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Vol. 34 No.4
Dec. 31 2018
中華民國一○七年十二月三十一日出版

基因療法的新藍海:CAR-T


嘉義基督教醫院藥劑科藥師 許育瑋、蔡佩芬

摘要

2017年下半年,美國 FDA 核准了首個稱為「嵌合抗原受體T細胞」(chimeric antigen receptor T cell, CAR-T) 的新一代基因療法。CAR-T 細胞不需經過原本複雜的T細胞活化程序,與目標抗原結合後可以直接產生T細胞活化的效果,達到毒殺腫瘤細胞的目的。CAR-T 療法目前核准用於經治療無效或復發的急性淋巴性白血病及淋巴瘤。而包含固態腫瘤在內的 CAR-T 研究正如火如荼的進行中,期待未來能有更進一步的發展。

關鍵字: 嵌合抗原受體T細胞、CAR-T、chimeric antigen receptor T cell、ALL、NHL

壹、前言

美國食品藥物管理局 (Food and Drug Administration, FDA) 在2017年8月30日,核准了新一代的基因療法 Kymriah (tisagenlecleucel),用於治療25歲以下難治型或復發型的B細胞急性淋巴性白血病。1個多月後,FDA 再核准了另一個基因療法 Yescarta (axicabtagene ciloleucel),用於治療至少接受過2種其他治療無效後或復發的特定類型大B細胞淋巴瘤成人患者。這2種基因療法都是一種稱為「嵌合抗原受體T細胞」(chimeric antigen receptor T cell, CAR-T) 的技術,自發展初期就已經引起全世界的矚目,而其正式的核准上市,更是開啟免疫療法在癌症治療的新藍海。

貳、CAR-T 的機轉與演變

一、CAR-T 的作用機轉

T細胞在細胞性免疫反應上扮演了重要的角色,而T細胞的活化需透過2個訊息步驟才能完成。首先,T細胞的免疫反應是由抗原呈現細胞 (antigen presenting cells, APC) 攝入外生性或正在、已經死亡的抗原 (如:癌細胞) 而開始啟動,APC 接著會將攝入的抗原經過處理 (process),並在其表面的主要組織相容性複合物 (major histocompatibility complex, MHC) 進行抗原呈現 (antigen presentation) 作用。接著受到成熟免疫刺激的樹突狀細胞會移動至淋巴結,將 MHC 上的抗原呈現給初始 (naïve) T細胞,並與初始T細胞上的T細胞接受體 (T cell receptor, TCR) 結合,形成第1個作用訊息。接著樹突狀細胞上 B7共同刺激分子 (co-stimulatory molecules) 的表現也會增加,並與T細胞上的 CD28接受體結合,形成第2個作用訊息,此時初始T細胞即會完全活化1

所謂的 CAR-T 細胞則是利用以病毒為載體的基因轉移技術,將特定的抗原結合區域嵌合至T淋巴球上,使T細胞可以辨識並結合至特定的腫瘤相關抗原。結構上包含連結至細胞膜內訊息傳遞區段的胜肽或蛋白質,通常是T細胞接受體的 CD3ζ2,以及細胞膜外可以活化細胞內T細胞接受體 (TCR) 的單鏈變異區片段 (single chain variable fragment, scFv)。CAR-T 細胞可以透過此區域辨識目標抗原,進而使T細胞不需經過 APC 的處理,以及 MHC 的呈現作用而直接活化 (圖一)3-5,並釋放溶解性分子、穿孔素、顆粒酶 (granzyme) 等介質來殺死腫瘤細胞6。換言之,CAR-T 細胞利用細胞膜外的抗原結合區域來辨識特定癌細胞上的抗原,並利用膜內的訊息傳遞區段直接”啟動T細胞的活化。

 

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圖一 CAR-T 的組成結構3

 

二、CAR-T 的演變

第一代 CAR-T 一般使用可以提供T細胞活化訊息1的 CD3ζ 訊息傳遞鏈 (圖二)2-5,7在體外研究中可以有效的辨別及消滅癌細胞,但在人體上的臨床效果有限,可能是移植的T細胞缺乏活化誘導細胞凋亡或長期的增值與生存能力2,7,8。第二代的 CAR-T 則以第一代的結構為基礎,加上了稱為訊息2的共同刺激訊息區域,因此同一個接受體可以提供訊息1及訊息2以完整的活化T細胞。第二代的 CAR-T 除了對 CD19有專一性外,亦包含了 CD3ζ 及 CD28、4-1BB 等訊息傳遞官能基 (moiety),可以增加T細胞的存活與增殖力 (圖二)2,4,7。在體外的研究發現,CD28可以提升 CAR-T 細胞的毒殺能力,而4-1BB 則可使 CAR-T 細胞的存活能力增強8,這類的第二代 CAR-T 是目前應用最廣泛與最成熟的技術。

 

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圖二 CAR-T 的演變3

 

