使用可生物降解支架增強CART細胞療法

CAR-T細胞療法正在改變以前無法治愈的血癌的治療方法。六種獲批的CAR-T產品已用于20,000多人，500多項臨床試驗正在進行中。然而，根據馬薩諸塞州總醫院最近的一項研究，在接受CAR-T細胞療法治療的100名患有淋巴瘤、骨髓瘤或B細胞急性淋巴細胞白血病的患者中，24%只有部分反應，20%根本沒有反應——這些是接受CAR-T療法治療的患者的典型成功率。

CAR-T細胞是由患者自身的免疫T細胞產生的，方法是將所謂的“嵌合抗原受體”（CAR）引入其分子庫，使它們能夠尋找并殺死特定的癌細胞。在體外進行費力且昂貴的工程和擴增后，它們被重新施用于同一患者作為活體治療藥物。

腫瘤學研究人員懷疑，令人失望的治療結果可能是多種情況的結果，包括給患者服用的CAR-T細胞產品質量差，或者CAR-T細胞在患者體內存活的時間不夠長或腫瘤對抗能力耗盡。迫切需要新的治療策略來幫助克服這些缺點，并進一步提高CAR-T細胞在制造過程中甚至在患者體內的質量和功效。

現在，哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所和哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的一個研究小組開發了一種簡單的干預措施，其形式是可生物降解的支架材料，可以局部注射到皮膚下，并在給藥后用于重新注射CAR-T細胞，以提高其治療效果。在發生侵襲性血液腫瘤并用非治愈劑量的CAR-T細胞治療的小鼠中，該團隊的“T細胞增強支架”（TES）顯著抑制了腫瘤生長并延長了動物的生存時間。CAR-T細胞治療效果的提高是由于TES能夠增加血液循環中CAR-T細胞的數量，并引導它們分化為T細胞的腫瘤殺傷亞型。研究結果發表在《自然生物醫學工程》雜志上。

已經開發了許多CAR-T細胞刺激方法，除了引入CAR受體外，還對患者的T細胞進行了其他基因修飾，以更好地維持其治療效果（細胞內在），或者在疫苗的啟發下，靶向免疫系統的其他部分以支持CAR-T細胞的腫瘤細胞攻擊（細胞外源性）。然而，它們中的大多數都涉及新的挑戰，包括CAR-T細胞制造過程中更復雜的細胞操作，以及在細胞內在方法的情況下控制產生的細胞行為，或者在細胞外在方法的情況下對身體的意外副作用。

在皮膚下形成假淋巴結

“以前，我們的團隊設計了生物材料支架，通過模擬抗原呈遞細胞（APC）來擴增用于培養皿中免疫治療的T細胞，APC通常通過向T細胞呈遞腫瘤抗原來重新編程淋巴結中的T細胞。我們假設這個基本概念也可以應用于有效刺激體內的CAR-T細胞 - TES基本上可以作為假淋巴結發揮作用，“共同第一作者David Zhang說，他在Mooney的小組中獲得了博士學位。

TES生物材料支架由微小的可生物降解介孔二氧化硅棒（MSR）組成，當注射到皮膚下時，這些支架會自組裝成3D的、可滲透細胞的支架結構，并通過小血管將自己連接到血液循環。TES 裝載了一種稱為白細胞介素-2 （IL-2） 的可溶性分子，該分子不斷釋放并刺激 T 細胞從血液循環進入 TES 的增殖。此外，MSR涂有雙層脂質，模擬T細胞在淋巴結中遇到的APC的外細胞膜。該脂質層向 T 細胞表面的 T 細胞受體呈遞兩種抗體分子，即抗 CD3 和抗 CD28，其方式類似于 APC 呈遞的腫瘤抗原通常刺激受體的方式。然后誘導CAR-T細胞增加其數量并分化為T細胞的腫瘤殺傷亞型。

首先，研究人員確定了TES中最佳的抗CD3：抗CD28抗體比例和數量，這有助于招募最大數量的培養CAR-T細胞，并誘導它們成為具有腫瘤細胞殺傷潛力的“效應T細胞”。當注射到小鼠的皮膚下時，TES將自己與動物的脈管系統連接起來，并在超過三周的時間內保持血管化結節的可追蹤性。滲透其多孔網絡的細胞中超過60%是中性粒細胞，這是一種充當免疫系統第一道防線的白細胞，而較小但很重要的比例由T細胞組成，這些T細胞通常是延遲和更具靶向特異性的腫瘤細胞（或病原體）定向免疫防御的一部分。

研究人員認為，“通過引起一些輕微的炎癥，TES支架刺激它們的血管形成，并幫助吸引某些類別的免疫細胞，這將增加被動通過TES的免疫細胞，”共同第一Joshua Brockman博士說，他是Mooney團隊的博士后研究員，現在是威斯康星大學麥迪遜分校的助理教授。“通過在不同時間點再次移除注射的支架，用CAR-T細胞培養它們，并測量細胞的活化水平，我們能夠得出結論，TES可以在注射后至少七天內刺激CAR-T細胞。

腫瘤中的TESting

為了測試TES作為治療增強劑的潛力，研究小組使用了人類伯基特淋巴瘤的臨床相關小鼠模型，這是一種由B細胞癌變并影響許多器官引起的血癌。他們首先給小鼠施用人類淋巴瘤細胞，然后給它們治療劑量的針對這種腫瘤開發的CAR-T細胞，然后再將TES注射到動物的皮膚下。重要的是，含有IL-2、抗CD3和抗CD28因子的完整補體的TES使循環CAR-T細胞的數量比缺乏這三個因子的空白TES增加了五倍以上，并且更多的CAR-T細胞獲得了腫瘤細胞殺傷潛力。當在其他相同的環境中使用不足以治愈癌癥的較低劑量的CAR-T細胞（亞治愈劑量）時，CAR-T細胞的增殖甚至更多。

“TES將CAR-T細胞吸收到它們的多孔結構中，在那里它們促進了它們的增殖、活化和分化，并最終它們進入血液以執行其腫瘤殺傷功能，”Zhang總結道。“而且，重要的是，雖然接受低治愈劑量的CAR-T細胞和空白TES的淋巴瘤動物很快死于擴散的癌癥，但注射CAR-T細胞和功能齊全的TES的動物存活了更長的時間。

Brockman補充說：“這種侵襲性淋巴瘤小鼠模型是提供概念驗證的理想工具。然而，它對應于處于疾病晚期的癌癥患者，其治療需要大量的細胞毒性 T 細胞潛力。在將TES進一步轉化為人類患者時，可能需要更持久和更平衡的方法，這也增強了CAR-T細胞對腫瘤的記憶。

“Dave Mooney團隊的這項研究證明了使用工程學來模擬多細胞相互作用的力量，這對我們的免疫系統抵抗癌癥的能力至關重要。這項技術可以大大改變許多接受CAR-T療法的癌癥患者的生活，這些患者尚未從中受益，“Wyss創始董事Donald Ingber博士說，他也是哈佛醫學院和波士頓兒童醫院的Judah Folkman血管生物學教授，以及SEAS的Hansj?rg Wyss生物啟發工程教授。

該研究的其他作者是Kwasi Adu-Berchie，Yutong Liu，Yoav Binenbaum，Irene de Lázaro，Miguel Sobral和Rea Tresa。該研究由哈佛大學Wyss研究所，食品和藥物管理局（獎項#5F01FD006589）和美國國立衛生研究院（獎項#1R01EB015498，#R01 CA276459 和U01CA214369）資助。