諾獎得主David Baker團隊最新Nature：合成新型受體，創建更安全的CAR-T細胞療法
撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
2024年10月9日，蛋白質設計先驅David Baker教授與AlphaFold開發者Demis Hassabis、John Jumpe共同獲得了2024年諾貝爾化學獎。
不管是化療還是細胞療法，在癌症治療過程中都可能帶來副作用。 這在很大程度上是因爲這些療法不僅會靶向腫瘤細胞，也可能會影響體內的健康細胞。同樣，由於腫瘤細胞和健康細胞之間的相似性，設計新的抗癌藥物或療法也具有挑戰性。例如，CAR-T細胞療法，通過工程化改造T細胞，使其識別並靶向腫瘤細胞表面的抗原，從而精準殺傷腫瘤細胞，但實際上，這些抗原往往在非腫瘤細胞上也有所表達，從而導致所謂的非腫瘤靶向毒性（On-Target Off-Tumor）。
2024年11月14日，David Baker團隊與加州大學舊金山分校Kole T. Roybal團隊合作，在Nature期刊發表了題爲：Engineered receptors for soluble cellular communication and disease sensing 的研究論文【1】。
該研究開發了一種高度可定製的工程化受體——合成膜內蛋白水解受體（synthetic intramembrane proteolysis receptor，簡稱SNIPR） ，這種受體可以感知周圍環境中的分子，並據此改變細胞內基因的表達。基於該受體構建的CAR-T細胞能夠只在特定環境中被激活（例如在腫瘤附近），從而減少非腫瘤靶向毒性（On-Target Off-Tumor） 。
腫瘤小鼠模型實驗顯示， SNIPR-CAR-T細胞特異性靶向並顯著縮小了腫瘤，對健康組織的影響最小，且沒有產生CAR-T細胞療法中常見的副作用。
研究團隊表示，這項研究 可能會導致癌症療法的發展，通過向腫瘤的精準遞送，讓細胞療法更有效，且副作用更少，還可能爲癌症之外的其他疾病 （例如自身免疫疾病） 帶來新型靶向療法。
儘管近年來哺乳動物合成生物學取得了顯著進展，但仍缺乏能夠對可溶性配體產生穩定響應並進而激活特定細胞功能的模塊化合成受體。
這種受體在調節工程化細胞療法活性方面具有廣泛的臨牀潛力，然而，到目前爲止，已上市的和進入臨牀試驗的細胞療法都只靶向位於腫瘤細胞表面的靶點。
早在2016年，Kole T. Roybal曾作爲第一作者在Cell期刊發表論文 【2】 ，開發了一種新型傳感器——synNotch受體，將該受體整合到T細胞表面，能夠識別腫瘤細胞並激活免疫反應。但這種工程化受體只能識別腫瘤細胞表面的配體，依賴於細胞之間緊密的物理接觸來發揮作用。
腫瘤細胞由健康細胞演化而來，這導致它們之間其實非常相似，腫瘤細胞表面的蛋白質往往也存在於健康細胞表面。這就是導致只能被細胞表面蛋白激活的受體在實際應用中非常受限。實際上，腫瘤所產生的許多其他分子可能在識別腫瘤環境方面更有用。
在開發出synNotch受體後，Kole T. Roybal一直在研究對synNotch受體的升級改造。最終促使他們開發出了新的工程化受體——合成膜內蛋白水解受體（SNIPR） ，SNIPR不只能夠被細胞表面配體所激活，還能被可溶性配體所激活，因此可以感知並結合細胞周圍環境中的可溶性分子或自由漂浮分子，例如腫瘤環境中的免疫信號分子。當這些分子與相應的SNIPR結合時，多個受體 會聚集並翻轉到細胞內部，直接與細胞內的DNA相互作用，從而改變基因表達。此外，在一個細胞上表達多個SNIPR，可以調控不同的基因，或以不同的方式調控同一個基因。從而實現對基因活性的打開、關閉或調控。
