什么是CAR-NK疗法，它如何改变癌症研究？

仅仅在几十年间，嵌合抗原受体T细胞疗法（CAR-T细胞疗法）迅速崛起，成为21世纪肿瘤学领域的制药宠儿。世纪它是一个快速扩展的生物技术领域的基础，该领域已经为美国至少1,000名患者提供了个性化细胞治疗。

当细胞疗法发挥作用时，它确实有效。人们常常听到令人震惊的治愈故事，尤其是在那些患有白血病和其他血液癌症、对其他治疗无效的重症患者身上。然而，在所有成功案例中依然存在明显的不足。在从零开始建立新的治疗产业过程中，研究人员及其制造合作伙伴已经学到了很多关于什么在患有白血病及其他血液癌症、且未能通过任何其他治疗获得缓解的重症患者中。

尽管取得了诸多成功，但仍然存在明显的差距。在从零开始建立新的治疗产业过程中，研究人员及其制造合作伙伴已经学到了很多关于……不尚未与CAR-T疗法兼容。

一种新型疗法正在早期试验中出现，重点关注CAR工程化的自然杀伤（NK）细胞，以帮助填补这些空白——它与CAR-T足够相似，可以借鉴现有的制造方法，但在真正影响更广泛可及性和更好安全性的方面又具有独特之处。而且至关重要的是，CAR-NK承诺同样具有显著治疗益处的潜力，甚至可能超越血液癌症，进入实体肿瘤领域。

这些自然杀手能否成为安全、“现成”异体疗法的关键，从而打破患者获得细胞治疗的主要瓶颈？

我们采访了来自细胞治疗产品工程领域的思想领袖，探讨该领域现状、未来发展以及为什么现在是对CAR-NK疗法感到兴奋的最佳时机。

什么是CAR-NK疗法，它是如何运作的？

与T细胞一样，NK细胞也是起源于骨髓的淋巴细胞——NK占这些效应细胞的5-20%。但与必须先被激活才能响应的T细胞不同，NK细胞属于先天免疫系统，是身体第一道防线的重要组成部分。

正如其名称所示，自然杀伤细胞具有针对“非自我”的内在细胞毒能力。这对于单个细胞来说是一个哲学问题，但在身体语言中，“自我”归结为由MHC I类分子介导、作为NK受体表面配体的一种净激活信号。

“我们讨论的是表面上激活和抑制分子的平衡。NK细胞和T细胞之间的不同之处在于它们对MHC的反应方式。对于T细胞来说，MHC作为一种激活配体促使其杀伤，而对于NK细胞来说，MHC则是一个抑制性受体。在癌症或病毒感染时，这种平衡会发生变化——癌细胞试图避免被T细胞杀死，因此会下调MHC的表达。这时，NK细胞就会出现并说：‘等一下，人类身体里的每个细胞都应该表达MHC，一定有什么不对劲。’于是它就能杀死这个异常的细胞。”Thermo Fisher Scientific公司专注于NK研究的细胞生物学家Erica Heipertz这样说道。

“Heipertz表示：‘NK就像一个传感器，在周围巡查确保一切保持平衡。一旦表面分子的表达失去平衡，NK就能独立于抗原进行识别。这就是免疫系统中的检查和平衡机制。’”

你可以闭上眼睛片刻，把这种在分子尺度上展开的复杂舞蹈想象成你日常办公楼停车场的一幕。雇佣来的拖车会扫描停车场，寻找并拖走没有员工许可证标签的车辆——而这正如NK细胞巡逻清除缺乏正确MHC I凭证的身体内异常细胞一样。T 细胞同样可以清除违规者，但前提是有人提前告知具体信息——比如车牌、品牌和型号（即抗原）。

一个主要优势是自然杀伤，我们自家的拖车，无需指令即可主动干预？

“Heipertz说：‘它们本身就是杀手型免疫细胞，本身功能已经很强大。但如果你能让它们变得更强、更有针对性地攻击特定癌症，那么治疗可能不需要那么多剂量或者那么多数量的免疫细胞了。’”

CAR-NK疗法另一个重大优势在于，即使来源于供者，该疗法也未引发任何严重副作用，这是与CAR-T疗法的重要区别之一。^{1, 2}

“NK细胞疗法真正令人兴奋的一点是，到目前为止，我们还没有看到严重的副作用。事实上，据我所知，许多关于NK细胞的临床试验都是作为门诊程序进行的。”Heipertz说道。

异体疗法——即使用来自供体而非患者自身细胞的治疗——长期以来一直是CAR-T疗法的一大挑战，因为它很可能引发致命的移植物抗宿主病（GVHD），即本身免疫细胞对移植细胞产生反应。即使是首选的自体CAR-T疗法，也会在相当比例的患者中引发剧烈的细胞因子风暴（临床上称为细胞因子释放综合征）以及严重的神经系统副作用。