第三代的 CAR-T 則包含 CD3ζ及2個共同刺激區域 (如:CD28、4-1BB 或 OX40 (CD134)(圖二)。第三代的 CAR-T 有更佳的活性、增殖與腫瘤溶解能力,因活化引起的細胞死亡也較低2,4。不過第三代 CAR-T 的療效尚未確立,療效可能不是更好就是更差,因為這種三合一訊息傳遞區域的協同效果,可能會將 CAR-T 活化的閾值降低,甚至在沒有接觸抗原時就活化4。第四代的 CAR-T 細胞又稱為 CAR T cells redirected for universal cytokine killing (TRUCKs),會釋出細胞激素 (如:IL-12) 或表現共同刺激配體 (co-stimulatory ligand)(如:4-1BB-L、CD40-L 及 IL-15、IL-7、IL-21)(圖二),除可以恢復及活化免疫反應外,亦可以增加 CAR-T 細胞的增值及壽命,同時增加腫瘤的浸潤能力3,4。這類第三代和第四代 CAR-T 相關的研究都仍在進行中。

三、CAR-T 的製作與使用流程

CAR-T 療法一開始必須先收集並分離病人上富含T細胞的周邊血液單核細胞 (peripheral blood mononuclear cells, PBMC),血液的分離需要1-2天,接著分離的成品會進行冷凍,等待進行體外的基因轉移與增殖。PBMC 解凍後T細胞會活化並被篩選出來,接著再用具 CAR 結構的反轉錄病毒性載體 (retroviral/lentiviral vector) 進行修飾,再利用 CD3及 CD28共同刺激T細胞使其增殖1000倍。最後的成品包含具 CD4及 CD8的T細胞,以及調節性及記憶性T細胞。CAR-T 細胞最後會一次或分次在1-2天內輸注回原本的病人上 (圖三)3,5。病人在輸注過程通常需要住院5-10天,以利觀察是否出現相關毒性3。在 CAR-T 細胞輸注前,病人通常會接受化療以進行淋巴細胞清除 (lymphodepletion),以增加未來 CAR-T 細胞在體內的增殖及存活能力5。CAR-T 細胞在體內可以增值約100-10000倍並存活約1年,只有極少數的病人可以存活更久3,6

 

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圖三 CAR-T 細胞的製作流程5

 

參、CAR-T 的臨床成果

CD19是B細胞發展初期所表現的特定蛋白,CD19的轉錄只會侷限在B細胞家族上,而不會表現在其他如正常的骨髓、紅血球、巨核細胞或骨髓前驅細胞等血液譜系上。加上幾乎所有的早期B細胞腫瘤都會表現中到高度的 CD196。因此目前以 CD19為作用標的 CAR-T 療法,特別在像是急性淋巴性白血病及淋巴瘤這些在B細胞上會表現 CD19的血液惡性腫瘤,已經有讓人驚豔的成果。

一、 急性淋巴性白血病 (Acute lymphoblastic leukemia, ALL) 與 tisagenlecleucel (Kymriah)

在共63位頑固型及復發型B細胞急性淋巴性白血病幼兒及年輕人的第二期臨床研究中;以 tisagenlecleucel (Kymriah) 治療3個月後的整體緩解率 (overall remission rate) 為82.5%(95% CI:70.9, 91.0)(n = 52),其中完全緩解 (complete remission) 率為63%(n = 40),完全緩解但伴有血液學復原不全 (incomplete hematologic recovery) 的比例則為19%;所有有反應的病人都沒有微量殘存疾病 (minimal residual disease, MRD)9

二、 非何杰金氏淋巴瘤 (Non-Hodgkin's Lymphoma, NHL) 與 axicabtagene ciloleucel (Yescarta)

在多數為復發型且需第2線藥物治療的非何杰金氏淋巴瘤第二期臨床研究 (n = 101)中,以 axicabtagene ciloleucel (Yescarta) 治療後,客觀反應率 (objective response rate)為72%,完全反應 (complete response) 率為51%(95%信賴區間:41, 62),出現反應的中位時間為0.9個月。若進一步以意圖治療分析法 (ITT) 分析,則客觀反應率 (objective response rate) 為66%,完全反應 (complete response) 率為47%(95% CI:37, 57)10

三、固態腫瘤

基於在B細胞血液腫瘤的成功,CAR-T 療法在其他腫瘤的研究也密集的進行中 (圖四)。可惜的是,CAR-T 療法在固態腫瘤的表現不如在血液腫瘤的成效,有幾個可能的原因:(一)血液腫瘤在體內會到處移動,而固態腫瘤在早期只會固定在某一個區域;(二)血液腫瘤標的抗原的單一性及表現的一致性通常較高,而固態腫瘤的抗原表現則比較多變;(三)固態腫瘤多會產生具免疫抑制的腫瘤微環境,避免T細胞移動至腫瘤周圍。除了這些因素外,CAR-T 細胞在血液中如何經由正確的化學趨化訊息 (chemotactic signals) 而到達腫瘤亦是另一個需要克服的問題,因為固態腫瘤會藉由分泌化學激素或以物理屏障等方式干擾T細胞接近腫瘤。再者,CAR-T 的副作用也是應用在固態腫瘤時必須面對的挑戰;因為除了腫瘤外,CAR-T 細胞也會攻擊如心臟、肺臟、肝臟等表現相同目標抗原的器官11

