全球首款CAR-T療法獲批准 它將如何終結白血病

8月31日凌晨，美國食品藥品監督管理局（FDA）批准諾華的CAR-T療法Kymriah （tisagenlecleucel）上市，用於治療急性淋巴細胞白血病（ALL），一次治療的定價為47.5萬美元。這是FDA批准的首款基因治療藥物，近些年來廣受關注的CAR-T療法也終於走向市場。

作為美國兒童中最常見的一種癌症，ALL是一種起源於淋巴細胞（多見於B細胞），在骨髓內惡性增生的骨髓及血液腫瘤。患者的正常造血功能受到抑制，進而出現貧血、發熱、感染、出血等癥狀。雖然目前已經有針對ALL的有效療法，但15%~20%的患者在接受治療後效果不佳，或出現複發。而此次批准的Kymriah，針對的正是病情難治或出現複發的25歲以下ALL患者。

Kymriah是一款基於基因改造的自體T細胞免疫療法。該療法在提取患者的T細胞后，通過基因改造，將一種特定的蛋白（嵌合抗原受體，即CAR）裝入T細胞。經過改造的T細胞重新注射入人體后，能夠特異性識別白血病細胞表面的抗原（CD19），並將其殺死。

在此前的臨床試驗中，63名病情難治或出現複發的兒童及青年ALL患者接受了Kymriah治療，其3個月的緩解率達到83%。

CAR-T療法的具體原理是什麼，為什麼它能夠在對晚期白血病及淋巴瘤患者的臨床試驗中展現出驚人的療效？另一方面，為什麼CAR-T療法可能引發嚴重的副作用，甚至可能導致患者死亡？在通往大範圍應用的路上，這種療法還有哪些路要走？

在《環球科學》2017年4月刊的《CAR-T療法終結癌症？》一文中，3位賓夕法尼亞大學的醫學專家為我們帶來精彩講解：

撰文 | 小艾弗里 · 波西（Avery Posey,Jr.）

卡爾·朱恩（Carl June）

布魯斯·萊文（Bruce Levine）

翻譯 | 楊小魯

幾十年來，腫瘤免疫學家一直試圖利用人體自身的免疫系統來治療癌症。然而，在早期研究中，大多數調動人體內部的潛能來抗擊癌症的嘗試，結果都令人失望。失敗的原因是研究人員沒有大幅提升免疫系統中的主力軍——一種名為T細胞的關鍵免疫細胞的作戰能力。而只有提高T細胞識別和攻擊腫瘤細胞的能力，免疫系統才有可能在抗癌戰役中取勝，否則，無益於要求免疫細胞乘著紙飛機，拿著氣槍去戰鬥。

科學家第一次發現大幅提升T細胞大軍戰鬥力有助抗擊癌症，是20世紀80年代。當時，研究人員想從患者身上提取T細胞，在實驗室培養擴增，然後再輸回病人體內，增強患者免疫系統的抗癌能力。這種方法雖然對一些病人有效，但效果持續時間往往不長：注入病人體內的T細胞會越來越少，不久就消失殆盡。

為了解決這個問題，多個研究團隊開始從不同的角度進行攻關。其中，我們和同事提出的一種解決方案，現在已經在臨床試驗中被廣泛應用。20世紀90年代中期，我們中的兩個人（朱恩和萊文）正在研髮針對HIV的新療法，我們用的也是從病人體內提取T細胞的方法，但做了一些改進，使得增殖后的T細胞不僅數量更多、戰鬥力更強，而且存活時間也更長。大約十年前，一種用基因工程改造T細胞的新技術誕生，用這種方法得到的T細胞，不僅可以快速定位某些腫瘤細胞（比如白血病細胞或淋巴瘤細胞，這兩種細胞都是白細胞病變產生的），還能發起實時攻擊。

