诺奖技术新应用：西湖大学谢琦/曹龙兴团队利用蛋白从头设计增强CAR-T疗法，已开展临床研究

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

胶质母细胞瘤（Glioblastoma） 是恶性程度最高、致死率最高的癌症之一，即使应用了包括手术切除、化疗和放疗在内的强效疗法，患者的中位生存期也仅为约15个月。

胶质母细胞瘤被认为是一种“免疫冷肿瘤”，其肿瘤中的T细胞浸润很少，这限制了免疫检查点阻断疗法的效果。 然而，过继T细胞转移疗法 （尤其是CAR-T细胞疗法） 已经显示出一些早期的临床反应，尽管总体结果仍不令人满意。

CAR疗法在血液系统恶性肿瘤（白血病、淋巴瘤等）的治疗中取得了巨大成功，但其对占据癌症患者绝大多数的实体瘤的治疗仍然具有挑战性，主要是因为与CAR-T细胞的肿瘤浸润、持续时间、扩增和耗竭相关的挑战，以及需要克服免疫抑制性的肿瘤微环境。

从最初的第一代CAR结构到最近的第四代CAR结构，研究人员已经做出了大量努力来改进CAR设计，但大多数工作只集中在细胞内信号传导域。最近的一些研究证明了高通量CRISPR筛选和CRISPR基因编辑技术的结合增强了CAR抗肿瘤疗效。然而，目前对细胞外抗原结合域的改进很少，绝大多数CAR构建体使用的是来源于单克隆抗体的单链片段可变区（scFv）。 scFv通过短连接肽融合抗体的重链 （VH） 和轻链 （VL） 可变区。 然而，VH和VL的低折叠稳定性导致scFv的聚集或错误折叠，这可能会减弱靶效应，导致CAR-T细胞的早期耗竭。 为了克服传统scFv带来的这些问题，我们需要一种新策略来开发方便和结构稳定的CAR-T细胞抗原结合域。

2024年10月17日，西湖大学生命科学学院谢琦、曹龙兴团队（夏真、金启涵为共同第一作者）在 Nature 子刊Nature Biomedical Engineering上发表了题为：Targeting overexpressed antigens in glioblastoma via CAR T cells with computationally designed high-affinity protein binders 的研究论文。

该研究利用计算蛋白质设计，从头设计了靶向胶质母细胞瘤细胞表面高表达的肿瘤抗原EGFR和CD276的高亲和力结合蛋白（binder）， 代替典型的scFv来构建CAR-T细胞，用于胶质母细胞瘤的治疗，显示出了更强的实体瘤治疗效果。

谢琦，2007年本科毕业于中国农业大学生物学院，2012年博士毕业于中国科学院生物物理研究所，2013年初进入克里夫兰医学中心进行博士后研究，师从国际肿瘤干细胞领域先驱之一Jeremy Rich教授，2019年加入西湖大学生命科学学院，任研究员、助理教授，从事肿瘤干细胞以及脑肿瘤的靶向治疗相关研究。

曹龙兴，2012年毕业于山东大学生命科学学院，2017年博士毕业于中国科学院生物化学与细胞生物学研究所，2017年进入华盛顿大学蛋白质设计研究所进行博士后研究，师从蛋白质设计先驱David Baker教授（2024年诺贝尔化学奖得主），2021年加入西湖大学生命科学学院，任研究员、助理教授，从事蛋白质设计领域相关研究。

近年来，随着人工智能（AI）领域的发展，计算蛋白质设计领域得到了长足进步，使得我们能够生成具有预先定义的靶向位点和结合构象的蛋白质结合剂，以实现所需的功能。 该领域的先驱David Baker教授更是获得了今年的诺贝尔化学奖。

这种从头设计的结合蛋白 可以完全通过计算机模拟设计，具有原子级别的精确度，并且它们对靶标分子具有特异性结合作用，结合亲和力在纳摩尔至皮摩尔之间。

从头设计的结合蛋白能够克服天然蛋白来源的结合剂（例如scFv）固有的许多生物化学限制，因为其具有独特的生物化学和热力学特性：体积小、溶解度高、稳定性极佳且可高度工程化。

目前已有研究从头设计具有皮摩尔级亲和力的SARS-CoV-2病毒抑制剂、细胞因子模拟物和细胞信号调节剂，这为蛋白质药物开发开辟了全新的道路。

研究团队认为，从头设计能够 识别肿瘤相关抗原（TAA）的新型结合蛋白也可以用于CAR-T细胞疗法，以进一步提高其治疗潜力。

在这项最新研究中，研究团队开发了一种新型CAR-T细胞疗法，其使用从头设计的结合蛋白 （de novo-designed binder，DNDB） 代替典型的scFv来靶向肿瘤细胞表面抗原。该研究开发的DNDB-CAR-T细胞在体外和体内都表现出更好的抗肿瘤效果。这项研究确定了一种设计CAR-T细胞胞外抗原结合域的新方法，具有精确的结合构型和高亲和力，为CAR-T细胞治疗提供了潜在的治疗获益。

具体来说，研究团队从头设计了具有高亲和力的binder，能够靶向在胶质母细胞瘤细胞表面高表达的抗原EGFR（ 表皮生长因子受体） 或CD276，进而用于开发CAR-T细胞疗法。

相比于使用抗体来源的ScFv作为 抗原 结合域的CAR-T细胞，该研究中从头设计的抗原结合域促进了CAR-T细胞的增殖、细胞毒性细胞因子的分泌且能够抵抗CAR-T细胞耗，并在体外和体内均提高了抗肿瘤效果 。 此外，含有binder的CAR表现出更高的细胞表面表达和更强的抗降解能力。这项研究表明， 为特定肿瘤抗原重新设计结合域可能增强CAR-T细胞疗法对实体癌的抗肿瘤疗效 。

总的来说，该研究开发了一种策略，利用从头设计的结合蛋白（de novo-designed binder，DNDB）代替典型的scFv作为肿瘤表面抗原结合域，以增强CAR-T细胞的抗肿瘤潜力。该研究从头设计的 EGFR和CD276 binder CAR -T细胞不仅局限于靶向胶质母细胞瘤，还可能有效治疗许多其他高表达EGFR或CD276的实体瘤，例如非小细胞肺癌和胰腺导管腺癌。 此外，在未来的研究中，探索用于其他肿瘤相关抗原的DNDB对CAR-T细胞治疗抗肿瘤疗效的影响将是非常有趣的 。

据悉，研究团队已与临床医院合作，正在开展CD276 binder CAR-T细胞治疗复发性胶质母细胞瘤的研究者发起的临床实验（IIT）。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-024-01258-8