能够“肇事逃逸”的CAR-T疗法

医药 来源:康健新视野(微信号 HealthHorizon) 作者:遇见未来 0评论


可生物降解的纳米粒子(黄色的)搭载着短期活性的基因疗法,靶向进入到特定的细胞中(浅蓝色)。图片来源:HUTCH NEWS

科学家们寻求一种简单的、柔和的方法来提供短期的基因治疗,他们有了一个新的工具:纳米粒子。在8月30日《Nature Comminications》发布的一篇文章中,来自福瑞德哈金森肿瘤研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的 Matthias Stephan博士,描述了他所开发的纳米粒子将使搭载的基因材料递送到特定的细胞。

“我们所做的是‘肇事逃逸’的基因治疗,”在这种策略中,对于特定细胞做一个简单的改变可以产生永久的治疗效果,领导这项研究的免疫生物学工程师Stephan表示。


Matthias Stephan博士

目前,科学家们寻求基因治疗时,要么靶向性永久改变细胞DNA的方法,要么对细胞造成短期破坏的方法,但不能够严格应用于特定的细胞。现在,科学家们有了第三种选择。

“这是一个非常酷的技术,”联合作者Hans-Peter Kiem博士对这种纳米粒子评价说。他是福瑞德哈金森肿瘤研究中心细胞和基因疗法的主任,是骨髓移植的专家,他使用基因疗法改善了关于成胶质细胞瘤和HIV的治疗,以及其他一些遗传疾病,例如范科尼贫血和血红蛋白病。


Hans-Peter Kiem博士

纳米粒子能够柔和的、短期的提供基因编辑蛋白到特定的细胞这是“真正的的关键”,这使得新方法脱颖而出,他说。新方法可能有一天也会足够简单,在世界范围内灵活的进行短期的基因治疗。目前的方法通常需要工程化细胞,这需要专业的技术,而新方法则有望在缺乏这样专业技术的地区使用。

获胜的组合

我们的细胞依赖蛋白质运行,而我们的DNA以基因的形式携带着蛋白质的“配方”。当一个基因工程师添加了一个新的基因到细胞中,细胞“读取”了基因并产生新的蛋白质,并且获得了蛋白质所提供的功能。

科学家已经使用这种仔细重置的细胞DNA来改善健康,例如,细胞免疫治疗的先驱旨在帮助拯救癌症患者的生命,通过给到经过基因重组的免疫细胞来摧毁癌症。

迄今,遗传工程师需要在两种方法之间做出选择:

首先,是一个长期策略,例如那些使用细胞免疫疗法或者干细胞基因治疗。这些依赖于仔细的构建只能进入特定细胞的载体分子,一旦进入,就会将新的基因拼合到这些细胞的DNA中。但是这种拼合要通过一个细胞周期。如果科学家们想要导入的基因会导致长期的负面作用,这就成为了一个难题。

第二种方式,称为电穿孔法,不会永久的改变细胞的DNA,但是依然会有明显的弊端,Kiem表示。电穿孔法“对于细胞来说非常粗鲁,而我们也难以真正靶向任何特定的细胞,”他说。

在电穿孔法中,电流会在细胞外膜上开一个孔。通过这种方法,如同Kiem在内的研究人员就可以导入信使RNA,这是一种类型的遗传物质,可以如同用会消失的墨水书写的信息:信使RNA携带蛋白质构建的操作步骤,从基因到细胞内任意位置的蛋白质制造工厂,然后迅速的降解。如果研究人员通过电穿孔将信使RNA导入细胞,制造特定的蛋白质,那么这些细胞只能在信使RNA解体前的短短期间内构建目标蛋白质。

在电穿孔法中,每一个细胞的膜都会暴露在电流中,变得具有渗透性。如果科学家需要选择性的修饰细胞,他们必须通过更复杂的步骤去将这些细胞分离。

现在,Stephan将两种方法的优点结合在了一起,得到了一种非常柔和、又具有靶向性并且只造成短期影响的技术。纳米粒子由捆绑的合成信使RNA组成,用一种可被生物降解的外壳包被。合成的信使RNA相比于天然的RNA来说更加安全和稳定。外壳上布满了可以帮助纳米粒子精确靶向正确细胞类型的分子。

研究人员发现,在纳米粒子被目标细胞吸收后的几个小时内,这些细胞就会根据所接收到的新信使RNA开始大量合成蛋白质。然后,在几天内,随着信使RNA的降解,蛋白质的生成就停止了。

Stephan指出,新方法很简单:纳米粒子以一种干燥的形式出现,只是需要在被添加到细胞中之前,加入少量的水和做少量的混合即可。

他说:“它们真的让你实现了作为一名基因工程师所有的愿望,因为你可以在打包所有不同的(基因疗法)组件,进一步改善你的细胞产品的治疗潜力,而不需要额外的制造步骤。”

