原創 huacishu 圖靈基因 2022-06-19 07:03 發表於江蘇
收錄於合集#前沿分子生物學技術
撰文：huacishu
IF=84.694
推薦度：⭐⭐⭐⭐⭐
亮點：
1、作者首先簡要概述了基於細胞治療的現狀，重點介紹了該領域近期臨床和商業成功的範例；
2、然後，作者介紹了目前正在開發的用於細胞治療套用的各種細胞來源，強調了它們的優勢和局限性；
3、最後，作者強調了未來的發展機遇，並討論了如何進一步擴大細胞治療的臨床和商業範圍。
萊斯大學Omid Veiseh教授課題組在國際知名期刊
Nat Rev Drug Discov
線上發表題為「
Engineering the next generation of cell-based therapeutics
」的論文。基於細胞的療法是一種新興的治療方式，有可能透過獨特並且強大的作用模式治療許多目前難以治愈的疾病，但基於細胞的療法仍然面臨著許多挑戰，包括如何確定適當的細胞來源，如何生產出足夠可行、有效和安全的產品等。這些挑戰正在透過使用由下一代工程方法驅動的前沿基礎研究加以解決，包括基因組和表觀基因組編輯、合成生物學和生物材料的使用。
以細胞為基礎的治療，包括將細胞作為活性藥物來治療疾病，近年來在臨床套用和醫藥市場越來越受到推崇，其中包括利用過繼性細胞移植基因重組T細胞成功治療淋巴癌等。這些突破是建立在數十年基礎研究的基礎上的，它們的成功將許多以前互不相關的基礎生物醫學研究和工程領域聯系起來。盡管生物制劑（包括重組織蛋白和其他細胞衍生生物分子）可以利用大分子的辨識能力來實作高度的靶向特異性，但它們容易產生不利的藥代動力學（PK）和藥效學（PD）特性，從而限制其安全性和有效性。基因療法提供了透過治療性轉基因傳遞（通常透過病毒載體）糾正細胞基因型的前景。然而，基因治療面臨著幾個挑戰，其中包括缺乏對轉基因表現的定位、分布和大小的控制，許多載體的轉基因有效載荷大小的限制，以及由於適應力免疫反應而無法支持重復給藥周期。此外，在最近的基因治療臨床試驗中，存在著重大的安全問題。盡管基於細胞的療法與基因療法有許多相同的缺陷，包括潛在致瘤性的安全性問題和高昂的制造成本，但它們具有獨特的內在特征，有可能提高對疾病的療效。例如，細胞可以在特定的組織自然遷移、定位甚至增殖。因此，利用這些特性的基於細胞的模式在生物分布和靶向傳遞方面具有潛在優勢，不僅優於生物制劑，而且優於基因療法，因為基因療法的取向特異性仍然是一個挑戰。此外，細胞可以主動感知來自小分子、細胞表面標記蛋白的各種外部輸入。因此，基於細胞的療法具有高度復雜的感知和反應功能，可以透過檢測相關的分子線索和提供包括啟用內在反應或治療性轉基因表現在內的多因素輸出反應來動態跟蹤疾病狀態。最後，由於細胞能夠在體記憶體活、消耗營養物質並透過分泌因子的產生影響其外部環境，因此基於細胞的治療可用於維持長期的內源性藥物輸送。盡管人體內幾乎每種類別的細胞（總共約200個）都具有可用於治療的特性，但當代一些最引人註目的臨床成功案例是透過細胞功能的工程化改變實作的。例如，血液系統惡性腫瘤的臨床結果是透過使用嵌合抗原受體（CAR）實作的，嵌合抗原受體是一種引入患者T細胞的工程DNA結構，用於將其細胞毒性重新導向到攜帶CD19（一種B淋巴細胞相關抗原）的腫瘤細胞。盡管針對各種適應癥的細胞治療正在取得進展，但開發新產品仍然是一項艱巨的任務，因為針對特定疾病的治療策略必須克服一系列重大挑戰，才能成功生產出具有臨床和商業可行性的產品（圖1）。
