细胞治疗：药物干预新时代

工程5（2019）5主题洞察细胞治疗：药物干预进入第三个时代韦河中国医学科学院基础医学研究所免疫学系主任、医学博士、教授1. 介绍2017年8月30日，美国食品和药物管理局（FDA）在其网站上发布了 一 份 新 闻 声 明 ， 标 题 为 该 文 章 公 开 了 FDA 批 准 的 Kymriah（tisagenle-cleucel）（由诺华制药公司开发的基于细胞的基因疗法）用于患有难治性或复发性急性淋巴细胞白血病（ALL）的某些儿科和年轻成人患者。ALL是一种骨髓和血液癌症，进展迅速，是美国最常见的儿童癌症。Kymriah是一种基因修饰的自体T细胞免疫疗法，被批准用于25岁以下的B细胞前体ALL患者。个体患者自身的T细胞用含有特异性蛋白质（嵌合抗原受体，CAR）的新基因进行遗传修饰，该新基因指导T细胞靶向并杀死表面上具有特异性抗原（分化簇19，即CD 19）的白血病细胞。事实上，Kymriah代表了一种使用基因工程T细胞的过继细胞免疫疗法。“我们正在进入医学创新的新领域，能够重新编程患者自己的细胞来攻击致命的癌症，”FDA专员Scott Gottlieb博士说。从历史的角度来看，细胞治疗--或者更准确地说，以细胞为基础的基因治疗--代表了一个重要的标志，表明药物疾病干预已经进入了一个新的时代。药物干预疾病的第一个时代是以化学药物为基础的，第二个时代是以生物药物为基础的。现在第三个时代已经到来：细胞疗法。本文概述了药物干预疾病的三个时代的历史进程和特点，并分析了细胞治疗的前景。2. 药物干预疾病的三个时代长期以来，药物一直被用作干预疾病过程以实现治愈的技术手段。《黄帝内经》成书于公元前221年从那时起，中医师在用中医药治疗人类疾病方面积累了丰富的经验。人类使用鸦片及其天然活性成分吗啡也有5000年的历史[2]。随着现代科学技术的发展，这种古老的经验药物的使用已经完全确立。本文提出了药物干预疾病的三个时代概念我们的目的是分析每个时代关键技术里程碑的深远影响，并确定变化规律和发展趋势。值得注意的是，药物干预疾病的三个时代之间的关系不是一个替代;相反，它涉及到优势甚至相互加强。医学最重要的历史进步之一是疾病的诊断，它通过两个学科：基础医学和临床医学促进医学进步。根据世界卫生组织《国际疾病分类》（ICD-10）第十次修订版，人类疾病共有2468个大类和19707个医学上的另一个重要进展是使用药物治疗来干预疾病。1763年，英国牧师爱德华·斯通从柳树皮中提取水杨苷。1899年，德国拜耳公司向市场推出了第一个合成化学药物阿司匹林（由水杨苷研制而成），从而开创了化学药物治疗的时代--第一个药理学疾病干预。2.1. 药物介入疾病的第一个时代：化学药物治疗化学药物治疗时代的主要特征在需求、技术和社会方面进行了讨论2.1.1. 疾病治疗需求：化学药物开发和应用疾病治疗的需求决定了化学药物的种类和品种，研发（R D）资源的集中和配置，以及应用的方向和重点。疾病治疗需求的变化也有影响。自19世纪以来，特别是自第二次世界大战以来，生活条件的改善极大地改善了人类健康，延长了我们的预期寿命。医疗保健的发展、大规模预防传染病的疫苗的使用以及生活条件的改善缓解了长期以来由经典的致命传染病对人类健康构成的威胁。https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.11.0172095-8099/©2019 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng6W. 他/工程5（2019）5天花和鼠疫等疾病但流感、结核病、艾滋病等传染微生物的跨物种传播也威胁到某些地区人民的健康，使人们感染禽流感病毒和埃博拉病毒，表现为新出现和重新出现的传染病。然而，人类预期寿命的延长导致全球人口老龄化。衰老是疾病的主要危险因素。因此，癌症、心脑血管疾病、糖尿病、阿尔茨海默病、骨质疏松症、肥胖症、疼痛等慢性非传染性疾病逐渐成为全球人类健康的主要威胁。疾病谱的这种变化正在影响化学药物研发的方向和重点。目前世界上有2600多种不同化学结构的化学实体药物。当包括基本分子、结构修饰等的组合时，有超过10000种列出的药物[2]。这些药物可用于治疗1100多种主要的人类疾病。 目前，最热门的研究和资助领域包括癌症和糖尿病等[3]。然而，很明显，对阿尔茨海默病、疼痛、精神分裂症等的研发2.1.2. 技术药物研究：将重点从活性化学成分转移到分子靶向受体经典的药物研发模式是基于活性化学成分的。