小步骤,大改变

为了证明他的纳米粒子的潜力,Stephan和他的团队测试了三种不同的应用,旨在使各种实验性癌症疗法更安全,更有效。

尤其是,Stephan专注于使用纳米粒子来改善一种称为嵌合抗原受体(CAR)T-细胞疗法的细胞免疫疗法。在这种疗法中,被称为T细胞的免疫细胞接收到编码CAR的基因,这是一个由实验室设计的分子,指导他们识别并摧毁癌细胞。Stephan展示了他的“肇事逃逸”基因疗法可以通过去除T细胞中不同的基因来提升这种方法,而这些基因可能会导致他们攻击患者的健康组织。

使用他的纳米粒子,通过他的同事Barry Stoddard博士开发的DNA剪切分子剪刀,他递送了信使RNA。然后,用剪刀剪掉了那些不想要的基因,让新设计的CAR-T细胞只专注于目标肿瘤细胞。

在另一组实验中,Stephan和他的团队表明,他们也可以通过短期提供给这些细胞一组特定特征的基因来提升CAR-T细胞。来自福瑞德哈金森肿瘤研究中心的细胞免疫治疗领域的创新者已经表明,使用一种称为“中央记忆”T细胞的特殊T细胞类型,对于癌症最有效;中央记忆T细胞可以长期存活,“记住”它们的目标,并生成新的T细胞群。如果这个目标——肿瘤,卷土重来的话。

Stephan的研究小组证明,通过给予CAR-T细胞关键的中央记忆基因,仅仅需要几天,他们就可以永久地编程治疗细胞,成为中央记忆CAR-T细胞。当研究人员在白血病小鼠模型中测试他们的工程细胞时,他们发现,接受CAR-T纳米粒子编程的中央记忆T细胞的小鼠,存活时间是接受常规CAR-T细胞的两倍。只要老鼠给传统汽车T细胞——令人难以置信的治疗进步,仅仅需要一个简单的步骤就可以获得,Stephan指出。

最后,他还与Kiem合作,看看这些纳米粒子是否能改善Kiem的基因治疗应用。Kiem研究血液干细胞,这是我们所有血液和免疫细胞的来源。他已经开发了一种基因治疗方法,可以帮助改善脑瘤治疗。一种叫做苄基鸟嘌呤的分子有助于使脑癌细胞易于化疗,但不幸的是也会损害血细胞。Kiem已经表明,在患者的血液干细胞中插入一种能保护患者血液的基因,就可以让患者在不冒有毒副作用的情况下,兼顾化学疗法的治疗效果。

“这些经过基因编辑的细胞越多,它们的治疗效果就越好,”Kiem说。但是,他指出,血液干细胞需要特别温和的处理。当它们分裂时,就失去了作为新的血液和免疫细胞的永久来源的能力。另一方面,通过操纵特定的基因强迫它们作为干细胞长期存在,也可能会导致癌症。

Kiem和Stephan发现他们所设计的纳米粒子是为了克服这一障碍而量身定做的。当他们使用纳米粒子快速提供一种基因,这种基因只在他们分裂的时阻止细胞去干细胞化,从而使干细胞的数量增加了一倍,而又没有患癌症的风险。

下一步计划

“这只是众多例子中的三个,”Stephan说,他正在与几家致力于改善T细胞治疗癌症的公司合作。他希望这种方法的简单性和可扩展性也会吸引其他合作者。

Kiem还看到了广泛的潜在应用。他希望通过基因编辑来解决大量的疾病,从血液失调到HIV感染。他和Stoddard 已经联合起来,通过使用Stoddard 的分子剪刀编辑细胞的DNA来制造抗艾滋病病毒的纳米粒子。Kiem说,Stephan的纳米粒子有可能使现在复杂的多步过程变得更加简单,这使得研究人员能够只需一步就可以对正确的细胞进行基因编辑。

而且由于Stephan的纳米颗粒是干燥的,他们不需要特殊的运输或储存条件。Kiem说,运送和使用纳米颗粒的简单性,意味着他们可以在世界范围内,为缺乏高科技细胞工程条件的地区带来短期基因治疗,这正是大多数艾滋病患者所在的地方。如果有一天,他们的治疗方法可以用未冷冻的瓶子运送,“那就更有吸引力,更可行。”

目前,纳米粒子正在进行体外实验,但也有可能在经过大量的调整和测试后,有一天它们可以在患者体内进行短期基因治疗。

“那样就太奇妙了,”Kiem说。

参考资料

[1] New nanoparticles make targeted,temporary gene therapy possible

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