CAR-T和TCR-T免疫療法識(shí)別腫瘤的機(jī)制及區(qū)別

文章來(lái)源公眾號(hào)：生物快評(píng)               作者：sw​

CAR-T，Chimeric Antigen Receptor (CAR) T-Cell，全稱為嵌合抗原受體T細(xì)胞免疫療法，是一種革命性的癌癥治療方法，屬于細(xì)胞免疫治療和精準(zhǔn)醫(yī)療的范疇。它被譽(yù)為是“活的藥物”。那么這個(gè)“嵌合抗原受體”怎么去理解，是按照“嵌合，抗原受體”去理解還是按照“嵌合抗原，受體”去理解呢？

CAR-T的CAR的指的T細(xì)胞上的受體，從N端到C端分別是scFV，即結(jié)合抗原的部分，來(lái)源是抗體分子的結(jié)合部分，然后是鏈接端（spacer），最后是胞內(nèi)的分子，所以我們可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)CAR由3段蛋白結(jié)構(gòu)域串聯(lián)而成，而不是“自然存在的蛋白分子”，這種人工“手搓”起來(lái)的分子叫做嵌合的抗原受體，簡(jiǎn)稱“嵌合抗原受體”。

• T細(xì)胞識(shí)別腫瘤的背后邏輯

我們知道T細(xì)胞、B細(xì)胞是我們?nèi)梭w的重要的免疫細(xì)胞，T細(xì)胞是負(fù)責(zé)殺傷腫瘤、病毒感染的細(xì)胞等作用。

• T細(xì)胞受體，T-Cell Receptor (TCR)

那么T細(xì)胞怎么去識(shí)別腫瘤呢？很好理解T細(xì)胞依靠的自身的受體去識(shí)別，這種受體是叫做T-Cell Receptor (TCR)。同時(shí)我們知道腫瘤、細(xì)菌、病毒等分子在蛋白質(zhì)上存在各種差異，并且這種差異的數(shù)目是“海量、天量的”，TCR是怎么識(shí)別“海量、天量的”外源、異源分子呢？

打敗魔法的必須也是魔法，“海量”的異源分子就需要用“天量”的TCR受體去識(shí)別。我們看下面這張圖：第一排位基因組上TCR的元件分子，有紅色的V區(qū)（可變區(qū)）、綠色的D區(qū)（多樣性區(qū)域）、黃色J區(qū)（鉸鏈區(qū)），藍(lán)色C（恒定區(qū)）。基因組上每個(gè)區(qū)域的元件都有好多種備份，那么每一個(gè)T細(xì)胞成熟過(guò)程中，都會(huì)在V、D、J中隨機(jī)抽取一個(gè)完成VDJ重排，然后C區(qū)位統(tǒng)一不變的部分。那么這種大自然“手搓”的分子叫做TCRα，另一條大自然“手搓”的類似分子叫做TCRβ。兩者在T細(xì)胞膜上組合為TCR受體（α、β）。

學(xué)過(guò)高中概率與統(tǒng)計(jì)中的古典概率學(xué)中的“排除組合問(wèn)題”，我們可以知道TCRα的理論數(shù)目是V區(qū)元件數(shù)目乘以D區(qū)元件數(shù)目，再乘以J區(qū)元件數(shù)目，然后同理TCRβ。所以我們就可以得到天量的TCR受體，且每個(gè)T細(xì)胞上僅有一種唯一的TCRα/β。

• CD3-TCR復(fù)合物

剛才我們已經(jīng)解決了多樣性的問(wèn)題，那么單靠TCR分子結(jié)構(gòu)，還無(wú)法完成胞外到胞內(nèi)的信號(hào)傳導(dǎo)，還需要TCR和其他的復(fù)合物形成“TCR復(fù)合物”才可以完整發(fā)揮功能。這個(gè)復(fù)合物叫做“CD3-TCR復(fù)合物”。

https://en.wikipedia.org/wiki/CD3_%28immunology%29

CD3-TCR復(fù)合物，中間的α、β是叫做TCRα、TCRβ，其余的γ、δ、ε和ζ分別是叫做CD3γ, CD3δ、CD3ε和CD3ζ。CD3的分子沒(méi)有多樣性。

那么CD3-TCR分別怎么識(shí)別腫瘤分子的呢？

Cells 2021, 10(9), 2379; https://doi.org/10.3390/cells10092379

TCR識(shí)別的是其他細(xì)胞（抗原呈遞細(xì)胞）通過(guò)HLA-I分子呈遞的“腫瘤多肽“分子。那么這里面就有一個(gè)核心問(wèn)題：腫瘤分子是什么，比如某個(gè)腫瘤細(xì)胞因?yàn)橥蛔儺a(chǎn)生了一個(gè)突變的蛋白質(zhì)，但是這個(gè)蛋白質(zhì)并不會(huì)變化太多，可能僅僅某1-2個(gè)氨基酸和正常蛋白質(zhì)不同，那么HLA-I怎么能夠呈遞這些分子呢？

