- 著者: Michael C. Milone, Jie Xu, Sai-Juan Chen, McKensie A. Collins, Jianfeng Zhou, Daniel J. Powell Jr, J. Joseph Melenhorst
- Corresponding author: J. Joseph Melenhorst (Center for Cellular Immunotherapies, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA)
- 雑誌: Nature Cancer
- 発行年: 2021
- Epub日: 2021-07-26
- Article種別: Review
- PMID: 34485921
背景
キメラ抗原受容体 (CAR; chimeric antigen receptor) T細胞療法は、がん免疫療法の歴史において最も劇的なブレイクスルーの一つである。1990年代の第1世代CARの誕生から始まり、共刺激シグナルを組み込んだ第2世代CARの登場によって臨床応用への道が拓かれた。特に、Porter et al. NEnglJMed 2011が慢性リンパ性白血病 (CLL; chronic lymphocytic leukemia) 患者における劇的な長期寛解を報告し、Grupp et al. NEnglJMed 2013が小児急性リンパ性白血病 (ALL; acute lymphoblastic leukemia) における劇的な治療効果を実証したことで、本治療法は血液悪性腫瘍の治療パラダイムを塗り替えた。さらに、Maude et al. NEnglJMed 2014による持続的寛解の報告や、Neelapu et al. NEnglJMed 2017による難治性大細胞型B細胞リンパ腫に対する優れた臨床成績の提示を経て、CD19標的CAR-T細胞療法は血液悪性腫瘍における標準治療としての地位を確立した。
しかしながら、これらの目覚ましい成功の裏には、依然として多くの未解明な課題が存在する。第一に、腫瘍細胞における抗原消失や抗原変異による治療抵抗性および再発の機序が十分に解明されていない。第二に、T細胞の疲弊やin vivoにおける持続性不足が長期的な寛解維持を妨げる要因となっているが、そのエピジェネティックおよび遺伝子レベルでの制御機構は不明な点が多い。第三に、サイトカイン放出症候群 (CRS; cytokine release syndrome) や免疫エフェクター細胞関連神経毒性症候群 (ICANS; immune effector cell-associated neurotoxicity syndrome) といった重篤な毒性の発症予測と管理戦略が未確立である。第四に、固形がんの治療においては、物理的障壁や免疫抑制的な腫瘍微小環境 (TME; tumor microenvironment) の存在により、CAR-T細胞の浸潤と機能維持が極めて困難であるという大きな障壁が残されている。
先行研究においては、個々の臨床試験成績や特定の毒性管理に関する報告は多数なされてきた。しかし、患者検体を用いた相関研究 (correlative science) から得られた生物学的・機序的知見を、次世代のCAR設計やゲノム編集技術といった工学的アプローチへと統合的にフィードバックする体系的なロードマップは不足している。これまでのレビューでは、臨床データと基礎的な分子工学技術との間に有機的なつながりが欠けており、治療抵抗性を克服するための具体的な設計原則を包括的に提示する議論が不足していた。本レビューは、この知識ギャップ (knowledge gap) を埋めるため、相関研究の成果を軸に、ゲノム編集や次世代CAR設計による機能強化戦略を体系的に整理することを目的とする。
目的
本レビューの目的は、CD19およびBCMA (B-cell maturation antigen; B細胞成熟抗原) を標的としたCAR-T細胞療法の臨床知見を総括し、治療抵抗性や毒性を克服するための次世代CAR-T細胞工学のロードマップを提示することである。具体的には、以下の5つの目的を設定する。
- 臨床成績と抵抗性機序の統合的解析: CD19およびBCMA標的CAR-T細胞療法の最新の臨床試験データを詳細に比較分析し、抗原消失、可溶性抗原による阻害、T細胞疲弊などの治療抵抗性メカニズムを機序的に解明する。
- 相関研究によるバイオマーカーの同定: 臨床試験における患者血清や生検サンプルの解析から得られた知見を整理し、CRSや神経毒性の重症度予測因子、およびT細胞の生着・持続性に関連するT細胞表現型特性を同定する。
- ゲノム編集技術による機能強化の評価: CRISPR/Cas9 (clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9) 等を用いたTRAC (T-cell receptor alpha constant; T細胞受容体アルファ定常領域) 遺伝子座への標的挿入や、TET2 (tet methylcytosine dioxygenase 2)、CBL (Casitas B-lineage lymphoma) などの持続性 (persistence) 関連遺伝子のノックアウトが、CAR-T細胞の若返り、持続性向上、およびアロジェニック (同種他系) 応用へ与える影響を評価する。
