Nat Biotech | 在体内制造和释放CART细胞的生物引导支架
图灵基因 图灵基因 2022-04-20 10:31
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来自北卡罗来纳州立大学（NC State）和教堂山北卡罗来纳大学（UNC）的研究人员开发了一种“生物引导性”可植入支架，可直接在体内制造和释放CAR T细胞，以攻击癌性肿瘤。在一项对携带淋巴瘤的小鼠进行的概念验证研究中，研究人员发现，使用“用于T细胞工程和释放的多功能藻酸盐支架”（MASTER）植入物进行治疗比传统的CAR T细胞癌症治疗更快、更有效。新的平台技术还使研究人员能够将CAR T细胞的处理时间从几周缩短到一天。
第一作者、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学联合生物医学工程系的博士后研究员Pritha Agarwalla博士，及其同事在《Nature Biotechnology》上发表了一篇题为“Bioinstructive implantable scaffolds for rapid in vivo manufacture and release of CAR T cells”的论文。他们在论文中总结道，“MASTER承诺通过快速制造和可能降低提供此类疗法所需的复杂性和资源来改变CAR T细胞疗法。”
尽管临床上取得了成功，但针对B细胞恶性肿瘤的嵌合抗原受体（CAR）-T细胞疗法仍然因为漫长、昂贵和耗费人力等因素限制，而且这些过程可能会导致细胞产物具有异质性成分。在这里，我们描述了一种用于T细胞工程和释放的可植入多功能藻酸盐支架（MASTER），它简化了体内CAR-T细胞的制造，并将处理时间缩短到一天。当与人类外周血单个核细胞和编码逆转录病毒颗粒的CD19一起接种时，MASTER为病毒载体介导的基因转移提供合适的载体，并且在皮下植入后，介导小鼠中功能性CAR-T细胞的释放。我们进一步证明，在小鼠异种移植淋巴瘤模型中，体内生成的CAR-T细胞进入血液并控制远端肿瘤的生长，显示出比传统的CAR-T细胞更大的持久性。MASTER承诺通过快速跟踪生产改变CAR-T细胞疗法，并可能降低提供此类疗法所需的复杂性和资源要求。
免疫系统T细胞的任务是识别并摧毁体内已被入侵病原体感染的细胞。CAR T细胞是经过特殊设计的T细胞，可以识别癌细胞并将其摧毁。CAR T细胞已经在临床上用于治疗淋巴瘤，许多临床试验正在进行中，以评估CAR T细胞治疗对其他形式癌症的作用。
“CAR T细胞疗法在对抗表达CD19的B细胞恶性肿瘤方面取得了前所未有的成功。”作者进一步解释说，这一成功已导致两项FDA批准，并激发了“数百项正在进行的临床试验”。然而，尽管CAR T细胞疗法在治疗人类恶性肿瘤方面具有革命性的潜力，但与生产临床级CAR T细胞相关的复杂程序和成本是广泛临床应用的主要障碍。“针对B细胞恶性肿瘤的CAR T细胞疗法受到冗长、昂贵和劳动密集型体外制造程序的限制……”该团队继续说道，“整个制造过程的成本可能高达50万美元，并且可能需要数周时间。这种延迟是有问题的，因为许多癌症的侵袭性可能没有足够的时间来完成生产……与生产CAR T细胞相关的成本和挑战推动了对改进制造方法的研究。”
“CAR T细胞治疗的一个主要缺点是它非常昂贵——每剂费用高达数十万美元。”该研究的通讯作者、北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学联合生物医学工程系助理教授Yevgeny Brudno博士补充道。“由于成本原因，许多人被排除在这种治疗之外。成本高的一个原因是制造过程复杂、耗时，并且必须针对每位癌症患者量身定制。”Brudno补充道，“我们希望解决与制造时间和成本相关的CAR T治疗挑战。”
“缩短生产时间对于病情迅速发展的患者来说更为关键。”Agarwalla评论道。研究人员创建了MASTER来应对这一挑战。他们的工作是与北卡罗来纳大学Lineberger癌症中心微生物学和免疫学系教授、免疫学项目联合负责人Gianpietro Dotti博士、以及德州农工大学生物医学工程教授Frances Ligler博士合作进行的。