 

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圖四 與 CAR-T 細胞有關的研究12

 

肆、CAR-T 的副作用

當 CAR-T 療法被廣泛應用時,如何與傳統化療、單株抗體、小分子標靶治療的毒性進行區分,是新療法應用時另一個很重要的問題。CAR-T 治療最主要的毒性為精準但錯靶 ('on-target, off-tumour) 毒性、細胞激素釋放症候群 (cytokine release syndrome, CRS) 及神經毒性8。若目標抗原表現在非腫瘤細胞的其他器官時,CAR-T 細胞療法可能會出現精準但錯靶的情況,治療時可能出現嚴重甚至致命的毒性,是 CAR-T 在臨床應用上需面臨的一大挑戰13

CRS 是 CAR-T 細胞在體內活化及增殖,造成細胞激素升高所引起的全身性發炎反應,通常會在 CAR-T 細胞輸注後的1-14天內發生5。通常會出現發燒、不適、食慾缺乏、肌痛,同時也可能影響其他的器官13。一開始會出現如流感般的症狀,特別會在短時間內出現至40.5℃ 的高燒。即便有相關治療的介入,仍有可能惡化至威脅生命的低血壓、呼吸困難及器官衰竭5。依據嚴重度不同,CRS 可能僅需要解熱藥物及輸液的支持性治療,也可能需要抗細胞激素 (如:tocilizumab) 或類固醇的治療介入;不過因為類固醇會抑制T細胞的功能及引起T細胞的凋亡,因此不適合用於輕度的 CRS,以及使用在 CAR-T 輸注後的其他適應症上8,13。目前已知 CAR-T 細胞輸注前的疾病負擔 (disease burden),以及在開始輸注T細胞3天內即出現 CRS 的病人,是發生嚴重 CRS 的重要預測因子5,13

神經毒性通常會在 CAR-T 輸注後的前幾周後伴隨著 CRS 或在 CRS 後發生,發生的原因仍不是非常明確,會出現包含癲癇、腦病變、失語 (aphasia)、瞻妄、頭痛等症狀5,14。若病人在治療前有內皮細胞活化的情況,輸注 CAR-T 細胞後發生神經毒性的風險將大幅增加。另外若病人有較高的疾病負擔 (disease burden),或於 CAR-T 細胞輸注初期即發生 CRS,後續發生嚴重神經毒性的風險也相對較高15

伍、CAR-T 未來的挑戰與發展

儘管 CAR-T 療法在B細胞血液腫瘤有不錯的成效,但仍有許多要面臨的挑戰。首先,雖然 CD19在 ALL 及 NHL 有高度表現,但許多病人仍對以 CD19為標的的治療無效;也曾有少數一開始有反應的病人在治療後仍出現復發。可能是體內的 CAR-T 細胞缺乏存活的能力,也可能是腫瘤細胞上目標抗原 CD19消失;估計約有20%的病人可能發生抗原陰性型復發的情況14

再者,目前 CAR-T 療法的成功還沒有辦法複製到其他的腫瘤上,有幾個因素:一、除了 CD19外如何再找出其他目標抗原以增加 CAR 療法的療效及安全性,仍是目前 CAR 設計上困難且重要的問題;二、固態腫瘤會表現具免疫抑制的腫瘤微環境,會降低 CAR-T 細胞的存活及效果;三、CAR 調節的抗原選擇性壓力 (CAR-mediated selective antigen pressure),會增加抗原陰性腫瘤細胞的逃避及存活,導致腫瘤的復發;四、CAR-T 的毒性仍然是廣泛應用時重要的問題;五、CAR-T 細胞需量身訂做、耗時及昂貴使得其無法快速量產4。換言之,CAR-T 療法雖然大有前景,但仍有許多尚待釐清與解決的問題。

陸、結論

CAR-T 治療在B細胞惡性腫瘤上已有明顯的效果,雖然 CAR-T 療法目前還無法取代化療成為標準療法;然而,對於某些像是復發型或是頑固型白血病等沒有其他治療選擇的病人,CAR-T 療法仍是備受期待的治療選擇。但特殊且耗時的製作過程、高額的費用、是否有更適當的抗原,以及如何廣泛應用到其他腫瘤等問題仍是未來仍需克服的挑戰。

 

 

A New Blue Ocean of Gene Therapy: CAR-T

Yu-Wei Hsu, Pei-Fen Tsai
Department of Pharmacy, Ditmanson Medical Foundation Chia-Yi Christian Hospital

Abstract

At the second half year of 2017, U.S. FDA approved first gene therapy which called “chimeric antigen receptor T cell”(CAR-T). After binding to target antigen, CAR-T cells resulting in T cell activation independent of APC processing and MHC presentation. CAR-T therapy is indicated on refractory or relapsed acute lymphoblastic leukemia and certain types of non-Hodgkin lymphoma which highly represent CD19 on B cell surface. Large number of CAR-T cell clinical trial against other tumors are ongoing, further improvement on cancer treatment may benefit to more cancer patients respectively.

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