目前正在探索工程學科方面的創新—基因組和表觀基因組編輯、合成生物學和生物材料—以應對細胞治療的重大挑戰。盡管其中一些方法已成功套用，但許多方法仍處於臨床前階段。盡管如此，在使用這些方法改進現有的細胞治療和建立新的細胞治療方面取得了巨大進展。CRISPR和CRISPR相關蛋白（Cas）作為可編程工具在活細胞中設計人類基因組和表觀基因組，推動了細胞治療學的最新進展。CRISPR–Cas系統只需改變相關導向RNA（gRNA）的序列，即可針對特定的基因組位點，這比其他基因組編輯工具更具優勢。最具特征的CRISPR–Cas系統利用源自化膿鏈球菌的Cas9蛋白在人類基因組中產生雙鏈斷裂（DSB）。然而，其他幾個CRISPR–Cas平台也將在臨床上發揮重要作用，包括來源於各種原核生物的新型Cas蛋白和實驗室中設計的Cas蛋白。CRISPR–基於Cas的DSB透過非同源末端連線（NHEJ）、同源定向修復（HDR）（圖2a）或其他相關途徑在人類細胞中透過天然途徑解決。Cas9介導的NHEJ已被用於沈默致病位點、去除有害插入物和賦予對病毒的抗性。在治療性基因組編輯和基於細胞的治療學背景下，早期裏程碑式的研究表明，Cas9介導的NHEJ可用於治療鐮刀狀紅細胞貧血或地中海貧血。此外，NHEJ使用Cas9靶向HIV或人乳頭瘤病毒（HPV）基因組的特定區域的策略在限制這些病毒的傳播方面很有用。盡管利用Cas9介導的NHEJ靶向單基因疾病目前已經在臨床取得一定成果，但近年來旨在同時靶向多個基因的方法也取得了實質性進展（圖2b）。例如，利用同時靶向T細胞受體（TCR）、β2-微球蛋白（β2m）和PD1基因的Cas9 mRNA和gRNAs進行基於CRISPR–Cas9的多重基因組編輯，已與慢病毒載體CAR結合使用，以生成缺乏TCR、HLA I類分子和PD1的CAR-T細胞。重要的是，這些類別的組合策略對於解決細胞治療面臨的一些重大挑戰至關重要，尤其是透過降低自體細胞源的免疫原性和增強工程細胞的活性，從而提高患者的安全性和治療效力。未來，多重基因組編輯技術也可能是建模和治療更復雜疾病的關鍵，其中病理表現來自多個協同作用的位點。多重基因組編輯技術也可能提供新的方法來克服細胞治療學面臨的許多障礙。盡管基於CRISPR–Cas的常規基因組編輯會導致基因組序列的改變，但人類細胞中使用的大多數CRISPR–Cas平台都可以透過簡單的胺基酸替換而失活並使核酸酶無效。這些所謂的失活或dCas系統能夠建立易於編程的合成轉錄因子和染色質修飾物，從而建立了新的表觀基因組編輯領域（圖2c）。表觀基因組編輯策略在重新編程和指導細胞譜系規範以及模擬人類疾病方面非常有用。與傳統的cDNA過度表達相比，基於CRISPRa的譜系轉換策略也會對內源性染色質產生變化，從而提高細胞重編程效率。總的來說，基因組和表觀基因組編輯的結合推動了在人類細胞中創造有利特性和行為的機會（圖2）。如上所述，這些新興的技術進步已經改進了利用人類細胞作為治療手段的方法。在基於細胞的療法面臨巨大挑戰的背景下，基因組和表觀基因組編輯技術可能會加快大量免疫原性有限的細胞的生產，這些細胞還具有強大而穩定的臨床特性和嚴格可控的生存能力。此外，透過利用人類細胞的自然表觀遺傳學程式，基於CRISPR–Cas的表觀基因組編輯可能會促進治療性轉基因或內源性生物分子的可調控制和可預測的輸出。
數十年來，人們一直在利用基因工程將轉基因或人工基因引入治療性細胞，以創造更安全、更有效的細胞產品。其中許多方法，包括將CAR引入T細胞，都被冠以「工程」的標簽；大多數人使用已有數十年歷史的遺傳學工具將轉基因引入細胞，對其表達的大小或時間提供有限的控制。過去二十年來，合成生物學領域興起，其目標是透過套用定量設計規則，使基因工程結果更加精確、可預測和可再現。盡管它在微生物系統方面取得了突破，但近年來該領域在人類細胞工程方面取得了進展。這一進展在很大程度上是由以下可能性推動的：透過精確控制治療性轉基因表現或分泌治療因子的傳遞，或透過編程細胞來感知與特定組織或疾病狀態相關的生物分子，並透過改變細胞行為作出反應，可以增強基於細胞的治療（圖3a）。盡管目前大多數努力的目標是提高治療效力、PK/PD和安全性，但合成生物學有潛力提供工程解決方案，解決一些重大挑戰，包括擴大可用於治療的細胞類別譜，以及使制造過程更加高效和穩健（圖3b）。