了解CAR T细胞的产生方式有助于了解MASTER的工作原理。为了产生CAR T细胞，临床医生首先从患者体内分离出T细胞，然后将其运送到制造厂。然后在几天内使用抗体激活T细胞，为重新编程做好准备。然后使用病毒将CAR基因引入激活的T细胞，将它们重新编程为靶向癌细胞的CAR T细胞。然后，研究人员添加了刺激CAR-T细胞增殖的因子，扩大其数量。整个过程可能需要数周时间，然后才能将细胞送回医院并注入患者的血液中。
“我们的MASTER技术采用了繁琐且耗时的激活、重新编程和扩展步骤，并在患者体内执行这些步骤。”Agarwalla解释说，“这将把多周的流程转变为单日流程。”
MASTER是一种具有生物相容性的海绵状材料，外观和手感都像迷你棉花糖。为了开始治疗，研究人员从患者体内分离出T细胞，并将这些未激活的T细胞与工程病毒混合。将混合物倒在MASTER上，然后将其吸收。MASTER由激活T细胞的抗体修饰，因此细胞激活过程几乎立即开始。然后通过手术将MASTER支架植入患者体内。
植入后，细胞激活过程继续进行。随着T细胞被激活，它们开始对修饰过的病毒产生反应，这些病毒将它们重新编程为CAR T细胞。“MASTER材料的大气孔和海绵状性质使病毒和细胞紧密结合，这有助于细胞基因重新编程。”Agarwalla评论道。正如作者所说，“MASTER可以直接装载患者来源的T细胞和编码CAR的病毒颗粒，并在同一天植入体内生成CAR T细胞。”
MASTER支架材料还含有促进细胞增殖的称为白细胞介素的因子。植入后，这些白细胞介素开始渗出，促进CAR-T细胞的快速增殖。“设计这种材料使其干燥并吸收T细胞和病毒的这种组合至关重要。”Brudno说，“如果你试图通过将T细胞和病毒应用于湿的MASTER来做到这一点，那就行不通了。”
在他们的论文中，作者总结了MASTER平台的主要特点：“MASTER设计用于（1）宿主T细胞和病毒颗粒；（2）刺激T细胞活化和增殖；（3）促进T细胞转导；（4）局部扩增CAR T细胞；（5）持续释放功能齐全的CAR T细胞以控制肿瘤生长。”
在他们报告的研究中，研究人员在携带淋巴瘤的小鼠身上测试了MASTER技术。其中一组动物接受了使用MASTER制造和运送的CAR T细胞治疗。第二组接受了以常规方式产生并通过静脉给药的CAR T细胞治疗。然后将这两组的结果与接受非工程化T细胞的对照组的结果进行比较。
“我们的技术表现非常好。”Brudno说，“从幼稚T细胞中产生用于临床的CAR T细胞至少需要两周时间。我们能够在分离幼稚T细胞后数小时内将MASTER引入小鼠体内。”
此外，由于细胞在分离后数小时内就被植入体内，因此最小程度的操作可以创造出更健康的细胞，这些细胞表现出更少的与CAR T细胞抗癌性能差相关的标志物。具体而言，MASTER技术产生的细胞分化程度较低，这意味着人体内的可持续性更好，抗癌效力更强。此外，这些细胞显示的T细胞衰竭的标志物较少，而T细胞衰竭是由T细胞功能低下所定义的。
“最终结果是，通过MASTER接受CAR-T细胞治疗的小鼠比接受常规CAR-T细胞治疗的小鼠在对抗肿瘤方面表现得更好。”Agarwalla指出。
从长期来看，当小鼠面临淋巴瘤复发时，抗癌效果的改善尤其明显。作者说，综上所述，他们的结果“……表明使用MASTER生产的CAR T细胞在控制肿瘤生长方面与传统的CAR T细胞具有相同的功能，但具有更好的扩增性和持久性。值得注意的是，MASTER大大减少了生产CAR T细胞的时间、复杂性和成本。”
“MASTER技术在液体肿瘤（如淋巴瘤）中非常有前景，但我们特别渴望看到MASTER对抗实体肿瘤（包括胰腺癌和脑肿瘤）的表现如何。”Brudno评论道，“我们正在与一位行业合作伙伴合作，将这项技术商业化，但在它进入临床应用之前，还有很多工作要做。在我们开始探索涉及人类患者的临床试验之前，需要进一步努力在动物模型中确定这项技术的安全性和稳健性。”
虽然无法估计如果最终被批准用于临床，MASTER治疗的成本可能是多少，但Brudno表示，他乐观地认为，这将比现有的CAR T治疗方案便宜得多。
研究人员认为，MASTER 概念可能在癌症以外的领域也有用。“除了在癌症治疗方面的潜力之外，MASTER技术可能会激发利用重新编程和释放治疗细胞的能力的新疗法。”Brudno说，“我们还在与其他行业合作伙伴一起探索机会，将MASTER的基本概念应用于再生医学和治疗自身免疫性疾病。”
“我觉得我们只是触及了这里可能发生的事情的表面。”Agarwalla总结道。