近年來，嵌合抗原受體T細胞（CAR-T）療法在血液類腫瘤中產生了令人印象深刻的強大療效，該療法通常通過基因工程改造來自癌症患者的T細胞，再回輸到患者體內，使其識別和攻擊癌細胞。然而， CAR-T細胞療法在佔據癌症類型和數量絕大多數的實體瘤中卻不太成功，其中部分原因是實體瘤細胞缺乏可被T細胞識別的腫瘤特異性抗原。
在這項最新研究中， 研究團隊將新設計的SNIPR整合到了CAR-T細胞中（通過電穿孔整合到基因組特定位點，降低使用病毒載體可能帶來的風險），他們設計靶向兩種可溶性免疫分子TGF-β和VEGF的SNIPR，這兩種分子通常在腫瘤環境周圍高水平存在。
體外實驗表明，只有在TGF-β和VEGF存在的情況下，SNIPR纔會啓動CAR-T細胞的抗腫瘤活性 ，因此，這些CAR-T 不會在不受癌症影響的身體區域啓動免疫應答，從而減少非腫瘤靶向毒性（On-Target Off-Tumor）。
接下來，研究團隊進行了體內驗證，在攜帶人類腫瘤的小鼠體內， SNIPR-CAR-T細胞能夠特異性地靶向並攻擊腫瘤，在沒有引起CAR-T細胞療法常見的副作用 （例如體重減輕、器官損傷） 的情況下顯著縮小了腫瘤， 最大限度地減少對健康組織的損傷。
論文共同通訊作者、2024年諾貝爾化學獎得主David Baker教授表示，這讓免疫療法有了雙重驗證，首先，免疫細胞必需處於特定環境中 （例如腫瘤周圍） 纔可能啓動免疫反應，然後，免疫細胞本身再去識別並攻擊癌細胞。
SNIPR作爲一個擴展平臺，能夠與一系列天然配體或合成配體相互作用（不管其是拴系的還是可溶性的），從而 實現 對細胞的精確調控 ，用於基礎研究和 疾病治療 。 SNIPR的 多功能特性使其成爲改進當前細胞療法的有力工具，有望實現更安全的細胞治療，同時 也可能用於自身免疫性疾病的治療 。
據悉，該團隊正在繼續研究在多種細胞類型中使用SNIPR的方法，使用它們來介導不同細胞類型之間的通信。此外，Arsenal Bio公司正在CAR-T細胞臨牀試驗中驗證該技術，Kole T. Roybal是該公司的聯合創始人。
2024年10月17日，西湖大學生命科學學院謝琦、曹龍興團隊（夏真、金啓涵爲共同第一作者）在 Nature 子刊Nature Biomedical Engineering上發表了題爲：Targeting overexpressed antigens in glioblastoma via CAR T cells with computationally designed high-affinity protein binders 的研究論文 【3】 。
該研究利用計算蛋白質設計，從頭設計了靶向膠質母細胞瘤細胞表面高表達的腫瘤抗原EGFR和CD276的高親和力結合蛋白（binder），代替典型的scFv來構建CAR-T細胞，用於膠質母細胞瘤的治療，顯示出了更強的實體瘤治療效果。
該研究開發了一種策略，利用從頭設計的結合蛋白（de novo-designed binder，DNDB）代替典型的scFv作爲腫瘤表面抗原結合域，以增強CAR-T細胞的抗腫瘤潛力。該研究從頭設計的EGFR和CD276 binder CAR -T細胞不僅侷限於靶向膠質母細胞瘤，還可能有效治療許多其他高表達EGFR或CD276的實體瘤，例如非小細胞肺癌和胰腺導管腺癌。
據悉，研究團隊已與臨牀醫院合作，正在開展CD276 binder CAR-T細胞治療複發性膠質母細胞瘤的研究者發起的臨牀實驗 （IIT） 。
論文鏈接：
1. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08366-0
2. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)00051-9
3. https://www.nature.com/articles/s41551-024-01258-8