近年來報道的合成生物學在細胞治療中的套用，其復雜性從由工程蛋白質構建的簡單開關模組到多組分「電路」——人工基因和蛋白質調節網絡，透過編程將特定的分子輸入轉化為治療輸出。電路設計大致分為兩個功能類別（圖4）。首先，那些能夠對基因表現或蛋白質活性的劑量或時間反應譜進行外源性控制的藥物，通常透過小分子藥物等的輸入。這些「使用者操作」電路可用於啟用或停止轉基因表現，從而實作最佳化治療作用時間的治療方案。第二，將分子輸入的自主辨識與下遊活動聯系起來，從而建立閉環傳感和對與特定組織或疾病狀態相關的外源訊號的響應。第二類電路通常與檢測細胞外蛋白或小分子物種的工程細胞表面受體耦合。這兩類電路都具有中間訊號處理「基序」，根據定量定義的操作將輸入轉換為輸出。這兩種基序在提高治療效果方面都有明確的套用：前者可用於調節治療作用的動力學，而後者可利用組合分子辨識更精確地將治療輸出導向特定的靶細胞或組織（圖3a）。最近利用合成生物學解決過繼性T細胞治療的特異性和活性相關挑戰的工作證明了這一系列方法。在這一領域最成功的套用之一是一種蛋白質安全殺傷開關，該開關被設計用於引起植入細胞的雕亡。該開關的嵌合設計以人半胱胺酸天門冬胺酸蛋白酶9與修飾的人FK結合域融合為特征，能夠在給予小分子藥物AP1903後啟用雕亡訊號。雖然最初開發該開關是為了在幹細胞移植過程中消除同種異體反應性T細胞，但隨後該開關已用於CAR-T治療的臨床試驗，以限制CRS中效應器的增殖。在另一種套用中，透過細胞內啟用域的膜招募，使用化學二聚作用誘導CAR活性（圖4a）。CAR-T合成生物學最近的一個重要焦點是制定策略以增強腫瘤靶向特異性，著眼於實作實體腫瘤治療。最初由Lim及其同事開發的一個眾所周知的例子是受體介導的基因調節電路設計，其中附加到單鏈抗體的工程嵌合體Notch受體在與相鄰細胞表面的配體結合時被觸發，導致轉錄活化劑的蛋白水解釋放和轉基因表現（圖4a）。合成生物學的另一個主要重點是開發可推廣的閉環調節電路，用於監測生理或疾病狀態特征，並對治療結果作出反應。利用轉基因報告來改變天然訊息傳遞途徑的策略已經得到利用。一個這樣的例子是兩階段細胞因子轉換電路，該電路在其第一階段將TNFα依賴性NF-κB訊號轉換為IL-22，然後啟用細胞因子受體並透過STAT3發出訊號，驅動抗炎細胞因子IL-10和IL-4的轉錄產生和分泌（圖4b）。在移植到小鼠體內後，含有該回路的細胞可以減輕小鼠銀屑病模型中的炎癥。類似地，已經構建了β-細胞模擬設計細胞，該細胞引入一個回路，透過將糖解作用介導的鈣離子進入與驅動胰島素表達和分泌的轉錄回路的誘導相聯系來感知葡萄糖。當植入糖尿病小鼠模型時，工程細胞以葡萄糖反應的方式分泌胰島素，從而糾正胰島素缺乏癥，並消除高血糖。