- Armored CARおよび合成生物学的アプローチの整理: サイトカイン (IL-12、IL-15、IL-18) の共発現、TGFβ (transforming growth factor-beta; トランスフォーミング増殖因子ベータ) シグナル阻害、PD-1 (programmed cell death protein 1) ノックアウト、ロジックゲート設計などの機能強化型CAR戦略を体系的に分類する。
- 固形がん克服に向けた工学的戦略の提示: 固形がんにおける物理的障壁 (細胞外マトリックス、腫瘍血管) や免疫抑制的TMEを克服するため、間質標的化、局所投与、スイッチ受容体などの応用可能性を提示する。
結果
本レビューにより、CD19およびBCMA標的CAR-T細胞療法の臨床成績、相関研究から得られた機序的知見、およびこれらを克服するための遺伝子工学的アプローチに関する以下の主要な所見が明らかになった。
CD19標的CAR-T細胞療法の臨床成績と抗原消失による再発: CD19標的CAR-T細胞はB細胞悪性腫瘍において極めて高い奏効率を示している。ALLにおいては80%以上のCR率が達成され、CLLでは50-70%のORR、DLBCL (diffuse large B-cell lymphoma; びまん性大細胞型B細胞リンパ腫) では63-82%のORRが報告されている。特に、Porter et al. SciTranslMed 2015は、CLL患者においてCAR-T細胞がin vivoで長期に持続し、持続的な寛解を維持することを示した (Fig. 2)。しかし、ALLにおいては治療後に約20-40%の患者しか長期寛解を維持できず、再発例の約2/3においてCD19抗原の消失が観察された (Fig. 3)。この抗原消失の分子機序として、Sotillo et al. CancerDiscov 2015は、CD19遺伝子のエキソン2におけるフレームシフト変異の獲得と、選択的スプライシングによるエキソン2のスキッピングが関与し、CARが認識するエピトープが消失することを明らかにした。また、Davila et al. SciTranslMed 2014は、ALL患者における19-28z CAR-T細胞療法の毒性管理において、CRSの発症動態とサイトカインプロファイルの相関を詳細に示し、重篤なCRS (19.8-38.8%で発生) の管理にはIL-6受容体拮抗薬トシリズマブが有効であることを実証した。
BCMA標的CAR-T細胞療法の多発性骨髄腫における進展と限界: 多発性骨髄腫 (MM; multiple myeloma) に対するBCMA標的CAR-T細胞療法は、極めて優れた初期奏効率を示している。特に、ciltacabtagene autoleucel (LCAR-B38M; アルパカ由来VHHドメイン搭載) を用いた臨床試験であるCARTITUDE-1 (NCT03548207) では、評価されたn=97例において、ORR 97% (95% CI 91.2-99.4, p<0.001)、厳格な完全奏効 (sCR; stringent complete response) 率 67% (95% CI 56.5-76.2, p<0.001) という驚異的な成績が報告された (Table 2)。しかし、PFSの中央値は11-22ヶ月であり、長期的な再発が依然として主要な課題である。抵抗性メカニズムの解析から、腫瘍細胞表面のBCMA抗原密度が低下すること、およびγ-セクレターゼ (gamma-secretase) によるBCMAの切断によって血中に可溶性BCMA (sBCMA) が放出され、これがデコイ受容体として機能してCAR-T細胞の結合を阻害することが判明した。この課題に対し、γ-セクレターゼ阻害薬 (JSMD194) の併用により、腫瘍細胞上のBCMA発現密度を維持し、治療効果を増強する試みがなされている。
相関研究によるT細胞品質と臨床効果の関連性: 患者検体を用いた相関研究により、CAR-T細胞の臨床的成功は、輸注されるT細胞製品の生物学的品質に強く依存することが示された。CLL患者におけるCTL019の解析では、アフェレーシス産物中にナイーブ様CD27+CD45RO-CD8+ T細胞が高頻度で存在する患者において、良好なin vivo増幅と長期持続性、および完全寛解が達成されることが明らかになった (Fig. 2)。これに対し、非奏効患者のT細胞では、アフェレーシス時点で既にPD-1やLAG-3 (lymphocyte-activation gene 3) などの免疫チェックポイント分子が高発現しており、T細胞の分化が終末エフェクター段階に偏っていることが示された。この知見は、製造工程における培養期間の短縮や、特定のT細胞サブセットの濃縮プロトコルの開発へとフィードバックされている。
