46歲的Cecilia Barron此刻和她的兒子正在洛杉磯外的希望之城(City of Hope)癌症研究中心的一間房間裡等待著。1小時後，護士會走進來，往她頭皮上的腫塊注射數百萬個T細胞。Barron是Costco的蛋糕裝飾師，與丈夫和孩子住在洛杉磯。她從2007年開始治療腦癌，接受過化療、放療和多次手術。在過去的10年裡，癌症一直是她生活中不可分割的一部分。
去年夏天，Barron的癌症從第二階段發展到第三階段少突膠質細胞瘤。她在希望之城的外科醫生Behnam Badie告訴她，她有資格接受一項實驗性治療——改造她自己的T細胞能夠識別腫瘤細胞表面抗原的細胞，然後注射進她的大腦。當下，含有這種嵌合抗原受體(CAR) T細胞的療法已經被批准用於治療一些血液癌症（如大B細胞淋巴瘤和B細胞急性淋巴細胞白血病），但這種方法在治療像Barron這樣的實體腫瘤上沒有那麼成功。
Cecilia Barron
儘管如此，醫生們還是希望能找到合適的劑量、CAR構造和補充療法來發揮作用。“聽起來很有希望，” Barron說，“任何事情在沒有宣判結束的時候，我都願意嘗試……唯一讓我害怕的是針。”
緊接著，Barron坐在病床上，兩個護士拿著小瓶T細胞走了進來。其中一個注射到她一個月前被切除的大腦腔，另一個注射到腦室的腦脊液。注入細胞需要幾分鐘，然後是等待的時間。Barron還需要幾個小時才能回家，然後是幾周、幾個月、甚至更長時間才能看到她的癌症是否會保持平靜。
2018年9月，接受CAR-T治療5個月後，Barron感覺良好，她的核磁共振成像和PET掃描也顯示結果非常好。像這樣的積極跡象讓Barron和其他人樂觀地認為CAR-T技術能有效地殺死實體腫瘤，就像某些血液癌症一樣。目前已經有一些臨床試驗處於早期階段，致力於胰腺癌、間皮瘤、肺癌、乳腺癌等的治療。
然而，這些腫瘤帶來的挑戰是血液和骨髓癌症所沒有的。首先，實體癌症有著出了名的惡劣環境：酸性、低氧和免疫抑制。這使得T細胞很難浸潤並在實體癌塊中存活。腫瘤的異質性也意味著所選擇的CAR不會與每個腫瘤細胞結合。
貝勒醫學院的Nabil Ahmed說，“並不是我悲觀，但是實體腫瘤不是白血病。CAR-Ts需要做大量工作，才能顯示出這種方法的有效性。”
令人難以置信
Barron是過去幾年來在希望之城接受CAR-Ts治療的數十名腦癌患者之一。這些患有膠質母細胞瘤（又稱4級星形細胞瘤）的患者中，有許多人已經用盡了各種辦法，面臨著嚴峻的預後。
20年前，癌症生物學家Waldemar Debinski在賓州州立大學發現免疫信號分子白細胞介素13 (IL-13)的受體存在於膠質母細胞瘤中，但不存在於正常的腦組織中。因此，這種受體似乎是一個很好的目標，既能鎖定癌細胞，又能保護健康細胞。
2004年5月，希望之城的研究小組將CAR-T細胞直接注射到3個膠質母細胞瘤患者的大腦中。研究人員在患者接受輸注的幾周內沒有觀察到明顯的不良反應，這是一個重要的成就。因為CAR-T療法的最大缺點之一就是可能導致嚴重的免疫過度反應。與此同時，患者的癌症也出現了一些短暫的反應，比如腫瘤死亡的跡象和IL-13丰度的降低。但沒有患者痊癒：所有三名患者在接受治療一年內死亡。希望之城腦瘤CAR-T研究負責人Christine Brown表示，“這讓我們在進行更大規模的試驗之前，對CAR本身進行了優化。”
