专家点评 | 打破CAR-T疗法副作用魔咒，中国科学家首次解密CRS发生机制
嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）疗法通过对肿瘤杀伤性T细胞进行基因工程化改造，使其能够特异性靶向结合肿瘤细胞表面抗原，提升肿瘤细胞清除效果。CAR-T疗法的发展日新月异，在抗B细胞恶性肿瘤的临床应用方面取得了成功。尽管如此，细胞因子释放综合征（CRS）作为CAR-T疗法的一个常见急性副作用，大大削弱了其为患者带来的益处。
CRS的发生率因CAR-T治疗所针对的癌症类型而异，一般来说，患者的癌症范围越广，接受的CAR-T细胞就会越多，CRS就越有可能发生。据报告，总体上有37%–93%的淋巴瘤患者和77%–93%的白血病患者出现了CRS。
CRS是由急性炎症反应触发的，其特征是与血清细胞因子升高相关的发热、低血压和呼吸功能不全。尽管巨噬细胞被报道参与了CAR-T细胞治疗的人源化小鼠模型CRS的发病机制，但触发CRS的机制尚不清楚。
近期，由中国医学科学院的黄波博士带领的研究团队，首次解锁CAR-T细胞引发“细胞因子风暴”全过程，揭示了CAR-T疗法中CRS的发生机制，提出预防CRS的潜在方案。相关研究成果于1月17日发表在 Science Immunology 上 [1]。
图片来源：Science Immunology [1]
首先，为了弄清细胞因子释放综合征是如何产生的，研究人员观察了从B细胞急性淋巴细胞白血病（B-ALL）患者中分离的CD19+原发性白血病细胞与靶向CD19的CAR-T细胞共培养时的反应。他们发现CAR-T细胞引发了CD19+白血病细胞焦亡。“细胞会肿胀，你可能会在它们死亡时，看到气泡从中爆裂。”黄波博士说道。
知识卡：细胞焦亡，又称细胞炎性坏死，是一种程序性细胞死亡，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。相比于细胞凋亡，细胞焦亡发生的更快，并会伴随着大量促炎症因子的释放。
B-ALL CD19+原发性白血病细胞与CAR-T细胞共培养时的气泡形成。（视频来源：TheScience）
进一步研究揭示，CAR-T细胞能释放一种叫做穿孔素的蛋白质，在肿瘤细胞膜上打孔，让另一种因子——颗粒酶B进入靶标肿瘤细胞，进而激活caspase 3-gasdermin E（GSDME）通路，引起细胞焦亡。而细胞焦亡相关因子能促进巨噬细胞gasdermin D（GSDMD）裂解，导致细胞因子的释放和随后的CRS。
接下来，研究人员通过小鼠模型证明了GSDME介导的细胞焦亡在体内触发了由CAR-T细胞治疗引起的CRS。同时，在这些小鼠中，他们发现敲除GSDME、破坏巨噬细胞或阻断激活GSDMD的酶均可预防CRS。
不过，CAR-T细胞可以利用穿孔素和颗粒酶B诱导肿瘤细胞焦亡，天然肿瘤特异性T细胞也可以利用相同的穿孔素和颗粒酶B机制攻击靶细胞，但后者导致的是肿瘤细胞凋亡而不是焦亡，这是为什么呢？
研究人员进一步探索，得出的答案是：1）CAR-T细胞比天然肿瘤特异性T细胞释放的穿孔素/颗粒酶B的数量更多、亲和力更高。2）天然肿瘤特异性T细胞只诱导少量GSDME裂解，且不激活GSDMD。
最后，为了进一步验证这些结果，研究人员分析了在CD19-CAR-T细胞治疗前从11名患者中分离出的原发性B-ALL癌细胞中的GSDME水平。他们发现，尽管来自患者的白血病细胞普遍表达GSDME（下图N），但GSDME水平与CRS严重性正相关（下图O）。
此外，研究还发现CRS患者的三磷酸腺苷（ATP）远高于健康志愿者，血液乳酸脱氢酶（LDH）水平与CRS的严重程度呈正相关。