即使在异体形式下，NK疗法似乎也不会带来同样的副作用或GVHD风险，而且无需进行免疫HLA分型和匹配，这些过程往往耗时且难以找到合适供体。Heipertz指出，初步证据表明，甚至可能存在一种治疗上的益处，即不匹配供体与受体的HLA类型。^3,4

所有这些因素加起来，为血液癌症乃至实体瘤提供了另一种令人振奋的新治疗选择。有早期希望认为，与T细胞相比，NK细胞可能更容易迁移到肿瘤微环境中。

“我们与马里兰大学的一组合作，他们有一个皮肤肿瘤的小鼠模型，”Heipertz说。“我们将NK细胞注入血液后，这些细胞成功到达肿瘤部位并控制了肿瘤生长。虽然肿瘤并未完全消除，但NK细胞确实到达了目标位置。所以我认为有一些早期迹象表明它们对实体瘤可能有效。”⁵

为什么选择CAR-NK而不是CAR-T基因工程？

下一个问题是，为什么是现在？自从我们在1970年代发现NK细胞在预防癌症中的作用以来，它的发现是在1970年代。

也许在个性化医疗和基于适应性免疫的精准治疗出现之前，这一领域曾经陷入了死胡同。

“尽管先天免疫反应至关重要，或者说正因为它的重要性，先天免疫一直很难被医学手段操控，”癌症生物学学生出身、后来成为非官方传记作者的Siddhartha Mukherjee在他的书中写道：《细胞之歌》。但现在重新审视NK细胞的简单智慧，从未有过如此激动人心的时刻。生物学基础已经具备，操控工具也已到位，两者结合的潜力令人难以置信。”这个领域最初是以自体细胞疗法为起点，现在我们已经有大约十年的相关研究积累了，”Thermo Fisher Scientific细胞与基因治疗研发高级总监Xavier de Mollerat du Jeu说道。⁶

但现在正是重新审视NK细胞简单而聪明之处的最激动人心的时刻。生物学基础已经具备，操控工具也已齐全，两者结合的潜力令人难以置信。

“这个领域实际上是从自体细胞疗法开始的，如今我们在这一领域已经有大约十年的研究积累，”赛默飞世尔科技细胞与基因治疗研发高级总监Xavier de Mollerat du Jeu表示。

它为NK细胞治疗的研究和制造提供了良好的开端。

例如，细胞治疗仪器制造领域已经有时间从早期的DIY“车库作坊”式单个仪器设置，发展到工厂规模、专用且集成的制造系统。许多关键的物流环节，如冷藏和运输，也在同步改善。

赛默飞世尔科技的研发团队积极制定了针对NK细胞的专用协议，使公司高通量细胞治疗仪器能够适用于T细胞以外的应用。这包括CTS^TM Xenon^TM 电穿孔系统以及CTSTMRotea^TM逆流离心系统——这两者都因其自身的重大工程创新而获得了诸如爱迪生奖和R&D100奖项的认可。

即使拥有这些工具，要将细胞治疗生产规模扩大以满足需求也绝非易事。如果自体治疗是唯一选择，这可能是一项无法逾越的任务。平均每个自体CAR-T疗程需要3-8周的生产时间，而每年大约有6万名患者需要这种治疗。

从患者角度来看，从细胞采集到回输之间的“静脉到静脉”等待期，可能比他们所能承受的时间还要长。

“我们很快意识到，这种自体CAR-T方法效果非常好，但要实现大规模生产极其困难。异体细胞疗法是一个令人难以置信的机会，可以简化流程。它还可以作为‘过渡填补’，帮助患者恢复并为自体疗法做好准备。”de Mollerat du Jeu说道。

因此，迫切需要可靠的异体细胞疗法的大规模生产，这是一种“现成”的替代方案。NK细胞非常适合这一需求。

“如果我们能解决现成产品的问题，如果我们能找到一种方法，将这些细胞冷冻保存，并在患者需要时随时提供？你所要做的就是解冻并注射疗法。这就是我们的最大梦想，”Heipertz说。“患者不必再等待数周，让生物技术公司采集、扩增和工程化他们自己的细胞来进行治疗。细胞疗法有一天应该像药片一样随手可得。”

NK细胞扩增创新

赛默飞世尔科技的细胞与基因治疗团队——Heipertz、de Mollerat du Jeu以及数百名同事——作为合作伙伴，致力于帮助科学家以前所未有的规模制造下一代异体细胞疗法。

例如，Heipertz是公司开发的主要科学家之一CTS^TM NK Xpander^TM 培养基专门开发用于在无饲养细胞系统中加速从外周血、脐带血或iPSC来源扩增NK细胞。