具體來說，Brown的研究小組調整了CAR間隔域，這個區域橫跨免疫細胞的細胞膜和細胞內的共刺激域，以及用於向體外擴張細胞的過程，以增強T細胞的活性。她說，“我們的CAR細胞比以前強十倍多。在此之前，我們需要輸注100多萬個T細胞在小鼠體內才能完全消滅。現在我們看到10萬個細胞就可以根除。”
2015年，希望之城開始了一項新的CAR-T試驗，用這種改良細胞治療膠質母細胞瘤。第一個接受完整療程治療的病人是一位名叫Rich Grady的兒科醫生。Brown在敘述Grady的案件時說到，和其他患有這種疾病的病人一樣，Grady的癌症在化療、放療和手術後復發，到他參加試驗時，預計他只能再活幾周或幾個月。當他的T細胞準備好時，癌症又出現在新的部位，留給他的時間不多了。
在6周的時間裡，Grady每週接受一次注射，將他的工程T細胞注射到他的大腦區域。在那裡，他的原發腫瘤已經被手術切除。隨後的核磁共振掃描顯示，雖然原發腫瘤沒有生長，但癌症已經出現在他大腦和脊柱的新部位。Badie 的團隊決定嘗試將這些細胞注入腦脊液，希望它們能夠分散並追蹤到身體其他部位的腫瘤。
Badie 說，他永遠不會忘記，在Grady接受了幾次腦室內注射後，做了第二次核磁共振掃描的那一刻——腫瘤（包括原發腫瘤和新發病灶）均已縮小。10次全過程輸注後，均未發現腫瘤。
“真是難以置信，”Badie 說。他本以為自己會給Grady帶來和大多數膠質母細胞瘤患者一樣的壞消息——癌症正在取勝，他和家人只剩下幾個月的時間了。但是CAR-T細胞療法似乎已經摧毀了不知疲倦的癌症。
Brown進一步說到，更重要的是，Grady的癌細胞並不全部顯示出CAR所針對的IL-13受體，這表明經過改造的T細胞幫助了Grady的免疫系統與癌症作鬥爭。我們認為CAR T細胞就像一個火花，點燃了內源性免疫反應。她補充道，“不幸的是，這還不夠，因為該死的腫瘤復發了。” Grady於2017年4月25日去世。
遞送的挑戰
儘管Grady沒有在腫瘤復發中存活下來，但他在試驗期間的積極反應表明，可以使用CAR-Ts殺死膠質母細胞瘤，這使得希望之城的研究人員建立了雙導管方案。這種方案中，Barron和其他患者都是注射到腫瘤部位和心室。
CAR-T遞送是實體腫瘤治療中的一個複雜因素。對於血液癌症，細胞是通過輸注血液來控制，一旦進入血液循環，CAR-Ts就能發現並摧毀這些異常細胞。對於實體腫瘤，就沒那麼簡單了。“CAR-T治療確實需要細胞間的相互作用，這是更可能發生在循環腫瘤細胞而非實體腫瘤，” Mustang Bio的總裁兼首席執行官Manuel Litchman說道。Mustang Bio是一家贊助了部分希望之城的腦癌CAR-T試驗的生物技術公司，並正在開發自己的淋巴瘤CAR T細胞療法。
有可能對實體腫瘤進行全身性的CAR-Ts輸注，它們可以穿過血腦屏障進入大腦，也可以遷移到身體的其他部位。例如，貝勒醫學院(Baylor College of Medicine)的Ahmed團隊給19名患者進行了全身性輸注CAR-Ts的治療，這些患者都是多次復發的兒童或年輕人。CAR-T的作用是靶向HER2受體。幾個月後，研究人員在腫瘤中發現了低頻率的CAR DNA，這表明一些工程化的T細胞已經到達了那裡。
雖然大多數患者最終還是死亡，平均存活時間只有10個月，但其中4人現在是長期倖存者。“我們認為這是一個非常有趣的信號，” Ahmed說，“我們正在努力理解，這四個人有什麼不同?”
