如前所述,免疫治疗的理想靶点具有区别于其它靶向治疗策略的特征:小分子靶向药物注重的是能有效干预对肿瘤细胞生长、侵袭、转移等细胞行为至关重要的基因及调控通路,而细胞免疫治疗的关注点是其能否有效地被免疫系统识别,引起有效的免疫反应。所以,同样从基因检测出发,精准细胞免疫治疗的侧重点具有其特殊性,目前仍有几大技术难题亟待解决。
1)方便快速地获取肿瘤患者的基因组变异信息
实际上,这是肿瘤基因检测所面临的共性问题。肿瘤基因检测最直接的对象是患者原代组织标本,但对于那些未进行过手术的肿瘤患者,肿瘤标本不易获取,而活检穿刺的技术虽已较为成熟,但患者接受度相对较低,尤其对那些已发生多处转移的患者。即便之前留有标本,但往往是几个月前甚至是几年前保存的局部标本,鉴于肿瘤基因组的动态性与异质性,它们反映的信息已经是过时的或者代表性不全。循环肿瘤细胞(circulating tumor cell,CTC)和循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA, ctDNA)由肿瘤发生的各个部位释放入血,能良好的反映患者整体的肿瘤负荷、恶性程度、转移能力以及实时的基因突变信息[13, 14]。因而,选择CTC和ctDNA作为基因检测的样品来源,可以保证肿瘤治疗在取样信息上的全面精准,且与组织活检相比具有检查微创小、无放射性污染、经济等优点,并允许对治疗反应实时监测。
然而,如何获取高纯度的CTC细胞并进行基因测序,以及如何在外周血巨大噪音背景的情况下准确检测ctDNA是一项具有挑战的工作。笔者研究团队通过分离介质、抗体捕获、荧光扫描显微技术、激光显微捕获等整合技术平台可以高效获得纯的单个CTC细胞用于基因检测,同时开发了通过油滴PCR实现在一个油滴内单个CTC基因检测技术,以及利用纳米孔径的芯片进行ctDNA的肿瘤突变基因检测技术。发展类似于CAPP-Seq的超灵敏测序方法,可以实现100%检出2-4期NSCLC患者ctDNA,也可以50%检出1期NSCLC患者ctDNA,可以96%特异性检出等位基因突变,并将错误率降低至约0.02%水平。这类技术平台有望利用CTC和ctDNA进行外周血肿瘤基因的精准检测,为精准细胞免疫治疗提供可靠的检测依据。
2)快速准确地筛选免疫细胞治疗的适合靶点
在肿瘤表观遗传修饰变异尚无法被有效利用的现实条件下,细胞免疫治疗更多的着眼点是肿瘤基因组遗传变异,而只有那些能形成新的氨基酸序列且在肿瘤细胞中有效表达的变异信息才能被免疫有效识别。因而,通过外显子组测序探知肿瘤的基因组变异信息,通过RNA转录组测序确定发生变异的DNA的转录情况,是寻找适合免疫治疗新抗原(neo-antigens)的常规方法。获得一系列候选新抗原信息后,如何从中筛选出能被抗原提呈细胞有效提呈的抗原,即新表位(neo-epitopes)是至关重要的一步。通常的观点认为,能与MHC分子高效结合的抗原序列,能更好的形成MHC分子-抗原复合物,从而具备更高的机率被递呈到细胞表面,成为新抗原表位。因而,预测MHC分子与抗原的亲和力是该环节的关键要素。随着MHC分子的空间结构越来越清晰化准确化,多种MHC分子-抗原复合物的数学模型已被建立,通过计算机模拟运算能预估出每种抗原与MHC分子的亲和力数值。但鉴于MHC分子亚型的多样性,新抗原前后氨基酸序列以不同组合、不同长度形成表位的多样性,数据庞大,目前该预测方法仍不够成熟,假阳性或假阴性仍普遍存在,需要后续耗时耗力的验证工作。因而,MHC分子与抗原的亲和力的准确预估,仍有待于通过数据的不断积累,预测模型的不断优化。
3)高效寻找PNA-T细胞的TCR组学技术
肿瘤精准细胞免疫治疗最终的效应细胞是PNA-T细胞。然而,虽然正常人的TCR多样性巨大,但肿瘤患者经过长期的免疫编辑,或经过其它非特异性治疗策略处理后,其TCR组多样性较正常人明显降低,TCR多样性的降低预示着患者体内预留的识别特定表位的TCR丰富度降低,即使经过上述两个步骤成功寻找到合适的新抗原表位,但可能无法在患者体内找到与之对应的PNA-T细胞(除非通过转基因TCR-T技术实现),精准细胞免疫治疗仍将以失败告终。因而,除了对肿瘤变异信息进行高通量检测分析外,还需从免疫T细胞角度进行考量,通过高通量测序的方法评估肿瘤患者体内是否存留能对肿瘤抗原起反应的PNA-T细胞。目前,利用TCR组学高通量测序技术可以较为准确的获得患者的TCR多样性数据,可以看到肿瘤患者和正常人之间TCR多样性的差异,但由于TCR与表位的作用并不是一一对应关系的,即同一个TCR可以结合不同的表位,而同一个表位也可能被不同的TCR所识别,虽然它们之间亲和力会有所差异。而且TCR组库测序得到的是大量单独的α链和β链信息,这些α链和β链理论上可以通过不同的组合构成千差万别的TCR。因而,以目前的技术水平仍难以解析出哪个TCR-T细胞具有识别特定抗原表位的问题。