• 人類白細(xì)胞抗原I類分子

HLA-I分子，The human leukocyte antigen (HLA) ，全稱為人類白細(xì)胞抗原I類分子，是存在于人體幾乎所有有核細(xì)胞表面的一種至關(guān)重要的蛋白質(zhì)復(fù)合物。它是主要組織相容性復(fù)合體在人類身上的特定名稱，因此也常被稱為 MHC-I 類分子（ (Major Histocompatibility Complex class I）。

https://www.10xgenomics.com/blog/more-complete-hla-analysis

HLA-I分子共有三個(gè)經(jīng)典的分子，即HLA-A, HLA-B, HLA-C，但是他們沒(méi)有什么多樣性，每個(gè)人的細(xì)胞上同時(shí)只有這三個(gè)分子。這三個(gè)HLA-A,B,或者C，均和B2M形成復(fù)合物。

Frontiers in Immunology DOI:10.3389/fimmu.2016.00030

MHC-I分子，MHC-I和B2M形成MHC-I:B2M復(fù)合物。這里的槽子中間（α1、α2）會(huì)呈遞出“腫瘤多肽”。實(shí)際上上這個(gè)多肽不是僅僅腫瘤多肽，而是細(xì)胞中的一切可能得、可以被呈遞的多肽，如果呈遞的是自家蛋白質(zhì)的部分肽，那么就忽視。如果是呈遞了非自己的多肽，那么T細(xì)胞就“激動(dòng)”起來(lái)了。

Bailey, A., Dalchau, N., Carter, R. et al. Selector function of MHC I molecules is determined by protein plasticity. Sci Rep 5, 14928 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14928

HLA-I:B2M呈遞多肽依靠的也是物理作用，比如這里的HLA-I形成的槽子（有兩個(gè)α螺旋和一些β sheet形成），這個(gè)槽子只是一些滿足槽子結(jié)構(gòu)的氨基酸可以牟定在這個(gè)槽子中。比如這里所示的紅色的氨基酸“躺在”黃色的槽子里。

• HLA-I呈遞抗原的背后之路：來(lái)吧！展示

Front. Immunol.,doi.org/10.3389/fimmu.2021.636568

體內(nèi)蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)泛素化降解途徑形成短肽，短肽隨機(jī)被運(yùn)輸?shù)紼R內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，然后多肽在ERAP裁剪為統(tǒng)一長(zhǎng)度，然后在ER中加載到HLA-I：B2M復(fù)合物中，最后多肽:HLA-I:B2M三元復(fù)合物經(jīng)過(guò)高爾基體運(yùn)輸?shù)桨�外，展示自己的�?nèi)心，向T細(xì)胞表忠心，好像在說(shuō)：你快過(guò)來(lái)看看，我還純粹嗎？”

T細(xì)胞拿著大棒子，來(lái)核查這些細(xì)胞是否都是呈遞自家的原件，如果不是，那么就要被T細(xì)胞消滅。

http://dx.doi.org/10.1016/j.it.2016.08.010

因?yàn)榧?xì)胞上僅有3個(gè)HLA-I分子，即HLA-A、HLA-B和HLA-C。那么是否呈遞的多肽僅有3個(gè)呢？實(shí)際上HLA-A呈遞的分子是“簡(jiǎn)并性”的，意思就是滿足一定條件的多肽，都會(huì)被呈遞，所以呈遞的多肽實(shí)際上是非常多的。但是是否還是天量的呢？可能不如TCR種類多。可能進(jìn)化上夠用了，湊合著過(guò)吧，細(xì)胞就這樣處理了。

但是我們要認(rèn)識(shí)到，雖然每個(gè)人僅有3個(gè)HLA-I經(jīng)典分子，但是人群中HLA-A、B和HLA-C具有非常大的多樣性。一般來(lái)說(shuō)，人體內(nèi)的蛋白編碼基因都差不多功能，氨基酸序列類上非常相似，比如GAPDH蛋白在美國(guó)人、高加索人和藏區(qū)人民細(xì)胞中幾乎一模一樣。但是HLA-I就不是這樣邏輯了，比如你的HLA-A和我的HLA-A大概率是存在差異，那么我們呈遞的多肽可能就有差異，這個(gè)差異還不算小，甚至你和你媽的HLA-A都只有一半一模一樣。進(jìn)化上這樣做的結(jié)果就是：我們?nèi)豪镏锌梢缘挚沟募膊�、�?xì)菌、病毒的概率增大了，如此高的多樣性確保了整個(gè)種群在面對(duì)不斷變異的病原體時(shí)，總有一部分個(gè)體的HLA能夠呈遞病原體的肽，從而啟動(dòng)免疫應(yīng)答，避免整個(gè)種群被一種病原體毀滅。通過(guò)“人類命運(yùn)共同體”我們地球人功能抵抗外界環(huán)境。

這些HLA-A\B\C的序列到底有多少中呢？有興趣的可以到這里來(lái)看看IPD-IMGT/HLA（https://www.ebi.ac.uk/ipd/imgt/hla/。）