在一項後續研究中，Ahmed和他的同事們正在嘗試通過延長CAR-T細胞在體內的存活時間來讓更多的CAR-T細胞到達腫瘤部位。他們之前觀察到CAR-T在幾周到幾個月內就會消失。但一些數據表明，反覆注射可以延長細胞在體內的存活時間，從而有助於抑制復發。另一種方法是鼓勵細胞在注射後增殖。這一次，Ahmed和他的同事們首先進行化療，破壞患者的淋巴細胞，希望能鼓勵CAR-T細胞擴大並填補免疫真空。
不過，賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院(Perelman School of Medicine at the University of Pennsylvania) CAR-T研究人員Steven Albelda表示，要把足夠多的工程T細胞遞送到實體腫瘤部位仍然是一個挑戰。在動物模型中，通過靜脈注射，進入腫瘤的細胞數量非常非常少。這使得他的研究小組和其他研究人員轉向局部注射細胞，就像Grady和Barron那樣。Albelda的小組正在進行一項試驗，病人將在肺周圍胸膜中接受細胞，以治療生長在那裡的癌症。
紀念斯隆凱特琳癌症中心的Prasad Adusumilli是該地區第一個在胸腔輸注CAR -T治療的癌症患者。Albelda和他的同事們發現，局部輸送T細胞比靜脈輸送更有效地清除小鼠體內的腫瘤，而且這些細胞停留的時間更長。這些結果使研究小組開始了一項針對肺癌、間皮瘤(肺內膜癌)或乳腺癌患者的臨床試驗。
到目前為止，他們已經治療了23名患者，治療似乎是安全的。這只是一個早期的試驗，旨在評估安全性，但有很好的跡象表明它是有效的。通常情況下，在這項試驗中患有這種疾病的患者的壽命大約為1年。但是後續的PET掃描顯示腫瘤內部和周圍的代謝活動正常。研究人員說，“在我們的試驗中，我們的患者有1年的完全代謝反應。這些結果是無與倫比的。”
即使是直接輸注，研究人員也觀察到多次CAR-T注射可能比一次注射更有效。西雅圖兒童醫院研究所的兒科神經科學家Nicholas Vitanza表示贊同。他正在領導兩項臨床試驗，測試腦癌患兒直接輸送CAR T細胞：當T細胞在其原生血液環境中茁壯成長時，在實體腫瘤環境中可能需要一些幫助。他說，“與白血病不同，我不相信我們在大腦中有相同的擴張，所以我們給予不同的劑量。”
趨於完美的CAR-T
正如單劑CAR-Ts不太可能徹底清除實體腫瘤一樣，設計成針對特定目標的單劑CAR-T可能也不夠。儘管這樣的策略在血液腫瘤中是有效的，當下已有兩種被批准的CAR–T， tisagenlecleucel (Kymriah)和axicabtagene ciloleucel (Yescarta)。但針對實體腫瘤，追逐產生CD19的細胞變得更加複雜。
問題是雙重的。首先，實體癌症是異質性的。與CAR-T靶向的癌症B細胞不同的是，並不是所有的實體腫瘤細胞都攜帶CAR T設計用來攻擊的抗原。其次，即使單目標CAR-T能夠成功地根除腫瘤，腫瘤有時也會在擺脫抗原後復發。Rich Grady就是這樣。希望之城的Brown說，當Grady的腫瘤在他開始CAR - T注射7個多月後復發時，腫瘤中沒有太多的靶向抗原。因此，在部署CAR-Ts時，可能需要針對多個抗原。
抗原靶點的選擇是CAR-Ts發揮作用的關鍵。為了避免危險的副作用，開發人員必須製造出一種CAR-T，它可以選擇性地攻擊癌細胞，同時保留健康組織。這對於CAR-T治療血液惡性腫瘤是一個挑戰，因為正常的B細胞也攜帶CD19抗原。因此，這些干預措施可能導致免疫球蛋白產量下降，使患者面臨嚴重感染的風險。對於實體腫瘤，研究人員有機會選擇真正的癌症特異性靶點，即所謂的新抗原。例如，賓夕法尼亞大學的免疫學家和腫瘤學家Carl June的團隊正在開發一種針對膠質母細胞瘤細胞表皮生長因子受體(EGFR)的CAR。具體地說，他和他的同事們設計了這種受體來結合一種剪接變體，這種變體在人體其他任何地方都找不到。
即使研究人員找不到癌細胞特有的抗原，他們也可能能夠識別出腫瘤中比健康組織中豐富得多的靶點。在賓夕法尼亞大學，Albelda和他的團隊正瞄準間皮素（間皮素被各種癌症過度產生，包括間皮瘤、胰腺、卵巢和一些肺癌）。在兩項早期試驗中，該療法避免了這些癌症患者的脫靶毒性。（推薦閱讀：AACR兩項早期研究：CAR-T療法在實體瘤中展現出潛力）
組合療法的CAR-Ts