這種經過基因工程改造的T細胞被稱為CAR-T細胞（chimeric antigen receptor T cell，嵌合抗原受體T細胞）。過去幾年，已經有數十項研究對這種免疫細胞進行了測試，將近1000名晚期白血病或淋巴瘤患者參與了臨床試驗。在此過程中，一半甚至更多患者的壽命超過了預期壽命（具體情況因患者的病情不同而有所不同），還有幾百名患者體內甚至完全檢測不到腫瘤細胞的痕迹了。

單獨使用CAR-T療法或與其他療法聯合使用，將成為某些血液腫瘤的長效療法，這一觀點正逐漸成為腫瘤研究人員的一種共識。科學家下一步要解決的問題是，確認CAR-T療法對其他類型的腫瘤是否有效，以及更好地控制有可能導致病人死亡的嚴重副作用。回顧CAR-T療法20餘年的發展史，令人振奮，在衝破一個又一個障礙后，我們終於取得了今天的成功。

增強T細胞的殺傷力

最開始接觸CAR-T細胞，我們遇到的第一個任務就是，搞清楚怎樣才能增強患者T細胞的殺傷力，這個問題看似簡單，但對當時的我們來說，卻是一個不小的挑戰。正常情況下，只有收到來自另一種免疫細胞——樹突狀細胞（目前所知的功能最強的抗原呈遞細胞）的信號時，T細胞才會激活。激活后的T細胞會進入戰鬥模式：分裂併產生更多的T細胞（這些T細胞能識別攜帶同種抗原的腫瘤細胞），並釋放出一種名為細胞因子的化學物質，進一步激活人體的免疫系統。幾天後，T細胞會漸漸平靜下來，身體和免疫系統也會回歸正常狀態。

20世紀90年代中期，朱恩和萊文希望在實驗室模擬T細胞激活的過程，得到加強版T細胞，以對抗HIV。我們從患者身上提取一些T細胞，通過體外激活，使它們快速增殖，然後再注回患者體內。我們希望這些T細胞能提高患者免疫系統的戰鬥力，從而消滅HIV和其他容易感染艾滋病患者（進入HIV感染最後階段的病毒攜帶者被稱為艾滋病患者）的病原體。

首先，我們需要找到在體外激活T細胞的辦法。理論上，我們可以用患者的樹突狀細胞來激活T細胞，但不同病人的樹突狀細胞在數量和質量上差異很大，尤其是在患有艾滋病或癌症的人群中。為了解決這個問題，我們決定開發樹突狀細胞的人工替代品。最終，我們選擇了微型磁珠，這種磁珠表面覆蓋著兩種蛋白，不僅能模擬樹突狀細胞的功能，而且更高效。

我們從患者血液中提取T細胞，然後用微型磁珠給它們「充電」。5至10天後，每位患者的T細胞都增殖了100倍以上。現在，這種用微型磁珠激活T細胞的方法，已經被研究人員廣泛用在多項研究和臨床試驗中。

重新設計T細胞

在抗癌戰役中，免疫系統有兩個不利條件。一是免疫系統不會攻擊自身組織，而腫瘤細胞並非外來之物，是正常細胞癌變產生的，所以免疫細胞很難區分腫瘤細胞和正常細胞。二是即使被發現，許多腫瘤細胞也會使用一些伎倆，阻止免疫細胞向它們開火。腫瘤細胞非常狡猾，已經學會逃脫免疫細胞的追捕，並干擾免疫細胞的進攻。

為避免誤傷正常組織，免疫系統演化出了一套保護機制，只有確認癌細胞表面存在兩種分子時，T細胞才會開火。第一種是MHC（majoy histocompatibility complex，主要組織相容性複合體）分子，一種大的蛋白絡合物，主要功能是綁定由病原體衍生的肽鏈（即抗原，也就是樹突狀細胞「呈遞」給T細胞的靶標）。另一種是向T細胞發送信號，告訴T細胞開始攻擊的共刺激配體（co-stimulatory ligand）。如果沒有同時檢測到這兩種分子，T細胞就會放行。因此，癌細胞至少有兩種可以騙過免疫細胞，逃避免疫攻擊的伎倆：停止在細胞表面表達MHC分子，或表達另一種能向T細胞發送停火信號的共刺激配體。