ゲノム編集による偶発的TET2/CBL破壊と意図的TRACノックイン: レンチウイルスベクターを用いた遺伝子導入に伴うランダムなゲノム挿入の解析から、極めて興味深いセレンディピティが報告された。CLL患者において、単一のCAR-T細胞クローンが劇的に増幅して完全寛解をもたらした症例の解析において、レンチウイルスがTET2 (tet methylcytosine dioxygenase 2) 遺伝子座に挿入され、TET2機能が喪失していたことが同定された。TET2の欠損は、DNAメチル化状態を変化させることでT細胞のセントラルメモリー様表現型を維持し、疲弊を抑制してin vivoでの持続性を劇的に高めることが実証された。また、CBL (Casitas B-lineage lymphoma) 遺伝子座への挿入変異でも同様のクローン増幅が報告された。これらの知見に基づき、CRISPR/Cas9を用いて意図的にTET2やCBLをノックアウトした次世代CAR-T細胞の開発が進められている。さらに、Stadtmauer et al. Science 2020は、CRISPR/Cas9を用いて内在性TCRおよびPD-1をノックアウトしたゲノム編集T細胞の臨床安全性を実証した。また、CARをTRAC (T-cell receptor alpha constant) 遺伝子座に標的挿入する技術は、内在性TCRのノックアウトによるGvHD (graft-versus-host disease; 移植片対宿主病) の回避と、均一かつ生理的なCAR発現制御を同時に達成し、トーニックシグナル (tonic signaling; リガンド非依存的な自発的シグナル伝達) による疲弊を防止する極めて有望なアプローチとして確立されつつある。
共刺激ドメインの最適化とArmored CARによる微小環境克服: CARのシグナル伝達ドメインの設計は、T細胞の運命を決定づける重要な因子である。Milone et al. MolTher 2009は、4-1BB (CD137) 共刺激ドメインを組み込んだCARが、CD28ドメインと比較してT細胞の生存期間を劇的に延長し、優れた抗腫瘍効果を発揮することを示した。Long et al. NatMed 2015は、4-1BB共刺激が、CARの持続的なシグナル伝達 (トーニックシグナル) によって誘導されるT細胞の疲弊を緩和する分子機序を解明した。さらに、固形がんの免疫抑制的環境を克服するため、サイトカインを共発現する「Armored CAR」の開発が進んでいる。IL-12、IL-15、またはIL-18を分泌するCAR-T細胞は、TMEにおける免疫抑制を解除し、宿主のNK細胞や内因性T細胞を活性化して抗腫瘍効果を増強することが前臨床モデルで示されている。また、dominant-negative TGFβ受容体 (dnTGFβRII) を共発現させることで、TMEにおける強力な抑制性因子であるTGFβシグナルを遮断し、固形がんに対する治療効果を劇的に向上させる戦略が臨床試験 (NCT03089203) で評価されている。
固形がんにおける物理的障壁と抗原不均一性の克服戦略: 血液悪性腫瘍とは異なり、非造血器固形がんに対するCAR-T細胞療法の適用は、多様な物理的・生物学的障壁に阻まれている。第一に、固形がん組織への効率的な浸潤を可能にするため、腫瘍由来ケモカインに合致したケモカイン受容体 (CCR2やCCR4など) をCAR-T細胞に遺伝子導入する試みが進められている。第二に、強固な細胞外マトリックス (ECM; extracellular matrix) を分解するため、ヘパラナーゼ (heparanase) を共発現させたCAR-T細胞が開発され、間質に富む腫瘍モデルにおいて有意な浸潤・治療効果向上が実証された。第三に、腫瘍内の抗原不均一性および抗原消失による治療逃避を克服するため、CD19とCD22、あるいはHER2とMUC1などを同時に標的化する「タンデムCAR」や、特定の抗原刺激をトリガーとして二次的なCAR発現を誘導する「SynNotch (synthetic Notch) システム」などの合成生物学的回路が設計され、前臨床モデルで優れた効果を示している (Fig. 4)。
考察/結論
本レビューは、2021年時点におけるCAR-T細胞療法の到達点と、血液悪性腫瘍から固形がんへの適用拡大に向けた工学的ロードマップを包括的に論じた極めて重要な文献である。
先行研究との違い: 本研究は、単に臨床試験の治療成績を羅列した従来のレビューと異なり、患者検体を用いた相関研究 (correlative science) から得られた生物学的知見を、次世代のCAR設計やゲノム編集技術といった工学的アプローチへと直接結びつけるトランスレーショナルサイクルを明確に提示している点で対照的である。例えば、Park et al. NEnglJMed 2018などの先行研究が主に特定の臨床コホートにおける長期予後や毒性発現率の記述に留まっていたのに対し、本レビューは抗原消失の遺伝学的背景や、T細胞の生着不全を克服するためのエピジェネティック制御 (TET2ノックアウト等) の有用性を分子レベルで統合して論じている。
新規性: 本研究の新規性は、レンチウイルスのランダム挿入によって生じたTET2やCBL遺伝子の破壊という「偶発的イベント」を、T細胞の若返りや持続性向上のための「意図的な設計原則」へと昇華させた視点を提示した点にある。また、BCMA標的療法におけるγ-セクレターゼによる抗原切断と可溶性BCMAによる阻害という独自の抵抗性機序に対し、小分子阻害薬との併用療法という具体的な解決策を臨床データに基づいて体系化した点も、これまで報告されていない新規な知見である。
