肿瘤免疫学家数十年来都知道，免疫系统可以成为对抗癌症的重要盟友。然而，早期招募其潜力的尝试大多令人失望。事实证明，研究人员在刺激免疫系统的关键组成部分（一种被称为 T 细胞的总军士长）方面做得不够。如果不增强 T 细胞识别和攻击癌细胞的能力，研究人员实际上是要求免疫系统使用生物学上相当于纸飞机和BB枪的武器去战斗。
T 细胞需要大大加强才能对抗癌症的最初线索出现在 20 世纪 80 年代。研究人员尝试通过从患者身上提取 T 细胞，在实验室中扩增它们，然后将扩增后的细胞输回体内来增强免疫反应。这种方法帮助了一些人，但通常不能长期奏效：细胞往往会在输送后不久就耗尽自身并关闭。
然后，各个研究小组开始以不同的方式解决这个问题。我们和我们的同事开发的一种策略现在在临床试验中显示出令人兴奋的前景。早在 20 世纪 90 年代中期，在尝试发现治疗 HIV 的新方法时，我们中的两人（June 和 Levine）创建了一种改进的技术来增强从患者身上提取的 T 细胞，使细胞比以前的方法更丰富、更强大和更持久。然后，大约在十年前，一种新的基因改造 T 细胞的方法变得可用，这将使它们能够有效地归巢并攻击某些类型的癌症——例如起源于各种类型白细胞的白血病和淋巴瘤。
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在过去的几年中，这些被称为嵌合抗原受体 T 细胞（或 CAR T 细胞）的合成免疫细胞已在数十项研究中进行了测试，这些研究总共涉及近 1,000 名患有晚期白血病或淋巴瘤的患者。根据疾病的不同，一半或更多的患者现在的寿命比预期更长，并且数百人似乎没有癌症。
癌症研究人员正在形成一种共识，即使用 CAR T 细胞（单独使用或与其他疗法结合使用）治疗最终将为某些血癌提供持久的治愈方法。接下来的障碍将包括确认这种类型的疗法是否可以有效对抗其他类型的肿瘤，并更好地控制副作用，其中一些副作用可能是致命的。但到目前为止的成功是令人鼓舞的，这涉及到在约 20 年的时间里应对一系列艰巨的挑战。
增强 T 细胞
当我们开始走上最终引导我们走向 CAR T 细胞的道路时，我们的首要任务——仅仅弄清楚如何增强患者 T 细胞的细胞杀伤能力——绝非易事。为了被激活，T 细胞必须接收来自另一组称为树突状细胞的免疫系统参与者的信号。只有在收到此类指令后，T 细胞才能充分发挥其潜力：分裂并产生自身的多余副本（所有副本都针对同一目标启动）并释放称为细胞因子的化学物质，从而进一步增强身体的免疫反应。几天后，T 细胞平静下来，使身体和免疫系统恢复正常。
在 20 世纪 90 年代中期，在研究 HIV 时，June 和 Levine 决定通过在实验室中刺激 T 细胞来改进这种自然过程。我们的目标是从患者身上取出一些 T 细胞，激活它们，鼓励它们比体内可能发生的次数多得多地繁殖，然后将它们注射回同一个人体内——我们希望它们能够增强患者免疫系统对抗 HIV 和其他困扰艾滋病患者（HIV 感染的晚期）的感染的能力。
但首先我们需要找到一种激活 T 细胞的好方法。从理论上讲，我们可以将它们暴露于也从每位患者身上分离出来的树突状细胞，但树突状细胞的数量和质量差异很大，尤其是在患有 HIV 或癌症的人群中。为了解决这个问题，我们决定开发树突状细胞的人工替代品。最终，我们确定了微小的磁珠，我们在磁珠上涂上了两种能够模拟和改进树突状细胞刺激行为的蛋白质。
然后，我们从患者的血液中收集 T 细胞，并用我们的通用磁珠激活它们。在 5 到 10 天的过程结束时，我们每位患者的 T 细胞都产生了 100 多个细胞。我们的基于微珠的方法现在是研究人员用来培养活化 T 细胞以用于许多不同研究实验和临床试验的主要工具之一。