首先，发现对实验室动物表现出药理学作用的毒素、草药或其他植物材料接下来，它的分子结构得到确认，并确定了合成该分子的方法。最后对化合物的生物活性进行了鉴定。之后，可以对分子进行修饰，优化其结构，以减少用药量，提高疗效。目前常用的433个分子实体大多是采用经典的药物研发模式发现的。这一模式在20世纪初至20世纪中叶用于化学药物的开发，其主要缺点是：①药物对分子或细胞的靶点大多是未知的;②由于对潜在药物的严格要求，包括大量的合成化合物和大量的动物实验，该过程成本高且耗时。事实上，药物研究的受体理论和定量药理学分析方法一直与经典的药物研发模式联系在一起，并在20世纪中叶逐渐成为药物研发的主流受体理论最早由英国物理学家约翰·纽波特·兰利和德国免疫学家保罗·埃利希于19世纪初提出，对药物开发产生了重大而深远的影响1933年克拉克提出了“占领理论”的雏形1966年，Robert Furchgott提出了“内在功效”的概念双态理论（1957）和速率理论（1961）进一步完善了受体理论，包括离子通道的开放和关闭以及拮抗剂和激动剂速率的差异，而G蛋白偶联受体的研究将受体理论发展为更复杂和精细的三态受体系统。在过去的几十年里，以靶点为核心的化学药物研发模式逐渐取代了传统受体理论在化学药物开发中的重要性在于它使化学药物更具靶向性;在癌症和心血管疾病的药物开发中，受体理论的研究活跃，产量增加目前已开发出约50种用于治疗癌症的抗肿瘤小分子靶向药物，这些药物具有良好的治疗效果，且比常规化疗副作用小尽管医生和患者都青睐这些靶向药物，但它们的成本很高。由于难以找到新的药物靶点，靶向相同的分子或受体用于新药是工业中的普遍2.1.3. 医药行业稳定增长：政府严格监管与高新技术产业所有国家都对药物研发采取严格的监管政策和法律。临床试验涉及监管的关键方面，同时关注安全性和有效性。高风险是化学药物开发的主要特征。通常认为，产生所需化合物的概率为1/5000化合物，而临床试验中只有10%的测试化合物获得批准[2]。因此，药物研发周期长，需要高水平的投资。开发一种创新药物需要10-15年的时间。21世纪初，一个创新药的研发总费用约为8亿美元。到2013年，这一成本上升到约10亿美元。创新药物的研发反映了对高科技创新和人才的依赖，需要以专利为中心的知识产权和高度专业化的人才支持。因此，创新药的研发是一项系统性很强的工作，任何一个环节出现问题都将导致创新药的失败。但是，创新药的开发也有很高的回报：一个新药上市后，获得了很高的收益一般来说，药物研发分为小公司和大制药公司，小公司在风险投资的支持下从事药物的临床前研究，大制药公司在临床试验前景良好时与前者合并。120年前，拜耳从一家染料化工公司转变为一家化学制药公司，开启了制药工业的发展之路。全球药品市场在过去50年中迅速扩大，其总市值平均每6年翻一番[2]。2017年，全球药品市场销售总额为1.128万亿美元，年增长率为4.81%。因此，药品市场占全球GDP的1.5%，全球前15家制药公司占市场份额约50%。在全球药品市场中，40%位于北美，22%在欧盟国家，20%在中国，8%在日本，10%在其他国家。2.2. 药物干预疾病的第二个时代：生物药物1922 年 ， 多 伦 多 大 学 的 Frederick Grant Banting 和 CharlesHerbert Best1982年，美国礼来公司推出世界上第一个基因工程药物重组人胰岛素，从而将药物干预疾病带入了第二个时代-2.2.1. 需求：解决许多难治性疾病廉价、安全、有效的重组人胰岛素的大规模应用，使广大人民群众受益匪浅。W. 他/工程5（2019）57糖尿病患者此外，促红细胞生成素（EPO）可用于慢性肾衰竭患者的贫血，组织型纤溶酶原激活剂（tPA）和尿激酶可用于治疗心肌梗死，生长激素（GH）可用于治疗侏儒症。干扰素-b现在可用于长期没有有效药物治疗的硬皮病，抗肿瘤坏死因子抗体药物可缓解难治性类风湿关节炎（RA）。截至二零一六年六月，美国FDA已批准72种靶向抗肿瘤药物，其中包括24种靶向抗体药物。靶向免疫检查点的抗体药物-包括Bristol-Myers Squibb（BMS）的抗细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA-4）抗体药物ipilimumab、Merck SharpDohme 的 抗 程 序 性 细 胞 死 亡 蛋 白 1 （ PD-1 ） 抗 体 药 物pembrolizumab和BMS的nivolumab以及Genentech/Roche的抗程序性死亡配体1（PD-L1）抗体药物atezolizumab-已经在实体难治性恶性肿瘤上显示出良好的结果。