可見，樹突狀細胞「呈遞」給T細胞的抗原，並不能幫助T細胞找到所有腫瘤細胞。能不能對T細胞進行基因改造，讓研究人員自己為T細胞選擇目標抗原呢？比如，選擇那些在癌細胞表面大量表達，而不一定是MHC呈遞的肽鏈，這樣一來會不會更高效？還有，如果T細胞不需要共刺激配體下達指令，而是檢測到抗原就徑直開火，戰鬥力會不會大增？CAR-T技術的出現，給研究人員帶來了希望，藉助新技術，上述兩個設想都可以實現。

從理論上說，解決方案是為T細胞導入一種基因，該基因可編碼一種名為嵌合抗原受體（CAR）的蛋白，顧名思義，嵌合抗原受體蛋白可以同時完成兩個任務：一是檢查腫瘤細胞中是否存在與嵌合抗體匹配的抗原，二是不需要共刺激配體信號激活T細胞，直接向腫瘤細胞開火。也就是說，嵌合抗原受體蛋白包含兩種蛋白，一種是名為抗體（通常針對細菌和病毒）的蛋白，另一種是能激活T細胞的蛋白。在設計中，我們會讓抗體部分伸出T細胞表面，以結合相應的腫瘤抗原；另一部分則深入細胞膜，一旦檢測到腫瘤抗原，就會發出信號，激活T細胞。

腫瘤靶向療法，即讓藥物瞄準特定的腫瘤抗原來對抗惡性腫瘤的方法，並不是新近才提出的。20世紀90年代，醫生就開始使用單克隆抗體來治療腫瘤，抗體會作用於僅存在於腫瘤表面的特異蛋白。但可惜的是，抗體在體內的存活時間一般不會超過幾個星期。通過基因工程將抗體嵌入T細胞，抗體的壽命將變得與T細胞一樣，可以存活數年。

怎樣給T細胞裝上嵌合抗原受體（即CAR），是另一個挑戰。我們決定利用艾滋病毒。眾所周知，艾滋病毒極易感染T細胞，我們先刪除艾滋病毒中會對人體造成危害的那部分基因，然後用可編碼嵌合抗原受體的基因替換它們。接著，我們從患者體內提取T細胞，使它們感染滅活的艾滋病毒。就像特洛伊木馬一樣，改裝后的艾滋病毒將我們需要的基因遞送給了T細胞；T細胞根據遞送基因的信息，生成嵌合抗原受體，並將其裝配到細胞表面。使用這種技術或其他技術，幾個不同的研究組（包括我們自己）已經成功合成了CAR-T細胞，只需識別腫瘤細胞表面的一個蛋白（不需要MHC分子或共刺激配體），CAR-T細胞就可以展開攻擊。而且，研究人員可以選擇讓T細胞攻擊哪種抗原，甚至是多種抗原，「量身定做」CAR-T細胞。

在20世紀90年代中期和本世紀初期，我們和其他研究人員共同努力，已經可以從HIV攜帶者身上提取T細胞，然後將其轉化為CAR-T細胞，並進行了臨床試驗。我們會繼續改進CAR-T技術，並希望在未來幾年，開發出更先進的艾滋病療法。

目前，有幾組癌症患者正在試用CAR-T細胞。用微型磁珠激活T細胞，用CAR-T技術重新設計T細胞，用滅活的HIV作為特洛伊木馬將編碼CAR的基因遞送給T細胞，我們希望這些技術可以完美地應用於臨床，最大限度地提高T細胞的作戰力。