“这种培养基将帮助客户摆脱饲养细胞，同时仍能达到临床相关的细胞数量需求，”Heipertz说。

尤其是使用iPSC来源的NK细胞正在不断增长。

了解更多关于NK细胞治疗工具的信息 » 

“我们看到越来越多的客户使用iPSC来源的NK细胞。能够拥有高效的工作流程和协议来生成这些细胞，我认为会非常重要。不管我们能做些什么来加快扩增时间，或者让治疗更有效，从而减少所需细胞数量——这就是该领域可能发展的方向，”Heipertz说。

“我们正在为那些希望制造异体疗法的公司提供他们所需的工具，”她说。“我们知道你需要大量NK细胞用于治疗。与T细胞不同，NK细胞在体内停留时间并不长。因此需要多次给药，并且需要相当多的细胞。为客户提供具有法规文件支持、能够大量扩增NK细胞的培养基，我认为这确实是最大的拼图之一。”

客户也在每一步都推动团队创新。

“我们与Dean Lee [当我们推出NK Xpander时，他是全国儿童医院细胞治疗与癌症免疫学项目的主任。他正在进行NK细胞的临床试验，并使用Xpander培养基扩增这些细胞。与测试用户合作时，我们也会收集数据，与其他客户分享。]

» 观看Dean Lee医学博士、哲学博士的网络研讨会：“用于临床应用的K562基础供体系统无血清扩增NK细胞

为未来构建CAR-NK制造基础设施

据de Mollerat du Jeu介绍，他称思考这些细胞治疗规模化问题为“他的生命”，像赛默飞世尔科技这样的制造合作伙伴的工作并不是治疗癌症。这个角色属于全球的学术研究人员和临床医生。

“他们决定要追踪哪种类型的T细胞，提出想要靶向的抗原，并治疗患者。但要做到这一切，他们需要帮助。他们需要工具——新的仪器、新的试剂、新的培养基，这些对于一种全新的活性药物疗法来说尚未存在。这类工具可能已经为其他行业开发过。例如，我们确实有用于抗体生产等用途的5000升不锈钢生物反应器。但对于细胞治疗制造，你需要一升生物反应器。”de Mollerat du Jeu说。

这是一个为了扩大规模而缩小设备尺寸的奇怪悖论。

传统上，制造系统都是庞大且显眼——即使是封闭系统也是如此。细胞治疗更加个性化，因此带来了全新的操作规模，我们必须微型化我们的工具以适应这种变化。

然后我们还需要创建大量这样的设备。

“de Mollerat du Jeu表示：“如今的问题在于，许多符合条件的患者由于价格、可及性以及制造环节中人员和设施不足等各种原因无法获得这种疗法。从空间面积来看，这种方式并不可行，而且情况只会越来越糟。‘活药’如细胞疗法有着众多潜在应用，不仅限于癌症。我们必须解决制造瓶颈并简化流程。”

他说：“我们需要集成化、自动化且占地更小的仪器，这样就能在一个设施中放置更多设备，为市场生产更多疗法。目前市面上只有六种细胞疗法获批，但预计未来五年内每年将有多达25种获批。”

这正是下一代自动化、封闭系统仪器用于规模化转染、处理、分选和清洗的切入点。

这一切都是战略的一部分，旨在打造为该行业量身定制的工具，减少对环境的暴露，从而降低易受感染患者遭受污染的风险。

高级科学家Jason Isaacson表示：“我们作为公司的主要职责之一，就是帮助客户合作伙伴实现工艺转型。很多时候，公司拥有许多优秀科学家，他们精通生物学和研究，但对如何将其转化为封闭系统和自动化不太熟悉。我们希望尽可能帮助他们实现系统自动化，让他们对开发过程更加充满信心。”

即便是最有经验的科学家，相关工作流程也非常复杂，而赛默飞世尔细胞治疗创新团队乐于与客户携手走过这条曲折道路。这包括寻找方法，将各个仪器以物理和数字方式集成到工作流程模块中，并根据客户需求轻松互换。

Isaacson说：“我们会与客户会面，讨论数据并协助改进方法。我们实际上会花时间在实验室里使用他们的方法，尝试排查协议问题，并且随时准备陪伴他们将仪器和试剂融入工作流程。”

确保工作流程和仪器顺利运行，并让科学家能够充分发挥其优势至关重要。在制造过程中没有容错空间。

de Mollerat du Jeu表示：“你只有一次机会。患者提供了自己的细胞，如果你错过了，如果制造失败或者发生污染，那就结束了，你失去了这些细胞，再尝试可能非常困难。我们必须确保整个过程极其稳健且无菌，不允许任何失败，我们要确保我们的工具是最好的。”