半透性生物材料和水凝膠已被用於改善治療細胞的傳遞、活性、保留和安全性。在許多臨床前研究和早期臨床試驗中，這些方法被證明對改善細胞療法的治療效果非常有效。然而，該領域的一個主要目標仍然是開發長期功能性免疫隔離解決方案，以使用同種異體細胞。幾種類別的免疫細胞在同種異體細胞的排斥反應中發揮作用，限制了治療產品的開發（圖5）。CD4+和CD8+T細胞透過辨識高度變異的主要組織相容性復合體（MHC）I類和MHC II類基因產物，在介導同種異體細胞排斥反應中起著核心作用。此外，天然免疫細胞如NK細胞和巨噬細胞也可以介導同種異體細胞的排斥反應。透過CRISPR介導的缺失HLA I類和HLA II類基因表現所需的B2M和CIITA基因，建立了通用iPSC。此外，工程化iPSC進一步修飾，以表達高水平的負性調節因子：PDL1、HLA-G和CD47，分別阻斷T細胞、NK細胞的功能，並向巨噬細胞提供「不要吃我」的訊號。透過利用這些策略，一些研究小組報告了低免疫原性或「通用」iPSC的產生，這些iPSC保留了潛能，並可分化為多個譜系，如內皮細胞、心肌細胞，甚至更復雜的類器官，如胰島。在臨床前人源化小鼠體內外，已發現低免疫原性細胞不能誘導免疫反應。介導同種異體細胞排斥反應的免疫機制（圖5）需要細胞-細胞接觸。例如，葡萄糖和氧氣等營養物質的流入，以支持移植細胞的長期存活，以及它們產生的治療性蛋白質的輸出。透過使用海藻酸鈉水凝膠促進大鼠胰島的免疫分離，首次證明了在動物中的可行性。這項研究表明，短期（數周）移植的同種異體細胞在免疫活性動物中具有功能。
在這篇綜述中，作者首先簡要概述了基於細胞的治療的現狀，重點介紹了該領域近期臨床和商業成功的範例，包括使用CAR T細胞（CAR-T）治療癌癥，以及使用幹細胞治療治療其他適應癥，如心肌梗死和糖尿病，描述該領域的突破以及當前的限制。然後，介紹了目前正在開發的用於細胞治療套用的各種細胞來源，強調了它們的優勢和局限性。最後，作者強調了未來的發展機遇，並討論了如何進一步擴大細胞治療的臨床和商業範圍。在未來，作者預計生物材料可以進一步用於其它高級功能，如啟用細胞功能的訊號傳感器。早期在動物身上進行的可行性試驗表明，可以利用產生對身體有滲透力的外部執行器（包括超聲波、磁場和電子輸入）遠端調節細胞活動。這些技術仍處於起步階段，需要改進外部訊號生成和捕獲，以推動其未來的發展。
教授介紹
Omid Veiseh教授的實驗室利用先進的納米、微觀和宏觀制造技術，結合分子工程、細胞和分子生物學，開發為體內化學傳感和治療提供量身客製的植入式器材平台。Veiseh實驗室對開發用於改善癌癥、1型糖尿病、類風濕性關節炎和其他自身免疫疾病管理的技術特別感興趣。透過結合納米技術、化學工程、高通量合成和篩選方法、分子生物學和兒童腦腫瘤腫瘤學的最新創新，他的實驗室可以開發出一種治療兒童腦腫瘤的新方法。從長遠來看，這項技術的發展不僅有利於兒童腦瘤患者，還可能轉化為其他中樞神經系統衰弱性疾病。Veiseh實驗室正在進行的研究解決了胰島移植的挑戰，胰島移植是治療1型糖尿病的一種既定實驗療法。Veiseh正在設計一種雙組分宏器材系統，模擬胰腺微環境，同時保護植入的胰島細胞免受復發性自身免疫攻擊。他的實驗室建立的免疫工程技術為在患者無需服用免疫抑制劑的情況下控制血糖水平的胰島細胞的長期保護開啟了新的大門，也為開發和擴大胰島生產以廣泛臨床套用提供了機會。Veiseh擁有華盛頓大學材料科學與工程及納米技術雙博士學位。專註於開發用於多模式分子成像的磁性納米技術，以及核酸療法的靶向藥物輸送。Veiseh實驗室利用多尺度（納米、微觀和宏觀）制造技術，結合分子工程、細胞和分子生物學，開發植入式器材的功能平台，以適應免疫學、再生醫學和疾病監測的套用。
參考文獻
Bashor CJ, Hilton IB, Bandukwala H, Smith DM, Veiseh O. Engineering the next generation of cell-based therapeutics. Nat Rev Drug Discov. 2022;1-21. doi:10.1038/s41573-022-00476-6