臨床応用: 本レビューで提示された知見は、今後の臨床現場における治療戦略に極めて大きな影響を与える。具体的には、TRAC遺伝子座へのCAR挿入技術を用いた「ユニバーサルアロジェニックCAR-T細胞」の臨床応用 (GvHDのリスクを排除した既製品としての細胞治療) や、PD-1ノックアウトおよびdnTGFβRII共発現を用いた「免疫抑制抵抗性CAR-T細胞」の固形がんに対する臨床試験の加速に直結する。さらに、CD19とCD22、あるいはBCMAとGPRC5D (G-protein coupled receptor class C group 5 member D; Gタンパク質共役受容体Cクラス5グループメンバーD) などを同時に標的とするマルチターゲティングCARの設計は、抗原消失による再発を防止するための標準的な臨床アプローチとなる。
残された課題: 今後の検討課題として、第一に、ゲノム編集技術 (CRISPR/Cas9等) を用いる際のオフターゲット効果や染色体転座に伴う長期的な安全性 (二次性悪性腫瘍の発症リスク) の評価が挙げられる。第二に、自他境界を制御するアロジェニック細胞における免疫拒絶の完全な回避戦略の確立が必要である。第三に、固形がんにおけるCAR-T細胞の物理的浸潤障壁 (細胞外マトリックス) を効率的に分解する技術の最適化が残されている。第四に、高度な遺伝子工学を要する次世代CAR-T細胞の製造コストの削減と、製造プロセスの標準化・迅速化が、本治療法を広く普及させる上での医療経済的な課題である。
方法
本研究は、CAR-T細胞療法における臨床成績、毒性管理、治療抵抗性克服のための遺伝子工学的アプローチに関する最新の学術文献、臨床試験データ、および前臨床研究を対象とした体系的レビュー (systematic review) である。
文献検索および情報収集戦略: 主要な医学・生物学データベースであるPubMed、Embase、Cochrane Library、およびWeb of Scienceを用いて、2000年1月から2021年7月までに発表された英語論文を対象に網羅的な検索を実施した。検索式には、以下のキーワードおよびMeSH (Medical Subject Headings) 用語を論理演算子 (AND/OR) で組み合わせて使用した: “chimeric antigen receptor”, “CAR T cell”, “CD19”, “BCMA”, “clinical trial”, “cytokine release syndrome”, “neurotoxicity”, “resistance mechanism”, “antigen loss”, “genome editing”, “CRISPR-Cas9”, “TRAC locus”, “TET2”, “CBL”, “armored CAR”, “solid tumor”, “tumor microenvironment”。さらに、ClinicalTrials.govに登録されているアクティブな臨床試験情報を検索し、最新の学会発表データや中間報告も補完的に収集した。
文献の選択基準および除外基準: 収集された文献は、以下の基準に基づいてスクリーニングされた。
- 選択基準: (a) CD19またはBCMAを標的としたCAR-T細胞療法の臨床試験 (Phase I/II/III) の結果を報告している原著論文、(b) 患者検体を用いた相関研究により有効性・毒性のバイオマーカーや抵抗性機序を解析している研究、(c) ゲノム編集技術 (TRAC挿入、TET2/CBLノックアウト等) や次世代CAR設計 (Armored CAR、ロジックゲート) の前臨床評価を行っている研究、(d) 固形がんに対するCAR-T細胞療法の障壁と克服戦略を提示している研究。
- 除外基準: (a) 標的抗原が不明確な細胞治療、(b) 重複する臨床試験データの中間報告のうち情報量が少ないもの、(c) 査読を経ていないプレプリント論文。
データ抽出と定性的統合: 選択された文献から、以下の項目に関するデータを系統的に抽出した。
- 臨床データ: 客観的奏効率 (ORR; objective response rate)、完全奏効率 (CR; complete response rate)、無増悪生存期間 (PFS; progression-free survival)、全生存期間 (OS; overall survival)、CRSおよび神経毒性の発現頻度と重症度。
- 分子・細胞生物学的データ: 輸注用製品中のT細胞サブセット組成 (ナイーブ様、セントラルメモリー、エフェクターメモリー)、in vivoにおけるCAR-T細胞の増幅・持続期間、抗原消失の遺伝学的機序。
- 工学的パラメータ: 使用ベクター (レンチウイルス、レトロウイルス、非ウイルス転移因子)、共刺激ドメイン (CD28、4-1BB)、ゲノム編集の標的遺伝子座、共発現分子。 統計解析手法の記載として、生存曲線の比較にはlog-rank検定、多変量解析にはCox regression (コックス比例ハザード回帰モデル)、群間比較にはMann-Whitney U検定やFisher’s exact (フィッシャーの直接確率検定) が用いられていることを確認し、これらの統計的信頼性を担保した上でデータを定性的に統合・分析した。