞過腫瘤微環境,更好的調節免疫系統。
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最初Chmielewski等人設計了癌胚抗原(CEA)特異性的CAR,并修飾表達IL-12分別在體外和體內模型中驗證,結果表明CAR-T細胞分泌IL-12后產生更大的炎癥反應,提高T細胞的激活,并招募額外的免疫細胞,如抗腫瘤巨噬細胞到腫瘤微環境,顯著提高抗腫瘤反應。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖5:CAR-T細胞分泌IL-12后顯著提高抗腫瘤反應
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同時,在具有高度免疫抑制腫瘤環境的卵巢癌中,Koneru等發現,CAR-T細胞經修飾表達IL-12后在體外能更好的抑制卵巢癌細胞的增殖并且干擾素-γ的分泌增加。在體內注射后,小鼠存活率明顯提升,干擾素-γ分泌增加,顯示出更強的抗腫瘤效果。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖6:IL-12修飾的CAR-T細胞在體內分泌IFN-γ等細胞因子增加并對腫瘤清除有促進作用
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此外CAR-T細胞修飾表達IL-7、IL-15、IL-18、IL-22和IL-23等細胞因子也在研究當中,以及多種細胞因子共表達目前也備受關注。巴特拉等在肝癌模型中分別以及聯合檢測CAR-T細胞修飾表達細胞因子IL-15和IL-21的效果。結果表明,共表達IL-15和IL-21的CAR-T細胞可以有效的對抗腫瘤細胞。聯合表達也表現出使CAR-T細胞維持長的存活時間,并且可以維持T細胞因子-1 (TCF-1)的表達,促進T細胞發育和存活。總體而言,CAR-T細胞中融合表達細胞因子會調節腫瘤微環境,招募免疫系統中的其他免疫細胞,促進CAR-T細胞具有更好的持久性和有效性。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用
細胞因子
CAR-T細胞制造過程中的作用
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CAR-T細胞制造平臺包括四個步驟,細胞因子在最終產品的質量和功能中起著核心作用。1. T細胞的分離和富集。CD3+T細胞通常從外周血單個核細胞(PBMC)中獲得或者從白細胞分離中獲得,并通過淋巴細胞分離液離心法進一步分離。2.具體亞型T細胞富集。使用諸如CD3+、CD4+、CD8+、CD25+的磁珠來實現對特定T細胞亞群的富集,也可通過選擇或去除PBMC內的特定T細胞類型,使特定T細胞擴增,并以固定的CD4:CD8比率得到最終的細胞產物。3. 基因轉移系統。通常是通過病毒載體將相應的遺傳信息轉移到T細胞,介導T細胞表面CAR的表達。基于病毒的基因傳遞系統是常用的基因傳遞系統,它們可以達到很高的轉導效率。4.擴增CAR-T細胞。通過體內培養方法擴增,最后的細胞產品經過工藝末期配方并進行超低溫保存。

細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖7:CAR-T細胞生產過程
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細胞因子對生產CAR-T細胞的T細胞的激活、擴增和質量控制起著重要作用。富集的T細胞在特定的培養基中培養,通常添加IL-2、IL-7、IL-15和IL-21等重要的細胞因子,最常用的兩種CAR-T細胞產生策略是基于IL-2或IL-7細胞因子。正如上文所提到的,IL-2通過上調穿孔素、顆粒酶B和干擾素-γ促進終末效應T細胞的增殖和分化,并抑制記憶細胞marker BCL6和IL7RA的表達。因此,IL-2對T細胞培養尤為重要。然而,IL-2也會促進調節性T細胞(Tregs)的擴張,從而抑制CAR-T細胞的抗腫瘤活性。因此IL-2加入的劑要加以摸索。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖8:CAR-T細胞生產過程中細胞因子的相互作用
此外,IL-7、IL-15和IL-21的加入可以減少CAR-T細胞的終末分化,增加記憶干細胞的數量,提高體內持久性。據報道,單獨補充IL-15可以減少耗竭標志物的表達,增加抗凋亡特性,在刺激CAR-T細胞體外擴增、持續存活和腫瘤殺傷方面表現出類似的效果。IL-7/IL-15加入增強CAR-T細胞的激活并產生較少的耗竭marker。CAR-T細胞中加入IL-2或者IL-15會產生更多的促炎因子,在體外表現出較強的腫瘤溶解能力。總之,CAR-T細胞在離體的生產過程中,必須加入特定的細胞因子,目前的研究主要集中于IL-2、IL-7、IL-15和IL-2,但最佳的細胞因子組成以及在CAR-T細胞生成過程中是否加入其他細胞因子要根據患者、腫瘤和臨床情況而定。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

細胞因子釋放綜合征(CRS

CAR-T細胞的使用被認為是一種有效治療腫瘤的方法,但CAR-T細胞注入后的副作用在臨床中也逐漸表現出來。CRS是目前尚未明確闡明的最突出的副作用,根據臨床試驗,接受CAR-T治療的患者中高達90%會出現CRS,一半的患者進展到3-4級,甚至導致死亡。
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出現CRS后,血清細胞因子水平、炎癥標志物普遍升高,同時免疫系統被激活。通常CRS發生在輸液后第1天至第14天之間,臨床表現可能包括發熱、肌肉酸痛、乏力,并可能進展為缺氧、毛細血管滲漏、重要器官功能障礙等,但大多數患者能夠自我抵抗這一反應。然而,少數患者需要使用抗IL-6等進行特異性治療。
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細胞因子在CAR-T治療癌癥中的重要作用

圖9:CAR-T細胞治療的患者中常見的細胞因子分泌機制和動態變化

小結

CAR-T細胞療法已被認為是一種突破性的治療方法在血液瘤患者中,然而,在實體瘤中的應用仍然有限。然而細胞因子已經被證明與涉及CAR-T細胞治療的復雜過程有著重要的聯系,因此在CAR-T細胞的基礎上,融合表達細胞因子或在CAR-T細胞生產工藝過程中加入細胞因子有望突破CAR-T在實體瘤治療中的局限和增強在血液瘤治療中的效果。
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