重新设计 T 细胞
在启动对癌症的免疫反应时，身体面临两个主要挑战。一是恶性细胞从我们自身的细胞中产生。由于我们的免疫系统已经进化到不攻击我们的组织，因此它通常很难区分癌细胞和正常细胞。第二个挑战是，许多癌细胞利用各种技巧来阻止免疫反应。它们已经学会了如何躲避免疫细胞，以及如何干扰有效的免疫反应。
作为保护健康组织免受“友军火力”机制的一部分，T 细胞在攻击之前会检查癌细胞表面是否存在两个必需分子。其中一个由大型蛋白质复合物组成，称为 MHC 分子，它包含蛋白质片段或抗原——树突状细胞“呈递”给 T 细胞的靶标。第二个必需分子——所谓的共刺激配体——提供开启信号，告诉 T 细胞进行攻击。如果抗原-MHC 单元或共刺激配体中的任何一个不存在，T 细胞就会简单地移开。因此，恶性细胞至少有两种方法可以欺骗免疫细胞让它独处：它可以停止在其表面产生 MHC，或者它可以显示一种充当 T 细胞关闭开关的共刺激配体形式。
但是，如果可以对 T 细胞进行基因改造，以便研究人员可以代替树突状细胞来选择靶抗原——例如，天然存在于癌细胞上但不一定由 MHC 分子呈递的抗原，该怎么办？如果这些 T 细胞不需要遵循通常的两步过程即可开始攻击肿瘤细胞，又该怎么办？直到 CAR T 细胞技术出现后，研究人员才能轻松尝试实现这一点。
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图片来源：Jen Christiansen
原则上，解决方案是用基因装备 T 细胞，这些基因将产生一种合成分子 (CAR)，它可以同时做两件事：检测选定的抗原并激活 T 细胞——即使在没有通常的开启信号的情况下也是如此。我们可以通过将称为抗体（通常靶向细菌和病毒）的特殊蛋白质的元素与已知刺激 T 细胞的其他蛋白质结合来实现此目标。更具体地说，我们设计了 CAR 的抗体样部分，它从细胞表面稍微突出，以与选择的癌症抗原结合。我们构建了 CAR 的其余部分，它穿过 T 细胞膜，以在检测到癌症抗原后立即生成适当的信号并激活 T 细胞。
当然，靶向癌症特异性抗原以对抗恶性肿瘤的概念并不新鲜。在 20 世纪 90 年代，医生开始使用所谓的单克隆抗体治疗患者，单克隆抗体寻找主要在不同类型肿瘤表面发现的特定蛋白质。但抗体在体内持续时间不超过几周。然而，如果将抗体工程化到 T 细胞中，它们将与 T 细胞一样长寿，一次可达数年。
挑战变成了让 T 细胞产生选定的抗体激活剂分子。我们决定利用 HIV 感染 T 细胞的众所周知的倾向，方法是去除使 HIV 成为杀手的基因，并用包含构建我们的抗体激活剂嵌合体所需信息的基因取而代之。然后，我们允许这些现在无害的 HIV 颗粒感染我们从患者身上取出的 T 细胞。经过改造的病毒就像特洛伊木马一样将基因传递到 T 细胞中；细胞从那里接管，产生 CAR 并将其安装在细胞表面。使用这种技术和其他技术，包括我们自己的几个不同的研究小组已经改造了 T 细胞，使其能够在仅识别细胞表面上的单个蛋白质后攻击肿瘤细胞。（不需要 MHC 或共刺激配体。）此外，这种新的定制 T 细胞可以设计为追击研究人员选择的任何抗原——甚至可能是抗原组合。
在 20 世纪 90 年代中期和 21 世纪初期，我们与其他人合作，学习了如何将从 HIV 患者身上提取的 T 细胞转化为 CAR T 细胞，并在人体临床试验中对其进行了测试。我们继续改进我们的技术，并期望在未来几年内拥有更先进的 HIV 疗法。
