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打開潘朵拉的盒子:癌症 T 細胞免疫療法之過去、現在與未來

1956 年的紐約,一位年僅36歲的年輕腫瘤科主治醫師 Dr. E Donnall Thomas,大膽的將一位剛完成放射治療的白血病病患施以骨髓移植手術(bone-marrow transplant, BMT)成功的治癒白血病,開啟了免疫細胞治療的先河 [1]。

時間往後推延至 21 世紀,美國國家癌症研究院(National Cancer Institute, NCI)的 Rosenberg 團隊,利用惡性黑色素瘤病人身上的腫瘤浸潤淋巴球(tumor-infiltrating lymphocyte, TIL),在人體外擴增後注入原病人,最終擊退惡性黑色素瘤,為免疫細胞療法立下另一個里程碑 [2]。腫瘤浸潤淋巴球療法看似成功,卻隱含了許多令人不盡滿意之處,如:並非每一位癌症病人身上都可以找到 TIL;每個 TIL 也不一定有抵抗癌細胞的能力;TIL 療法需先進行體外擴增,時間耗費需長達八個星期,病患情況可能在這段期間內急轉直下等。因此,在科學家們數年的努力後,發展出許多癌症的免疫療法,期望對癌症醫學有進一步的貢獻。美國賓州大學 Dr. June 研究團隊在 2017 年的 Cell Research 發表的 review [3],即是討論兩個目前正熱烈發展的免疫療法:基因修改 T 細胞受體療法(TCR-engineered lymphocyte therapy, TCR-T),以及嵌合抗原受體 T 細胞療法(chimeric antigen receptor T cells, CAR-T)。

TCR-T 最早的臨床試驗發生在 2006 年,上段提到的 Rosenberg 團隊利用先前研究的基礎,利用反轉錄病毒,將病患的 T 細胞植入對黑色素瘤相關抗原 MART-1 有反應的 DMF5 T 細胞受體(DMF4-TCR),使得臨床試驗中 12% 的病人的腫瘤得以抑制 [4]。在此一成功的案例下,眾多對抗不同癌症的 TCR-T 臨床試驗如雨後春筍般展開,表現睪丸抗原 NY-ESO-1 的膀胱癌、乳癌、肺癌;表現癌胚胎抗原 CEA 的大腸癌…等,且都有約 30~80% 的成功率。但是,如同打開潘朵拉的盒子一般,在擊退癌症的同時,伴隨而來的是致命的副作用。

TCR-T 的副作用來自「脫靶效應(off-target effect )」,以及「分子相似性(molecular mimicry)」。「脫靶效應」源自與許多正常的人體組織也會表現癌症相關抗原,故當 TCR 對於抗原的親和力過高時,即會產生,相關例子為在某一對抗黑色素瘤相關抗原 MART-1 的 TCR 臨床試驗中,80% 的受試者都產生皮膚脫色、眼毒性、耳毒性等自體免疫症狀 [5]。「分子相似性」則是導致脫靶效應的其中一個機制之一,發生原因則是因為人體正常組織「長得很像」癌症相關抗原,嚴重的案例發生在賓州大學的 UPENN 臨床試驗計畫中,當科學家利用 TCR-T 對抗表現 MAGE-A3 抗原的多發性骨髓瘤時,因為心肌細胞上的肌聯蛋白與其相似,造成病患心肌壞死、休克,最終死亡 [6]。

圖一、TCR-T 示意圖。圖片來源:https://goo.gl/LBo8ix

TCR-T 療法有其成功之處,亦有不盡滿意的副作用。然而,限制其發展之處在於 TCR-T 只能對抗表現與其相同人類白血球抗原的癌細胞,也就是說病人只能用自己或是親屬的 T 細胞進行治療,是故後來又發展出嵌合抗原受體 T 細胞療法(chimeric antigen receptor T cells, CAR-T)。

第一代的 CAR-T 發展早在1989年,當時的 CAR 為一個由「單株抗體的重鏈與輕鏈合成的片段」、穿膜蛋白,以及胞內傳訊結構 CD3ζ 所構成 [7]。第一代的 CAR-T 曾用來對抗卵巢癌、腎臟癌與發生在兒童的神經母細胞瘤,然而卻因為活性不足或過早衰亡活化,導致臨床試驗失敗,為了改善這缺陷進而衍伸出第二代與第三代 CAR-T。

第二代與第三代的 CAR-T 在第一代上增加了共激配位基(costimulatory ligands)以增強 CAR-T 的作用,如避免 T 細胞過早衰亡的 4-1BB、避免細胞凋亡的 Bcl-xL(B-cell lymphoma-extra large)與 CD28。在第一代 CAR-T上增加一個共激配位基的為第二代,加了兩個的則稱為第三代。

CAR-T 第一個成功的案例發表於 2011 年新英格蘭醫學雜誌(New England Journal of Magazine, NEJM),UPENN的 June 團隊利用第二代(帶有 4-1BB)、表現 CD19 的 CAR,治癒一位慢性淋巴型白血病病人 [8]。至此以後,已有多個針對血液性腫瘤的 CAR-T 臨床試驗成功的案例,然而,那針對實質腫瘤(solid tumor)的療效呢?