这些结果一致证明，由CAR-T细胞治疗引起的白血病细胞焦亡在患者中触发了CRS。
总结来说，该研究揭示了CAR-T疗法中CRS的发生机制，以及CAR-T细胞与天然肿瘤特异性T细胞引起的细胞死亡类型差异的原因，并且发现对CRS发生的多个环节进行干预均能阻断炎症风暴的发生，这为接下来的CAR-T疗法优化提出了潜在方案。
关于这项研究成果为行业人士带来哪些启示，医药魔方采访了国内CAR-T细胞疗法新锐公司艺妙神州创始人何霆博士。自成立以来，艺妙神州一直专注于基因细胞药物研发，其产品线覆盖血液肿瘤和实体肿瘤等多个领域，已与多家知名医院开展临床合作。
何霆博士表示，CAR-T疗法近几年获得了突破性进展。2017年FDA分别批准了两种抗CD19的CAR-T细胞（Kymriah 及Yescarta）产品上市，目前国内虽未有CAR-T产品上市，但自2018年以来已有十几个产品获批临床试验，这是对CAR-T细胞治疗疗效的肯定。不过，任何治疗药物或方法都会伴随副作用，CAR-T细胞治疗也不例外，CRS即为其主要副作用之一。
在这项成果发表之前，对于CRS的认识还比较有限，它的发生机制尚不完全清楚。有报道认为CRS是CAR-T细胞作用于靶抗原时迅速活化、增殖，导致免疫系统高度激活，多种细胞因子大量释放引起的。而这项研究指出CAR-T细胞由于释放大量穿孔素和颗粒酶B，激活了caspase 3- gasdermin E途径，从而导致细胞焦亡和随后的CRS，从更深层次解释了CAR-T疗法引起CRS的机制。
一般来说，若怀疑患者发生了CRS，需依据主要症状（发热、低血压、低血氧）进行分级处理，主要为对症治疗、托珠单抗和激素治疗，近些年也有报道血浆置换可作为严重CRS的一种处理方式。总之，早识别并及时治疗是减少严重CRS发生率的有效方法。不过，尽管目前公布了一些影响CRS的相关因素和预测指标，但公布的可预测严重CRS的指标较少。这项研究提示GSDME水平与CRS严重性正相关，CRS患者的ATP 远高于健康志愿者，这为CRS的预测提供了更多的依据。同时，该研究揭示了CRS发生的分子机制，表明CAR-T细胞和天然肿瘤特异性T细胞导致的细胞死亡类型之间存在机制上的差异，对从机制上减少CRS的发生及CAR的结构设计都有很好的启发。
何霆博士还谈到，CAR-T细胞治疗是一种新兴的细胞免疫治疗，目前仍有很多问题需要解决，除了克服其主要副作用CRS外，还有很多领域有待探索，比如自体CAR-T技术的成本依然较高；CAR-T细胞治疗靶向性较强，亟需更多的特异性肿瘤靶点；虽然CAR-T疗法已在复发难治或至少经过二线治疗失败的血液瘤患者中证实其疗效，但对于病情较轻的患者研究较少；实体瘤比血液肿瘤的免疫调控机制更为复杂，是对CAR-T更大的挑战。
不过，正如黄波博士团队的这项研究深入揭秘了CRS机制一样，科学家们孜孜不倦的探索正在一点点攻克CAR-T疗法中的其他难题。相信CAR-T疗法将越来越成熟，并更好地为广大患者带来福音。
相关论文：
[1] Yuying Liu et al. Gasdermin E-mediated target cell pyroptosis by CAR-T cells triggers cytokine release syndrome. Science Immunology (2019).
参考资料：
1# Side Effect of CAR-T Therapy Caused by Pyroptosis: Mouse Study（来源:TheScience）
2# Deciphering a cancer treatment’s dark side（来源: Science）