展望CAR-NK疗法及其未来发展

对于那些受益于细胞疗法的人来说，以及那些见证重病亲友奇迹般康复的人来说，很难用言语形容这种“令人震惊”的感觉。

同样，对于研究人员、患者、临床医生以及所有相关人员来说，明知我们已经将科学推向了最纯粹的境界——终于找到了非凡问题的非凡解决方案——却无法将其应用于实际，这种打击也很难用言语形容。这是一种令人窒息的“最后一公里”崩溃。

“你必须明白，在细胞疗法出现之前，从未有人见过这样的结果。如果你听听CAR-T疗法早期的讨论，人们会对一期临床试验中15名患者有13人治愈感到震惊。让我痛心的是，我们现在就拥有这些治疗白血病的方法，但有些人却无法获得。孩子们无法获得，因为我们很难让它变得足够便宜、供应量足够多。这是一个可怕的问题。” de Mollerat du Jeu说。

“但与此同时，我真的相信这其实是一个技术问题，是一个工程问题，通过创新我们确实能够带来改变。这正是让我感到兴奋的地方。这不是药物无效的问题，而是制造能否实现的问题。这也是推动我们的动力。在赛默飞世尔科技，我们非常幸运地拥有世界上最大的工具箱和最优秀的人才在从事这项技术工作。如果我们齐心协力，真的可以解决这个问题。”

我们需要集结所有力量，建设更好的基础设施，为即将到来的创新浪潮做好准备——这将是一场革命性的变革，包括可普及的“现成”疗法、新型治疗方式（如NK细胞疗法）与改良版传统应用相结合，以及尚未被发现的新型免疫疗法。

研究人员和制造商正以惊人的速度共同推动着制造业走向更加光明的未来。

“我们知道终点在哪里，我们知道这些疗法能做什么，这个问题是可以解决的。我们清楚这一点。”de Mollerat du Jeu说。

希望有一天，癌症会彻底成为过去，并最终淡出人们的视野。

了解更多关于细胞治疗的信息thermofisher.com/celltherapy » 

关于NK细胞和CAR-NK疗法的进一步阅读

• 免疫学实践：自然杀伤细胞概述 (赛默飞世尔科技)
• 细胞治疗制造：协议手册、虚拟实验室等资源 (赛默飞世尔科技)
• 应用说明：利用CRISPR大规模生成CAR-NK细胞 (赛默飞世尔科技)
• “关于‘现成’异体NK和CAR-NK细胞疗法的最新观点” Heipertz 等人（《免疫学前沿》，2021年）
• 连接到科学档案：构建CTS Xenon电穿孔系统
• “CAR-NK细胞疗法用于恶性肿瘤的临床前和临床研究” Li 等人（《免疫学前沿》，2022年）
• 了解与Laura Eadie博士一起在白血病研究实验室的一天生活 (赛默飞世尔科技)

##

参考文献

1. Liu E, Marin D, Banerjee P, et al. Use of CAR-Transduced Natural Killer Cells in CD19-Positive Lymphoid Tumors. N Engl J Med. 2020;382(6):545-553. doi:10.1056/NEJMoa1910607
2. Laskowski, T.J., Biederstädt, A. & Rezvani, K. Natural killer cells in antitumour adoptive cell immunotherapy. Nat Rev Cancer 22, 557–575 (2022). https://doi.org/10.1038/s41568-022-00491-0
3. Liang S, Xu K, Niu L, et al. Comparison of autogeneic and allogeneic natural killer cells immunotherapy on the clinical outcome of recurrent breast cancer. Onco Targets Ther. 2017;10:4273-4281. Published 2017 Aug 28. doi:10.2147/OTT.S139986
4. Wrona E, Borowiec M, Potemski P. CAR-NK Cells in the Treatment of Solid Tumors. Int J Mol Sci. 2021;22(11):5899. Published 2021 May 31. doi:10.3390/ijms22115899
5. Adhikary, Gautam & Heipertz, Erica & Preradovic, Maja & Chen, Xi & Xu, Wen & Newland, John & Kaur, Navjot & Vemuri, Mohan & Eckert, Richard. (2023). Natural killer cells suppress human cutaneous squamous cell carcinoma cancer cell survival and tumor growth. Molecular carcinogenesis. 62. 10.1002/mc.23528.
6. Mukherjee, Siddhartha. Essay. In Song of the Cell: An Exploration of Medicine and the New Human, 178–178. Scribner, 2023.

本文提及产品的预期用途各不相同。具体用途说明请参阅产品标签。

© 2023 Thermo Fisher Scientific Inc版权所有。除非另有说明，否则所有商标均归Thermo Fisher Scientific及其子公司所有。