2024年10月9日，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)先驅(qū) David Baker 教授與 AlphaFold 開(kāi)發(fā)者 Demis Hassabis、John Jumpe 共同獲得了2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

       不管是化療還是細(xì)胞療法，在癌癥治療過(guò)程中都可能帶來(lái)副作用。這在很大程度上是因?yàn)檫@些療法不僅會(huì)靶向腫瘤細(xì)胞，也可能會(huì)影響體內(nèi)的健康細(xì)胞。同樣，由于腫瘤細(xì)胞和健康細(xì)胞之間的相似性，設(shè)計(jì)新的抗癌藥物或療法也具有挑戰(zhàn)性。例如，CAR-T細(xì)胞療法，通過(guò)工程化改造T細(xì)胞，使其識(shí)別并靶向腫瘤細(xì)胞表面的抗原，從而精準(zhǔn)殺傷腫瘤細(xì)胞，但實(shí)際上，這些抗原往往在非腫瘤細(xì)胞上也有所表達(dá)，從而導(dǎo)致所謂的非腫瘤靶向毒性（On-Target Off-Tumor）。

       2024年11月14日，David Baker 團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)舊金山分校 Kole T. Roybal 團(tuán)隊(duì)合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Engineered receptors for soluble cellular communication and disease sensing 的研究論文^【1】。

       該研究開(kāi)發(fā)了一種高度可定制的工程化受體——合成膜內(nèi)蛋白水解受體（synthetic intramembrane proteolysis receptor，簡(jiǎn)稱SNIPR），這種受體可以感知周圍環(huán)境中的分子，并據(jù)此改變細(xì)胞內(nèi)基因的表達(dá)?；谠撌荏w構(gòu)建的CAR-T細(xì)胞能夠只在特定環(huán)境中被激活（例如在腫瘤附近），從而減少非腫瘤靶向毒性（On-Target Off-Tumor）。

       腫瘤小鼠模型實(shí)驗(yàn)顯示，SNIPR-CAR-T細(xì)胞特異性靶向并顯著縮小了腫瘤，對(duì)健康組織的影響最小，且沒(méi)有產(chǎn)生CAR-T細(xì)胞療法中常見(jiàn)的副作用。

       研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究可能會(huì)導(dǎo)致癌癥療法的發(fā)展，通過(guò)向腫瘤的精準(zhǔn)遞送，讓細(xì)胞療法更有效，且副作用更少，還可能為癌癥之外的其他疾病（例如自身免疫疾?。?lái)新型靶向療法。

       盡管近年來(lái)哺乳動(dòng)物合成生物學(xué)取得了顯著進(jìn)展，但仍缺乏能夠?qū)扇苄耘潴w產(chǎn)生穩(wěn)定響應(yīng)并進(jìn)而激活特定細(xì)胞功能的模塊化合成受體。

       這種受體在調(diào)節(jié)工程化細(xì)胞療法活性方面具有廣泛的臨床潛力，然而，到目前為止，已上市的和進(jìn)入臨床試驗(yàn)的細(xì)胞療法都只靶向位于腫瘤細(xì)胞表面的靶點(diǎn)。

       早在2016年，Kole T. Roybal 曾作為第一作者在 Cell 期刊發(fā)表論文^【2】，開(kāi)發(fā)了一種新型傳感器——synNotch受體，將該受體整合到T細(xì)胞表面，能夠識(shí)別腫瘤細(xì)胞并激活免疫反應(yīng)。但這種工程化受體只能識(shí)別腫瘤細(xì)胞表面的配體，依賴于細(xì)胞之間緊密的物理接觸來(lái)發(fā)揮作用。

       腫瘤細(xì)胞由健康細(xì)胞演化而來(lái)，這導(dǎo)致它們之間其實(shí)非常相似，腫瘤細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)往往也存在于健康細(xì)胞表面。這就是導(dǎo)致只能被細(xì)胞表面蛋白激活的受體在實(shí)際應(yīng)用中非常受限。實(shí)際上，腫瘤所產(chǎn)生的許多其他分子可能在識(shí)別腫瘤環(huán)境方面更有用。

       在開(kāi)發(fā)出 synNotch 受體后，Kole T. Roybal 一直在研究對(duì)synNotch受體的升級(jí)改造。最終促使他們開(kāi)發(fā)出了新的工程化受體——合成膜內(nèi)蛋白水解受體（SNIPR），SNIPR不只能夠被細(xì)胞表面配體所激活，還能被可溶性配體所激活，因此可以感知并結(jié)合細(xì)胞周圍環(huán)境中的可溶性分子或自由漂浮分子，例如腫瘤環(huán)境中的免疫信號(hào)分子。當(dāng)這些分子與相應(yīng)的SNIPR結(jié)合時(shí)，多個(gè)受體會(huì)聚集并翻轉(zhuǎn)到細(xì)胞內(nèi)部，直接與細(xì)胞內(nèi)的DNA相互作用，從而改變基因表達(dá)。此外，在一個(gè)細(xì)胞上表達(dá)多個(gè)SNIPR，可以調(diào)控不同的基因，或以不同的方式調(diào)控同一個(gè)基因。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因活性的打開(kāi)、關(guān)閉或調(diào)控。