現在，許多臨床試驗已經證明，CAR-Ts可以安全地應用於實體瘤患者。幾乎所有從事這些實體腫瘤免疫治療的研究人員都在選擇採取多種藥物，無論是藥物組合、分泌免疫增強劑的CAR-T，還是設計用於CAR的T細胞。“我認為我們可以永遠測試單劑一期試驗，但永遠不會改變任何東西，因為實體腫瘤過於複雜，細胞亞群太多，”Vitanza說。
臨床試驗中出現的一種組合是CAR-T和另一種叫做檢查點抑制劑的免疫療法。CAR-T細胞不僅面臨著進入、存活和擴張的障礙，還面臨著所謂的免疫檢查點的挑戰——在癌症中可以上調免疫干擾通路。目前已經有一些被批准的檢查點抑制劑藥物，比如針對內源性T細胞上各種檢查點蛋白的單克隆抗體，它們可以消除這些信號，研究人員現在開始將這些藥物與CAR - T療法結合起來治療實體腫瘤。
End
1）The Next Frontier of CAR T-Cell Therapy: Solid Tumors
2）Receptor for interleukin 13 is a marker and therapeutic target for human high-grade gliomas,” Clin Cancer Res, 5:985–90, 1999.
3）C.E. Brown et al., “Bioactivity and safety of IL13Rα2-redirected chimeric antigen receptor CD8+ T cells in patients with recurrent glioblastoma,” Clin Cancer Res, 21:4062–72, 2015.
4）C.E. Brown et al., “Regression of glioblastoma after chimeric antigen receptor T-cell therapy,” New Engl J Med, 375:2561–69, 2016.
5）N. Ahmed et al., “Human epidermal growth factor receptor 2 (HER2)–specific chimeric antigen receptor–modified T cells for the immunotherapy of HER2-positive sarcoma,” J Clin Oncol, 33:1688–96, 2015.
6）P.S. Adusumilli et al., “Regional delivery of mesothelin-targeted CAR T cell therapy generates potent and long-lasting CD4-dependent tumor immunity,” Sci Transl Med, 6:261ra151, 2014.
7）P.S. Adusumilli et al., “A phase I clinical trial of malignant pleural disease treated with regionally delivered autologous mesothelin-targeted CAR T cells: Safety and efficacy - A preliminary report,” American Society of Cell & Gene Therapy 21st Annual Meeting, Chicago, May 17, 2018.
8）L. Cherkassky et al., “Human CAR T cells with cell-intrinsic PD-1 checkpoint blockade resist tumor-mediated inhibition,” J Clin Invest, 126:3130–44, 2016.
9）O.O. Yeku et al., “Armored CAR T cells enhance antitumor efficacy and overcome the tumor microenvironment,” Sci Rep, 7:10541, 2017.
10）B. Hu et al., “Augmentation of antitumor immunity by human and mouse CAR T cells secreting IL-18,” Cell Rep, 20:P3025–33, 2017.
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