CAR T 细胞也开始被几个小组用于癌症患者的测试。我们试图将技术结合起来——利用我们从微珠激活 T 细胞中学到的知识，利用 CAR 技术重新设计和重定向 T 细胞，以及利用无害的 HIV 作为特洛伊木马将 CAR 有效载荷传递给 T 细胞。
我们很快发现了这些 CAR T 细胞有多么强大。
测试新设计
现在我们有了足够的火力，并且我们也非常确定我们有一个相当好的目标。当然，我们的 CAR T 细胞的完美归巢信标将是仅在肿瘤细胞上发现的抗原，但这些抗原非常罕见。由于所有癌细胞都源于曾经是正常细胞的细胞，因此肿瘤细胞和健康细胞大多显示相同的抗原。开发针对这些共享抗原的 CAR T 细胞将不可避免地破坏大量健康组织以及肿瘤。
然而，对于这种困境，也有明显的例外情况。例如，某些类型的白血病和淋巴瘤源于一组称为 B 细胞的白细胞。人们可以在没有 B 细胞的情况下生存，B 细胞是人体正常抗体来源，前提是他们偶尔接受人工制造的抗体输注。B 细胞以及它们可能变成的任何恶性细胞都带有称为 CD19 的表面蛋白质。我们和该领域的其他人认为 CD19 可能是 CAR T 细胞疗法的一个有吸引力的靶标，因为它在任何其他健康组织中都找不到。
我们在小鼠身上测试了这个想法。然后，在 2010 年初，我们开始了针对 CD19 的 CAR T 细胞的临床试验。最初的三名患者是患有晚期慢性淋巴细胞白血病 (CLL) 且对其他治疗无反应的成年人。
第一位是 William Ludwig，一位退休的惩教人员，他在十年前得知自己生病，现在全身散布着超过五磅的白血病细胞。2010 年 8 月，他接受了 10 亿个他自己的基因改造 CAR T 细胞。十天后，他出现发烧、低血压和呼吸困难——严重的副作用使他住进了重症监护室。我们后来了解到，Ludwig 的症状发生是因为他的免疫系统对现在流经他身体的大量细胞因子反应过度——这种反应称为细胞因子释放综合征，如果失控可能会致命。
幸运的是，Ludwig 挺过来了，一个月后，他的医生在他的体内找不到白血病 B 细胞的证据。这一结果非常非凡和出乎意料，以至于临床医生进行了第二次活检，证实了结果。然后我们治疗了另外两名患者，他们也获得了非凡的反应。六年多后，Ludwig 和另一名患者仍然活着，并且没有白血病。进一步的测试表明，CAR T 细胞在血液和骨髓中繁殖，骨髓是血细胞的制造场所；在这三名患者中输注的每个 CAR T 细胞（或其子细胞）最终负责杀死 1,000 到 93,000 个肿瘤细胞。当几个月后从血液样本中分离出 CAR T 细胞时，它们仍然保留在实验室中杀死带有 CD19 分子的白血病细胞的能力。实际上，这些长期哨兵已成为一种“活的药物”，继续在体内巡逻，寻找任何潜在的复发。
扩大范围
尽管我们的初步结果意义重大，但我们已经用完了资金，无法在更多患者身上尝试我们的实验性治疗。联邦研究机构的审查小组认为该疗法风险过高，因此不值得进一步资助。尽管如此，我们还是提交了两篇描述前三名患者的论文，这些论文很快被接受，并于 2011 年 8 月同时发表在《新英格兰医学杂志》和《科学转化医学》杂志上。随后是广泛的媒体报道，以及生物技术初创公司和有兴趣从我们工作的宾夕法尼亚大学获得技术许可的公司的咨询。
最终，我们的一项资助申请获得批准，这使得另一项试验于 2012 年开始，这次是在儿童身上。然后，我们决定在宾夕法尼亚大学和诺华公司之间建立联盟，以为开发和未来向 FDA 提交我们的结果以获得商业批准提供资金。合作伙伴关系的消息引发了许可和投资热潮，世界各地的许多医疗中心都成立了新的生物技术公司，致力于生产 CAR T 细胞的新变种。我们在儿童身上的最新结果显示，12 个月后的总生存率为 62%，而使用标准治疗一年后的总生存率不到 10%。
