CAR-T细胞疗法治疗血癌已经取得了一定的成功，但在实体瘤上的应用还存在很多局限性。过表达的肿瘤相关抗原（如EGFR和HER2）是治疗性T细胞有吸引力的靶点，但CAR-T细胞可能与表达低水平靶抗原的正常组织发生毒性交叉反应，这种脱靶副作用是阻碍CAR-T发展的一大障碍。
近期，美国加州大学旧金山分校与芬兰赫尔辛基大学的研究人员合作，设计了一个两步正反馈电路，即给CAR-T细胞加了一个开关，可让其根据S型曲线抗原密度阈值来区分靶标，从而避免CAR-T细胞对表达低水平肿瘤抗原的正常细胞误杀，也为攻克实体瘤提供了一个关键性工具。相关成果发表在Science上。
在该电路设计中，研究人员利用一种名为synNotch的受体来检测HER2抗原表达。低亲和力synNotch受体作为一个过滤器，限制转录诱导只发生于T细胞遇到高抗原表达靶细胞时。而一旦通过这个初始过滤器，诱导的高亲和力CAR就能进行强效的T细胞增殖和杀伤。
图2 | 超灵敏抗原密度感应T细胞的设计。（A）理想的治疗性T细胞将区分表达高抗原密度的肿瘤细胞和表达低抗原量的正常细胞。具有标准线性响应曲线的CAR-T细胞在高密度和低密度细胞之间的区别效果很差。有效的区别需要一条S型超灵敏剂量-反应曲线。（B）两步识别电路的设计。TF = 转录因子。（来源：Science）
具体来说，考虑到T细胞电路的应答可以通过改变电路内的受体亲和力来调节，研究人员通过连接低亲和力和高亲和力识别，形成两步级联反应来产生稳健的超灵敏响应。低亲和力synNotch受体遇到低密度HER2抗原时，在T细胞表面表达很少量CAR（图3下左）。相反，当该受体遇到高密度HER2抗原时，它们被更好地激活从而表达更高稳态量的CAR（图3下右）。因此，高密度靶抗原既增加了CAR的表达水平，又激活了T细胞的增殖和杀伤活性。相比之下，对于组成型表达（constitutively expressed。与诱导性表达相对，组成型表达不需要其他因子的诱导即可稳定的表达）CAR的T细胞，即使是CAR表达降低，或CAR亲和力降低，也会触发T细胞对低抗原密度细胞的杀伤。
图3 | 在高亲和力CAR上表达低亲和力synNotch（synNotch低亲和力→ CAR高亲和力）的两步电路机理。（来源：Science）
研究人员解释道：“即便使用相同的抗原结合域，CAR和synNotch受体显示出不同的敏感性。CAR更敏感，以相对低的抗原密度触发杀伤活性，而synNotch介导的基因表达需要更高的抗原密度。因此，低亲和力 synNotch受体不能诱导足够量的CAR表达来触发低密度靶点的杀伤反应，而仅引发高密度靶点的强效杀伤。”
研究人员还评估了T细胞电路的设计是否可以实现HER2抗原的密度依赖性识别。结果显示，一些synNotch低亲和力→ CAR高亲和力电路T细胞显示HER2抗原密度超敏感（图4右）。相比之下，组成型表达高亲和力或低亲和力CAR的T细胞显示出很小的密度区分（图4左）。
图4来源：Science
接下来，研究进一步检测了HER2抗原密度感应电路针对多种不同 HER2低表达和高表达的人癌细胞系的效果。
体外杀伤实验显示，对于低密度HER2表达的细胞，未转化的T细胞和电路T细胞在72小时内均未显示细胞毒性（图5）。
图5来源：Science
对于高密度HER2表达细胞，电路T细胞能有效进行杀伤。
体内研究显示，在小鼠肿瘤模型中，电路T细胞显示出很强的密度分辨力（图6）：高密度HER2表达肿瘤被迅速清除，但低密度HER2表达肿瘤的生长速度与接受未转化T细胞处理的相似。
图6 | synNotch低亲和力→ CAR高亲和力电路T细胞在小鼠模型中的抗原密度鉴别。（来源：Science）
对于这些实验结果，研究团队表示非常兴奋，进一步的研究已经开始起步。文章作者之一、赫尔辛基大学的Anna Mäkelä博士说：“我们正在进一步开发该技术，以将其应用于治疗卵巢癌等实体肿瘤。随着研究的进展，我们的目标是开发靶向更多抗原的CAR结构，再结合该技术，从而应用于更多的实体肿瘤。这就像‘多弹头导弹’一样，癌细胞将难以抵抗。”
虽然，CAR-T实现真正攻克实体瘤，还需要克服其他几个挑战，包括肿瘤异质性、抑制性肿瘤微环境，以及改善T细胞向肿瘤的输送等，但是这项研究实现了CAR-T超灵敏区分肿瘤抗原密度的能力，为扩大CAR-T对实体瘤的治疗范围（找到低门槛而广泛的靶点）提供了关键性工具。
参考资料：
1# Rogelio A. Hernandez-Lopez et al. T cell circuits that sense antigen density with an ultrasensitive threshold. Science. (2021)
2# A leap forward in research on CAR T cell therapy（来源：Medical press）
3# Cellular Engineering Boosts CAR-T Therapy against Solid Tumors（来源：Genetic Engineering & Biotechnology News）
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