这些生物药物通常是安全的，并已被证明具有疗效，超过30%的患者有反应[3]。2.2.2. 技术：明确的目标生物制药具有明确的靶点和明确的作用机制。它们的高选择性避免了“脱靶”毒性引起的副作用。因此，它们比小分子化学药物更安全。特别是抗体药物由于其对抗原的特异性而受到研究人员的2.2.3. 社会：单克隆抗体作为生物药物抗体药物靶向性强，临床失败风险小与小分子化学药物相比，抗体药物开发时间短，成本低，市场增长迅速。因此，抗体药物一直是大型制药公司以及中小型药物研发公司研发的重点，前景看好。2.3. 药物干预疾病的第三个时代：细胞治疗如今，药物疾病干预已进入细胞治疗的第三时代首先，让我们回顾一下这个时代的主要里程碑。当20世纪80年代进行骨髓移植时，无意中发现T细胞具有治疗用途。全骨髓移植物中的T细胞显示出抗肿瘤活性。然而，过继性T细胞转移（ACT）不仅会引起移植物抗肿瘤反应，还会诱导移植物抗宿主病（GVHD）[4]。鉴于同种异体T细胞的副作用，研究人员将注意力转向了自体T细胞。在这方面，美国国家癌症研究所（NCI）的Steven Rosenberg是 ACT治疗癌症的先驱。1986年，Rosenberg大剂量IL-2注射可导致毛细血管渗漏综合征，使LAK细胞输注停止临床应用。在1987-一项88例患者的研究显示有效率为34%[6]。TIL的制备比较复杂，且其多克隆特性使其难以充分反映其肿瘤特异性。2006年，Rosenberg这种肿瘤特异性自体T细胞基因工程技术可以与CAR-T细胞平行开发所谓的基因工程TCR-T细胞。细胞技术这些技术代表了T细胞工程用于癌症治疗的两个方向。TCR-T细胞技术目前在实体瘤领域的临床试验中被广泛研究。以NY-ESO-1为靶点的TCR-T细胞因其抗肿瘤谱广、毒副作用小而受到广泛关注。有学者希望该技术能够针对恶性肿瘤发展过程中频繁出现的变异抗原，使肿瘤的个体化治疗更具特异性。1989年，以色列科学家Eshhar等人[8]首次报道了具有抗体特异性的CAR。2011年6月，等人[9]报道了CAR-T细胞用于慢性淋巴细胞性白血病（CLL）治疗血液系统中的B细胞淋巴瘤，其中CD 19靶向。多个实验室，包括2013年纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Sadelain等人[10]，2014年宾夕法尼亚大学的Grupp等人[11]等人[12]于2016年在FredHutchinson癌症研究中心报道了CAR-T细胞用于ALL;这种治疗产生了高应答率（70%-2017年8月，诺华推出CAR-T细胞技术作为Kymriah产品;作为首个获得FDA批准的CAR-T细胞技术，该产品迎来了细胞治疗应用的新时代。同年10月，美国制药公司Kite Pharma靶向CD 19 CAR-T细胞疗法（Yescarta，axicabtagene ciloleucel）;美国FDA批准该疗法用于复发性或难治性大B细胞淋巴瘤成人患者的二线治疗或额外治疗。尽管使用CAR-T细胞疗法存在严重副作用的风险，但美国FDA还是谨慎且有条件地批准了这项具有里程碑意义的技术。在以CAR-T细胞治疗为代表的细胞治疗时代，药物疾病干预的需求相关、技术和社会特征也发生了变化2.3.1. 需求：应对更复杂和难治性疾病Kymriah适用于难治性或复发性ALL，Yescarta治疗大B细胞淋巴瘤也是如此。这些治疗的适应症基本上是化疗、靶向药物和骨髓移植治疗失败的病例;因此，Kymriah和Yescarta属于二线或三线治疗方案。正在进行的研究项目集中在难治性伯基特样白血病/淋巴瘤（BLL）和多发性骨髓瘤。当然，批准的CAR-T细胞疗法的有效性仅限于血液系统中的恶性B细胞淋巴瘤对于涉及血液系统中的非B细胞淋巴瘤的大多数恶性肿瘤或实体瘤，尚未发现有效的治疗策略。2.3.2. 技术：以细胞为载体的策略、合成基因表达蛋白等关键技术第三代药物干预疾病的技术策略是以细胞为药物载体，以人工合成的基因表达蛋白为作用分子，以细胞工程、抗体工程、基因工程和合成生物学技术为关键技术。细胞疗法使用T细胞，其可以作为效应细胞在体外增殖。通过这种方式，它解决了大多数成熟的正常体细胞无法在体外扩增的问题，并因此成为细胞工程在人类成功应用的典范。