通過臨床試驗，我們很快發現，CAR-T細胞是多麼強大。

治療非實體瘤

現在我們有了足夠壯大的T細胞大軍，還將每個T細胞改裝成了可以精準打擊目標的導彈。當然，攻擊目標最好是腫瘤細胞上有，正常細胞上沒有的抗原，這樣CAR-T就不會誤傷到正常細胞。但符合這個條件的抗原並不容易找，因為所有癌細胞都是正常細胞癌變產生的，所以腫瘤細胞和正常細胞上的抗原幾乎完全相同。如果CAR-T攻擊的目標是腫瘤細胞和正常細胞上都有的抗原，那健康組織和腫瘤將一起受到重創。

但有一個例外，可以幫助我們破解這個難題。某些白血病和淋巴瘤是由B細胞病變產生的。雖然B細胞是我們體內抗體的源頭，但沒有B細胞，人也可以存活，只要定期注射人工抗體。B細胞及癌變產生的白血病和淋巴瘤細胞，都攜帶名為CD19的表面蛋白。由於CD19在其他任何健康組織中都不存在，我們和其他研究人員都認為，CD19非常適合作為CAR-T細胞的攻擊目標。

我們先在小鼠中測試了這個想法。然後，在2010年初，我們開始了針對CD19的CAR-T細胞療法的臨床試驗。最初的3名患者都是患有晚期慢性淋巴細胞性白血病（CLL）的成年人，其他療法對他們已經沒有效果。

第一個接受治療的患者是威廉·路德維希（William Ludwig），一名退休的獄警。10年前他就知道自己患了癌症，治療前他身體各處的白血病細胞總重量已經超過5磅（約2.27千克）。2010年8月，醫護人員向他體內注入了10億個由他自己的細胞改造而成的CAR-T細胞。10天後，他出現了發燒、低血壓、呼吸困難等癥狀，這些都是治療導致的嚴重副作用，隨後他住進了重症監護室。我們後來了解到，超常量的T細胞被同時激活，會讓免疫系統釋放大量的細胞因子——這種名為細胞因子釋放綜合征（cytokine release syndrome）的嚴重副作用，很可能危及病人生命。

幸運的是，路德維希挺過來了，一個月後，醫生在他的身體里沒有發現任何白血病B細胞存在的跡象。這太令人感到意外了，臨床醫生又進行了一次活檢，結果再次證實他體內已經沒有白血病細胞。隨後，我們治療了另外兩個病人，他們的治療效果也非常好。現在，6年多過去了，路德維希和其他一個病人仍然活著，體內依舊沒有白血病細胞。進一步的測試顯示，病人血液和骨髓（有造血功能）中的CAR-T細胞變多了。最終，注入這3個患者中的每一個CAR-T細胞（或其子細胞），都殺死了1000至93 000個腫瘤細胞。幾個月後，我們在實驗室將病人血液中的CAR-T細胞分離出來時，它們仍然能殺死攜帶CD19分子的白血病細胞。實際上，這些「哨兵」已經成為一種「活的藥物」，它們將在很長一段時間裡繼續在身體里巡邏，避免腫瘤複發。

CAR-T療法的潛力

初步臨床試驗結果令人鼓舞，但我們卻沒有後續試驗的經費，不能開展更大規模的試驗。美國聯邦研究機構科研經費審查小組認為，我們的治療太冒險，不願進一步資助。儘管如此，我們還是向專業期刊提交了兩篇介紹前3名患者治療情況的論文。論文很快被接受，並於2011年8月分別發表在《新英格蘭醫學》和《科學·轉化醫學》雜誌上。隨後，媒體進行了廣泛報道，生物科技初創企業和一些老牌醫藥企業紛紛向我們伸出橄欖枝，主動聯繫我們所在的大學，希望獲得這項技術的授權。

最終，我們的一個研究項目獲得批准，得到了資金支持。2012年，我們開始了另一項臨床試驗，這次針對的病人是兒童。為了更好地開展研究，並在未來將療法提交美國食品及藥品管理局進行商業審批時，能有足夠的資金，賓夕法尼亞大學決定和諾華公司（Novartis）開展合作。我們的合作掀起了一股CAR-T技術轉讓和投資的熱潮，世界各地的許多醫學中心都紛紛成立生物技術公司，試圖開發新的CAR-T細胞。我們最新的、針對兒童病人的臨床試驗顯示，病童12個月後的總體生存率為62％，而使用傳統治療方案，病童同期總體生存率僅不到10％。