在过去的几年中，包括纪念斯隆-凯特琳癌症中心、西雅图儿童医院、弗雷德·哈钦森癌症研究中心（与 Juno Therapeutics 合作）、美国国家癌症研究所（与 Kite Pharma 合作）和其他机构在内的许多研究小组报告了晚期白血病和淋巴瘤的惊人反应。在我们的中心，我们已经使用针对 B 细胞恶性肿瘤的 CAR T 细胞治疗了 300 名患者。反应率因疾病而异：大约一半的晚期慢性淋巴细胞白血病患者表现出明显的临床改善（基于他们体内白血病细胞的减少以及其他因素），而大约 90% 的急性淋巴细胞白血病儿童在一个月后表现出完全缓解——没有癌细胞的证据。
没有人真正知道为什么 CAR T 细胞疗法对所有 CD19 恶性肿瘤患者都无效。一些复发似乎是因为输注的 CAR T 细胞没有在患者体内繁殖，或者是因为进化出新的白血病细胞，这些细胞不产生 CD19 分子，因此不受治疗的影响。即便如此，对于这些恶性肿瘤的反应程度是前所未有的。预计今年将有两家公司要求 FDA 批准 CAR T 细胞用于治疗癌症：诺华公司，用于儿童急性淋巴细胞白血病，稍后用于淋巴瘤，以及 Kite 公司，用于一种淋巴瘤。
仍然存在许多挑战。作为一个研究界，我们仍在开发管理甚至可能预防最严重副作用的方法。尽管患者死亡通常很少见，但一些患有急性淋巴细胞白血病的人死于与治疗相关的问题，这可能部分源于这些患者的脆弱健康状况，以及不同机构 CAR T 细胞设计上的差异。
我们现在正处于 CAR T 细胞开发的“T 型车”阶段。使其更广泛地提供给患有 B 细胞癌和其他肿瘤的患者是当务之急，并且许多最新的科学和技术进展将在未来几年内在临床试验中进行测试。为了治疗 B 细胞恶性肿瘤以外的癌症，研究人员可能需要识别和靶向某些抗原组合，这些抗原组合在癌细胞上比健康组织更常见。例如，我们中的一位（Posey）正在尝试开发一种针对乳腺癌和胰腺癌的免疫疗法。这些以及其他所谓的实体瘤比白血病和淋巴瘤更能躲避和抑制天然免疫系统，白血病和淋巴瘤更容易接近，因为它们在血液中循环。为了找出这些细胞，Posey 正在设计一种 CAR T 细胞，它将搜索两个目标而不是仅仅一个：第一个是仅在癌细胞表面发现的某种糖分子，它使这些细胞的繁殖速度快于正常细胞；第二个是在癌细胞和健康细胞上都发现的一种蛋白质。从理论上讲，这种特定的糖和蛋白质靶标组合应该仅在癌细胞中大量出现，这应该限制这种特定的 CAR T 细胞损害正常组织的能力。
当然，进步很少是线性的。失望、失败的假设和挫折是不可避免的。但我们毫不怀疑，我们在晚期白血病和淋巴瘤中已经看到的成功证明了未来对开发更多 CAR T 细胞的研究是合理的。
披露：与许多癌症研究人员一样，作者与营利性公司有一些商业联系。Avery D. Posey, Jr. 拥有已授权给诺华和 Tmunity Therapeutics 的知识产权，该公司开发抗癌疗法。Carl H. June 和 Bruce L. Levine 根据与宾夕法尼亚大学的知识产权许可协议和联盟，从诺华公司获得版税和实验室资金。诺华公司和宾夕法尼亚大学已根据本文总结的某些工作申请了药物专利。June 和 Levine 是 Tmunity Therapeutics 的联合创始人，并在该公司拥有股权，并且还从参与细胞疗法和癌症研究的其他几家公司获得咨询费并为其提供建议。这些关系均按照宾夕法尼亚大学的政策和监督进行管理.