细胞输注和细胞治疗功效基于细胞工程。选择T细胞作为效应细胞是因为它们可以在体外增殖。通过抗体工程技术的CAR-T细胞治疗，利用单克隆抗体片段作为靶向分子进行治疗，充分发挥了CAR-T细胞的优势，8W. 他/工程5（2019）5单克隆抗体抗原特异性高。在CAR-T细胞技术中，已经通过基因工程和合成生物技术成功合成了T细胞表面受体基因;然后通过逆转录病毒或慢病毒载体在体外将该基因转染到患者自身的T细胞中因此，CAR-T细胞的细胞外片段是一种特异性抗体，可以靶向肿瘤细胞上的抗原，而细胞的细胞内片段由正常分子组成，可以介导T细胞信号转导和T细胞活化，从而杀死肿瘤细胞。这种人工合成的CAR可以被视为药物受体理论在21世纪的创新应用。通过这种方式，细胞治疗建立在基因工程和合成生物学技术的实践支持之上，并得到肿瘤学和肿瘤免疫学的理论支持。2.3.3. 社会：政府和社会应对新CAR-T细胞治疗技术CAR-T细胞疗法终于推出，主要是由于其作为难治性癌症的有效治疗方法最初的一个典型案例使这项新技术脱颖而出。2012年4月，一个名叫Emily Whitehead的六岁女孩患有ALL，在两轮化疗后病情继续恶化。她接受了June团队的CAR-T细胞治疗这种治疗对爱米丽产生了强烈的副作用，以致她一度失去知觉但后来，她又恢复了健康。随后的骨髓检查显示，她的肿瘤细胞奇迹般地消失了。研究人员后来发现，这种副作用主要是由细胞因子释放综合征（CRS）引起的。2014年，美国NCI儿科临床医生使用抗IL- 6抗体（一种治疗类风湿关节炎的药物）治疗CRS，并取得了良好的效果[13]。从某种意义上说，在患者及其家属的积极配合下，医生和科学家从事临床试验，是为了在解决问题的基础上继续进行创新这是CAR-T细胞疗法成功的重要科技因素，也为调控科学奠定了坚实的基础尽管如此，政府监管的创新仍然是CAR-T细胞疗法成功的关键因素。靶向CD 19分子的CAR-T细胞疗法已用于治疗B细胞肿瘤。三家制药公司领导了这项工作：一家大型制药公司，诺华，与June的团队合作;一家小公司，Kite Pharma，与Rosenberg的团队合作;另一家小制药公司，Juno Therapeutics，与Sadelain的团队合作。2016年，在JunoTherapeutics治疗ALL的JCAR 015临床试验中，5名患者死于脑水肿。同年7月，该项目停止开展临床试验，2017年3月，Juno Therapeutics宣布终止JCAR015项目。 尽管其他两家公司的产品最终都上市了，但美国FDA在Kymriah获批时同时采取了两项重要措施，因为CAR-T细胞会导致致命的CRS和一定的神经系统毒性副作用。 首先，抗IL-6抗体药物Actemra（tocilizu-mab）在治疗CAR-T诱导的CRS中的适应症范围扩大细胞疗法其次，建立了Kymriah产品的风险评价和缓解策略（ REMS ） ， 该 策 略 按 要 求 启 动 ， 并 包 括 确 保 安 全 使 用 的 要 素（ETASU）。其规程还包括对临床医疗机构和研究人员的相关技术要求，以确保产品的受益大于风险。美国FDA授予Kymriah优先审查和突破性治疗的称号，从而确保它不仅会尽快上市，而且还会涉及风险控制。3. 细胞治疗3.1. 基因工程免疫细胞治疗进展基因工程免疫细胞治疗将与其他治疗方法相结合，向多靶点方向发展，具有动态靶向、扩大范围、功能优化等特点。细胞疗法已衍生自用于癌症免疫疗法的免疫T细胞。在可预见的未来，细胞疗法将在癌症免疫疗法领域得到进一步发展在这里，重点将是针对恶性实体瘤，其中选择合适的靶标是一个关键因素。这种治疗策略可与化疗和靶向治疗相结合，以获得更好的疗效。考虑到癌症的多基因由于肿瘤的异质性和突变，在不同的治疗阶段可能需要动态靶向策略此外，细胞疗法将扩大在疾病治疗中的应用自身免疫性疾病、感染、炎症、退行性疾病和纤维化都可能成为细胞治疗的新领域[14]。此外，基因工程免疫细胞的功能将得到优化，例如通过减少有害细胞因子的释放并使细胞在体内存活更长时间。3.2. 在智能化、自动化和便利化方面的主动细胞疗法开发活性细胞治疗是精准医疗发展的重要起点以细胞为载体，其综合性能远优于单一化学药物和生物药物。细胞可以实现智能功能，如定向迁移和聚集，或完成作用后细胞死亡，从而在给定阶段驱动某种体外细胞生产的自动化也是一种趋势。人工智能和自动化可以用来实现细胞采集、培养、输液等组成部分的自动化，从而取代人工劳动。细胞治疗使个体化医疗成为可能，成为精准医疗发展的重要起点。