因?yàn)镠LA-I在人群中的多樣性，導(dǎo)致了優(yōu)勢(shì)就是我們地球人的抗風(fēng)險(xiǎn)能力增強(qiáng)了，壞處就是“我們不一樣了”，比如器官移植的時(shí)候，我們會(huì)互相排斥。移植排斥反應(yīng)的本質(zhì)就是受體的免疫系統(tǒng)識(shí)別了供體細(xì)胞的“外來(lái)”HLA，并發(fā)起攻擊。因此，移植前必須進(jìn)行HLA配型，匹配度越高，移植成功率越高。

• TCR-T殺傷腫瘤細(xì)胞的原理

Cancers 2025, 17(12), 1945; https://doi.org/10.3390/cancers17121945

天然的T細(xì)胞可以識(shí)別腫瘤的叫做CTL(Cytotoxic T Lymphocyte)，它是天然的TCR受體。如果這個(gè)CTL在腫瘤部位，那就是相對(duì)于這些CTL已經(jīng)可以成功識(shí)別腫瘤了，這些CTL一般叫做TIL(Tumor-infiltrating lymphocytes (TILs))。

我們?cè)購(gòu)?qiáng)調(diào)了點(diǎn)：就是TCR識(shí)別HLA-I:B2M:peptide三元復(fù)合物，這個(gè)TCR是需要識(shí)別HLA-I:peptide的，意思就是TCR需要識(shí)別HLA-I也要識(shí)別peptide，且兩者是關(guān)聯(lián)的狀態(tài)下。

如果某些情況下，我們知道一個(gè)腫瘤發(fā)生的時(shí)候，它展現(xiàn)的多肽和對(duì)應(yīng)的HLA-I分子，但是我們體內(nèi)的T細(xì)胞缺少識(shí)別它的TCR。那么我們就可以抽出T細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)一個(gè)TCR序列進(jìn)入T細(xì)胞，重新武裝的T細(xì)胞表達(dá)了TCR，它就叫做TCR-T。經(jīng)過(guò)上面的介紹，一般我們轉(zhuǎn)導(dǎo)TCRα，β兩個(gè)基因進(jìn)入T細(xì)胞，然后把內(nèi)源的TCRαβ敲除，目的是為了減少內(nèi)源和外源兩套TCR分子錯(cuò)配。因?yàn)門CR需要識(shí)別HLA-I：peptide復(fù)合物。如果我們鑒定到了一個(gè)腫瘤抗原和HLA-I的復(fù)合物關(guān)系，那么我們也找到了一個(gè)TCR能夠識(shí)別，在真實(shí)的產(chǎn)品中，我們需要對(duì)病人進(jìn)行腫瘤抗原鑒定和對(duì)他們的HLA-I進(jìn)行鑒定，如果兩個(gè)夠匹配，才可以使用轉(zhuǎn)染這個(gè)外源TCR，得到TCR-T。

比如這里6G4是一個(gè)鑒定出來(lái)的TCR的代號(hào)，它識(shí)別多肽LTQDLVQEKYLEY，這個(gè)多肽需要由HLA-A*01:01展示，這個(gè)多肽是MAGE-A1基因的部分多肽。這個(gè)MAGE-A1 是最早被發(fā)現(xiàn)的癌睪抗原之一。它是一個(gè)非常特殊的分子，該基因在成人除睪丸和胎盤以外的所有健康組織中完全沉默。由于睪丸和胎盤是免疫豁免器官，不表達(dá)MHC I類分子，因此細(xì)胞毒性T細(xì)胞無(wú)法接觸到這些抗原。在腫瘤中：這些基因被異常激活，在多種類型的癌細(xì)胞中高表達(dá)。因此，MAGE-A1可以被免疫系統(tǒng)視為一個(gè) “非己” 的信號(hào)，成為一個(gè)理想的免疫攻擊靶點(diǎn)。

一般情況下TCR-T很難做出通用性的TCR-T。背后的原因在外源和內(nèi)源的TCR會(huì)錯(cuò)配，那么就要把內(nèi)源TCR敲除（避免異體的天然T細(xì)胞對(duì)患者細(xì)胞攻擊），然后轉(zhuǎn)導(dǎo)外源的TCR（用于識(shí)別腫瘤抗原）。但是我們無(wú)法100% 敲除內(nèi)源TCR，所以總有一點(diǎn)點(diǎn)TCR殘留，那么殘留的TCR和外源的TCR都會(huì)和CD3形成復(fù)合物，就算通過(guò)CD3分選也難以成功，而殘留的TCR-CD3復(fù)合物很少比例下都會(huì)產(chǎn)生排斥作用。

所以為了克服這個(gè)問(wèn)題，也有一些公司開(kāi)始開(kāi)放TCR蛋白，讓TCR蛋白在體內(nèi)結(jié)構(gòu)在T上形成瞬時(shí)的TCR-T。

• CAR-T繞開(kāi)了HLA-I的限制

因?yàn)镠LA-I必須和多肽形成復(fù)合物，且有配對(duì)關(guān)系，TCR才能識(shí)別。CAR-T就是將抗體的識(shí)別區(qū)域替換了TCR的序列。然后將CD3的核心分子CD3zeta放在胞內(nèi)端，得到CAR-T。

CAR-T與TCR-T細(xì)胞殺傷的區(qū)別