       近年來(lái)，嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T）療法在血液類腫瘤中產(chǎn)生了令人印象深刻的強(qiáng)大療效，該療法通常通過(guò)基因工程改造來(lái)自癌癥患者的T細(xì)胞，再回輸?shù)交颊唧w內(nèi)，使其識(shí)別和攻擊癌細(xì)胞。然而，CAR-T細(xì)胞療法在占據(jù)癌癥類型和數(shù)量絕大多數(shù)的實(shí)體瘤中卻不太成功，其中部分原因是實(shí)體瘤細(xì)胞缺乏可被T細(xì)胞識(shí)別的腫瘤特異性抗原。

       在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)將新設(shè)計(jì)的SNIPR整合到了CAR-T細(xì)胞中（通過(guò)電穿孔整合到基因組特定位點(diǎn)，降低使用病毒載體可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)），他們?cè)O(shè)計(jì)靶向兩種可溶性免疫分子TGF-β和VEGF的SNIPR，這兩種分子通常在腫瘤環(huán)境周圍高水平存在。

       體外實(shí)驗(yàn)表明，只有在TGF-β和VEGF存在的情況下，SNIPR才會(huì)啟動(dòng)CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤活性，因此，這些CAR-T不會(huì)在不受癌癥影響的身體區(qū)域啟動(dòng)免疫應(yīng)答，從而減少非腫瘤靶向毒性（On-Target Off-Tumor）。

       接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了體內(nèi)驗(yàn)證，在攜帶人類腫瘤的小鼠體內(nèi)，SNIPR-CAR-T細(xì)胞能夠特異性地靶向并攻擊腫瘤，在沒(méi)有引起CAR-T細(xì)胞療法常見(jiàn)的副作用（例如體重減輕、器官損傷）的情況下顯著縮小了腫瘤，最大限度地減少對(duì)健康組織的損傷。

       論文共同通訊作者、2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主 David Baker 教授表示，這讓免疫療法有了雙重驗(yàn)證，首先，免疫細(xì)胞必需處于特定環(huán)境中（例如腫瘤周圍）才可能啟動(dòng)免疫反應(yīng)，然后，免疫細(xì)胞本身再去識(shí)別并攻擊癌細(xì)胞。

       SNIPR作為一個(gè)擴(kuò)展平臺(tái)，能夠與一系列天然配體或合成配體相互作用（不管其是拴系的還是可溶性的），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的精確調(diào)控，用于基礎(chǔ)研究和疾病治療。SNIPR的多功能特性使其成為改進(jìn)當(dāng)前細(xì)胞療法的有力工具，有望實(shí)現(xiàn)更安全的細(xì)胞治療，同時(shí)也可能用于自身免疫性疾病的治療。

       據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)研究在多種細(xì)胞類型中使用SNIPR的方法，使用它們來(lái)介導(dǎo)不同細(xì)胞類型之間的通信。此外，Arsenal Bio公司正在CAR-T細(xì)胞臨床試驗(yàn)中驗(yàn)證該技術(shù)，Kole T. Roybal 是該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。

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       2024年10月17日，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院謝琦、曹龍興團(tuán)隊(duì)（夏真、金啟涵為共同第一作者）在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 上發(fā)表了題為：Targeting overexpressed antigens in glioblastoma via CAR T cells with computationally designed high-affinity protein binders 的研究論文^【3】。

       該研究利用計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)，從頭設(shè)計(jì)了靶向膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞表面高表達(dá)的腫瘤抗原EGFR和CD276的高親和力結(jié)合蛋白（binder），代替典型的scFv來(lái)構(gòu)建CAR-T細(xì)胞，用于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的治療，顯示出了更強(qiáng)的實(shí)體瘤治療效果。

       該研究開(kāi)發(fā)了一種策略，利用從頭設(shè)計(jì)的結(jié)合蛋白（de novo-designed binder，DNDB）代替典型的scFv作為腫瘤表面抗原結(jié)合域，以增強(qiáng)CAR-T細(xì)胞的抗腫瘤潛力。該研究從頭設(shè)計(jì)的EGFR和CD276 binder CAR -T細(xì)胞不僅局限于靶向膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，還可能有效治療許多其他高表達(dá)EGFR或CD276的實(shí)體瘤，例如非小細(xì)胞肺癌和胰腺導(dǎo)管腺癌。

       據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)已與臨床醫(yī)院合作，正在開(kāi)展CD276 binder CAR-T細(xì)胞治療復(fù)發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的研究者發(fā)起的臨床實(shí)驗(yàn)（IIT）。

       論文鏈接：

       1. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08366-0

       2. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)00051-93.?https://www.nature.com/articles/s41551-024-01258-8