3.3. 活细胞治疗挑战政府监管体系，带来改革发展机遇细胞疗法究竟是一种技术还是一种药物，一直是一个有争议的问题。如果政府监管体系是以药物为基础的（在大多数国家都是如此），那么如何才能批准和监管一个多靶点的持续调整治疗方案？也许一个创新的供应系统将有力地促进细胞治疗的快速发展，从而造福全人类。引用[1] FDA批准将第一个基因疗法带到美国[互联网]。Silver Spring：美国食品药品监督管理局; 2017年8月30日[更新于2018年3月26日;引用于2018年7月22日]。可查阅：https://www.fda.gov/NewsEvents/Newsroom/PressAnnouncements/ucm574058.htm。[2] BartfaiT，酒糟GV药物发现：从床边到壁街北京：人民出版社，2006.[3] BartfaiT ， Lees GV. 药物发现的 未来 ： 谁 决 定治疗哪 些疾 病 ？ Burlington ：Academic Press，2013.[4] 作者：JL.移植物抗宿主病新英格兰医学杂志1991;324（10）：667-74。[5] Rosenberg SA，Spiess P，Lafreniere R.肿瘤浸润淋巴细胞过继免疫治疗肿瘤的新途径。Science1986;233（4770）：1318-21.W. 他/工程5（2019）59[6] RosenbergSA ， Packard BS ， Aebersold PM ， Solomon D ， Topalian SL ， ToyST，et al. 肿瘤浸润淋巴细胞和白细胞介素-2在转移性黑色素瘤患者免疫治疗中的应用。初步报告。新英格兰医学杂志1988;319（25）：1676-80。[7] MorganRA ， Dudley ME ， Wunderlich JR ， Hughes MS ， Yang JC ， SherryRM，等. 基因工程淋巴细胞转移后患者的癌症消退。Science2006;314（5796）：126-9.[8] Gross G，Waks T，Eshhar Z.免疫球蛋白-T细胞受体嵌合分子作为具有抗体类型特异性的功能性受体的表达。Proc Natl Acad Sci USA 1989;86（24）：10024-8.[9] Kalos M，Levine BL，Porter DL，Katz S，Grupp SA，Bagg A，et al. T cellswithchimericantigenreceptorshavepotentantitumoreffectsandcanestablishmemory in patients with advanced leukemia. Sci Transl Med2011;3（95）：95ra73.[10] Brentjens RJ ， Davila ML ， Riviere I ， Park J ， Wang X ， Cowell LG ， et al. Tcellsrapidlyinducemolecularremissionsinadultswithchemotherapy-refractoryacute lymphoblastic leukemia. Sci Transl Med2013;5（177）：177ra38。[11] Maude SL ， Frey N ， Shaw PA ， Aplenc R ， Barrett DM ， Bunin NJ ， et al.Chimericantigen receptor T cells for sustained remissions in leukemia.新英格兰医学杂志2014;371（16）：1507-17。[12] Turtle CJ，Hanovia LA，Berger C，Gooley TA，Cherian S，Hudecek M，et al.成人B细胞ALL患者中确定的CD 4+：CD 8+组成的CD 19 CAR-T细胞。JClin Invest2016;126（6）：2123-38.[13] LeeDW，Gardner R，Porter DL，Louis CU，Ahmed N，Jensen M，等. 细胞因子释放综合征诊断和管理的最新概念。 血液2014;124（2）：188-95。[14] LimWA，June CH. 工程免疫细胞治疗癌症的原理 Cell 2017;168（4）：724-40。