第一個針對實質腫瘤的 CAR-T 是對抗具有 HER2 受體的卵巢癌,但在臨床測試中,病人的肺臟卻遭受 CAR-T 攻擊,最終肺纖維化而死亡 [9],之後幾個臨床試驗皆以失敗收場。為此,科學家們想了多個不同的方案,包括「針對只出現在癌細胞上的抗原」、「出現在腫瘤微環境的抗原」、「調整 CAR 的親和力」、「給藥路徑調整」,以及「細胞凋亡機制」。

「針對只出現在癌細胞上的抗原」的成功案例為對抗表現在神經母細胞瘤上的 EGFRvIII 受體的 CAR,再經過仔細的細胞與動物實驗後,確認 EGFRvIII CAR 不會攻擊正常組織,才展開臨床試驗,結果在 UPENN(賓夕法亞大學)、UCSF(加利福尼亞大學)、杜克大學等研究機構都有不錯的成果。「出現在腫瘤微環境的抗原」則是對抗常出現在腫瘤微環境中的纖維母細胞活化蛋白 FAP 與血管增生因子 VEGFR,目前仍處於臨床前試驗階段,故效果未明。「調整 CAR 的親和力」指得是使 CAR 的親和力足以與腫瘤抗原結合並攻擊,但不會攻擊正常組織,Baylor 醫學中心在針對 HER2 的CAR-T 試驗中,證實此方法可以降低 CAR-T 對正常組織的侵害,但對腫瘤的作用則效果不一。「給藥路徑」則是直接將 CAR-T 注入腫瘤中,利用此方法對抗局部性腫瘤,如神經母細胞瘤已有不錯的成果。「細胞凋亡機制」是在 CAR-T細胞中植入可調控式的細胞凋亡開關 caspase 9,當副作用產生時,醫師們則可以隨時開啟此機制。

與 TCR-T 相較,CAR-T 固然可以跨越人類白血球抗原的限制,但也有其不足之處,即是 CAR-T 僅能攻擊細胞表面的物質,無法觸及細胞內部。

癌症 T 細胞療法的興起,固然對癌症治療帶來一道曙光,但如同打開潘朵拉的盒子一般,許多問題也隨之出現,前述的治療副作用可以用類固醇、免疫抑制劑等解決,但更令人憂心的是日益激烈的藥廠專利權之爭、高昂的治療費用伴隨的健保負擔與衍伸的健康不平等問題,都是需要好好深思的問題。

圖二、第一代到第三代的 CAR-T。圖片來源:https://goo.gl/LBo8ix

 

參考資料:

  1. E. Donnall Thomas, Harry L. Lochte, Jr, Wan Ching Lu and Joseph W. Ferrebee ( 1957) , Intravenous Infusion of Bone Marrow in Patients Receiving Radiation and Chemotherapy, The new England Journal of Medicine (257), 491-496, DOI: 10.1056/NEJM195709122571102
  2. Dudley, M. E. (2002). Cancer Regression and Autoimmunity in Patients After Clonal Repopulation with Antitumor Lymphocytes. Science, 298(5594), 850-854. doi:10.1126/science.1076514
  3. Johnson, L. A., & June, C. H. (2016). Driving gene-engineered T cell immunotherapy of cancer. Cell Research, 27(1), 38-58. doi:10.1038/cr.2016.154
  4. Thiers, B. (2007). Cancer Regression in Patients After Transfer of Genetically Engineered Lymphocytes. Yearbook of Dermatology and Dermatologic Surgery, 2007, 390. doi:10.1016/s0093-3619(08)70664-6
  5. Johnson, L. A., Morgan, R. A., Dudley, M. E., Cassard, L., Yang, J. C., Hughes, M. S., … Rosenberg, S. A. (2009). Gene therapy with human and mouse T-cell receptors mediates cancer regression and targets normal tissues expressing cognate antigen. Blood, 114(3), 535–546. http://doi.org/10.1182/blood-2009-03-211714
  6. Raman, M. C., Rizkallah, P. J., Simmons, R., Donnellan, Z., Dukes, J., Bossi, G., … Jakobsen, B. K. (2016). Direct molecular mimicry enables off-target cardiovascular toxicity by an enhanced affinity TCR designed for cancer immunotherapy. Scientific Reports, 6(1). doi:10.1038/srep18851
  7. Gross, G., Waks, T., & Eshhar, Z. (1989). Expression of immunoglobulin-T-cell receptor chimeric molecules as functional receptors with antibody-type specificity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 86(24), 10024–10028. https://goo.gl/vOUIo0
  8. Porter, D. L., Levine, B. L., Kalos, M., Bagg, A., & June, C. H. (2011). Chimeric Antigen Receptor–Modified T Cells in Chronic Lymphoid Leukemia. New England Journal of Medicine, 365(8), 725-733. doi:10.1056/nejmoa1103849
  9. Morgan, R. A., Yang, J. C., Kitano, M., Dudley, M. E., Laurencot, C. M., & Rosenberg, S. A. (2010). Case Report of a Serious Adverse Event Following the Administration of T Cells Transduced With a Chimeric Antigen Receptor Recognizing ERBB2. Molecular Therapy, 18(4), 843–851. http://doi.org/10.1038/mt.2010.24

撰文│張彥安
修訂│陳毓茹、紀威佑

About the author

張彥安

國立陽明大學醫學系醫學系醫師科學家學程學生,目前在台北榮總實習。曾於Duke University計仁昌老師實驗室進行短期癌症生物學研究;生化所進行亨丁頓氏症相關分子生物學研究;參加2014國際合成生物學競賽(iGEM)。希望藉由Investigator了解更多不同面向的科學研究主題,並認識對生物醫學充滿熱情的同好。