在過去幾年中，紀念斯隆凱特林癌症中心、西雅圖兒童醫院、弗雷德·哈欽森癌症研究中心與朱諾醫療公司（Juno Therapeutics）的聯合研究團隊，美國癌症研究所與凱德葯業公司（Kite Pharma）的研究團隊等，都報道了許多晚期白血病和淋巴瘤病例，治療效果都非常好。我們的研究中心已經用CAR-T療法治療了300名B細胞癌變患者。約一半的晚期慢性淋巴細胞性白血病患者的病情有明顯改善（基於病人體內白血病細胞減少等指標來判斷），約90％的急性淋巴細胞性白血病兒童的病情得到完全改善, 治療僅一個月，病童體內就找不到癌細胞存在的跡象。

為什麼CAR-T療法不能治癒所有攜帶CD19惡性腫瘤的病人，我們還沒有找到答案。一些病人中，腫瘤複發似乎是因為輸注的CAR-T在患者體內沒有增殖，或是因為白血病細胞演化出了不再產生CD19分子的特性，因此CAR-T奈何不了它們。即使如此，CAR-T療法在攻克惡性腫瘤方面取得的成績也是前所未有的。今年，預計有兩家研發CAR-T療法的公司將向美國食品及藥品管理局提交上市申請：一家是諾華公司，希望將CAR-T療法用於兒童急性淋巴細胞性白血病，然後較晚時用於淋巴瘤；另一家是凱德葯業公司, 希望將CAR-T療法用於一種淋巴瘤。

當然，CAR-T療法還有許多需要改進的地方。作為研究人員，我們仍在尋找更好的方法，以減少甚至避免嚴重副作用發生。雖然患者死於嚴重副作用的情況非常罕見，但確實有一些急性淋巴細胞性白血病患者在治療時死亡，部分原因可能是這些患者本身健康狀況不佳，以及不同的研究機構設計的CAR-T細胞之間存在差異。

現在，我們還處於CAR-T療法發展的初級階段。當務之急是擴大CAR-T療法的適用範圍，讓更多的B細胞癌變患者和其他腫瘤患者受益。並繼續通過臨床試驗，檢驗一些最新的理論和技術，不斷完善CAR-T療法。如果要用CAR-T療法治療B細胞惡性腫瘤以外的腫瘤，研究人員需要先找到合適的抗原（這些抗原應在腫瘤細胞上大量存在，但在健康組織中不存在），並設計出針對它們的CAR-T細胞。例如，我們中的一位（波西）就正在開發一種適用於乳腺癌和胰腺癌的CAR-T細胞。白血病和淋巴瘤屬於非實體瘤，癌細胞在血液中流動，比較容易被CAR-T細胞識別，與它們相比，乳腺癌和胰腺癌以及其他實體瘤，更擅長逃避免疫系統的追捕和攻擊。波西正在設計一種可識別實體瘤細胞的新型CAR-T細胞，它將搜索兩種靶標，而不是一種：第一種是僅存在於腫瘤細胞表面、可使腫瘤細胞加速增殖的一種糖分子；第二種是腫瘤細胞和正常細胞共有的一種蛋白質。從理論上說，同時具備這兩個靶標的，只有腫瘤細胞，所以這種特定的CAR-T細胞很安全，不會傷及正常組織。

科學的發展不可能是一帆風順的，實驗失敗、理論被推翻、各種各樣的阻撓，都是科研路上不可避免的絆腳石。經過長時間的探索，現在，我們已經在晚期白血病和淋巴瘤病例中看到了治癒癌症的曙光，這讓我們更加堅信，CAR-T細胞是一個極有潛力的研究方向，它或許會成為抗癌戰役中的一股決定性力量。