可以预想,如果通过技术进步以及抗原表位-TCR配对大数据的积累,能最终实现针对特定抗原表位,快速的鉴别出哪些T细胞携带的TCR基因能对其有效识别并发挥治疗作用,那么将大大缩短肿瘤免疫治疗的开发进程,为患者的治疗赢得宝贵的时间,并可以通过测序或数字PCR等手段检测体内这一群或者单个PNA-T细胞的克隆增殖情况,实时监测治疗的获益情况。笔者所在团队正致力于发展基于CTC和ctDNA为样本来源的肿瘤抗原测序技术以及TCR组库的测序技术,包括通过油滴技术实现高通量的单个T细胞的emusion-PCR测序,来获得α链和β链的匹配信息,以此打开筛选特定抗原反应性TCR受体的方便之门。
4)对新表位具有特异性的PNA-T细胞的富集与扩增
实施精准细胞免疫治疗的最后阶段是PNA-T细胞克隆的富集与扩增。3个策略可供选择:1. 将新表位负载到患者自体的DC细胞中,然后应用成熟的DC刺激相应的PNA-T亚群特异性增殖。该策略的优点是相对成熟,但由于涉及DC的抗原负载、DC内的抗原加工、DC对T细胞的提呈等一系列过程,各个环节的技术障碍均会影响相应T细胞的富集效率;且DC细胞扩增不易,导致该流程耗费时间较长。2. PNA-T细胞的直接分选。通过在体外合成HLA-抗原肽四聚体(HLA-peptide tetramer)能够有效的被特异性T细胞识别,配合流式细胞分选仪,可以从淋巴细胞中分选出抗原特异性的T细胞克隆,再通过成熟的T细胞培养方案可大量扩增相应的T细胞克隆。但分选流式仪器价格昂贵,细胞通量有限,长时间分选会影响细胞活力,对后续细胞培养造成不良影响。为此,我们建立结合HLA-抗原肽四聚体与免疫磁珠法的T细胞分选技术,有效提高细胞分选通量,且磁珠可通过后续切除消除其对细胞的影响,整个流程符合临床应用规范。下一步,我们将设法将该技术集成到单一仪器设备中,提高操作的便捷性与稳定性。3. 通过转基因修饰手段,将克隆到的PNA-T细胞的TCR基因导入初始T细胞,使其快速具有识别并杀伤携带相应新表位的肿瘤细胞的能力。
5)基于PNA-T细胞变化规律的疗效实时监控技术
疗效评估是过继细胞免疫治疗的一大技术难点。与其他治疗方式不同,经行过继细胞治疗后,肿瘤负载可能不会立即缩小,甚至可能暂时增大,不利于临床医生对病情的准确掌控。因而,应用PNA-T细胞对肿瘤患者实施过继细胞治疗,在治疗过程需要跟踪血液中PNA-T细胞及其来源记忆性T细胞的数量变化,对比观察其与肿瘤缩小或肿瘤复发、进展的关联性,同时实时监控血液中CTC、ctDNA的含量变化以及肿瘤新突变位点出现情况。通过数据的积累,建立关联PNA-T细胞体内动态变化规律与患者疗效的数学模型,从而实现医生能对病情实时作准确判定甚至预判的目标,以做出相应治疗对策的调整,使患者能更好的获益。
6)增强精准细胞免疫治疗体内疗效的辅助技术
相对于体外培养条件,肿瘤部位存在抑制免疫的微环境。例如,肿瘤细胞表面高表达的PDL1可与T细胞表面PD1结合,使浸润到肿瘤部位的T细胞失能。这也是为何一些免疫检查点(如PD1/PDL1、CTLA4)单抗能通过重新激活体内残留的肿瘤特异性T细胞,而在实体瘤的临床治疗中发挥良好疗效的基本原理。另一方面,T细胞的持续发挥作用,需要共刺激信号(T细胞第二信号)的辅助,回输后的T细胞如缺乏共刺激信号,将很快衰竭死亡。这也是嵌合抗原受体(Chimeric Antigen Receptor, CAR)T细胞技术将第一信号与第二信号偶联在同一分子上的根本原因。因而,为有效提高精准细胞免疫治疗的疗效,一方面可以通过免疫检查点单抗的联合使用,阻断肿瘤微环境对回输后肿瘤特异性T细胞的不良干扰效应;另一方面,可以借助基因转染技术,将相应的传递共刺激信号元件在体外导入肿瘤特异性T细胞,从而延长回输后肿瘤特异性T细胞的体内存活时间与治疗作用。在此方面,我们已建立一系列核心技术,申请中国发明专利5项(已授权1项),显示良好的应用价值。