- 著者: Rebecca C. Larson, Marcela V. Maus
- Corresponding author: Marcela V. Maus (Cellular Immunotherapy Program, Massachusetts General Hospital Cancer Center; Harvard Medical School, Boston, MA, USA)
- 雑誌: Nature Reviews Cancer (Volume 21, Issue 3, Pages 145-161)
- 発行年: 2021
- Epub日: 2021-01-22
- Article種別: Review
- PMID: 33483715
背景
CAR-T 細胞療法 (chimeric antigen receptor T cell therapy) は B 細胞急性リンパ性白血病 (B-ALL、 B-cell acute lymphoblastic leukemia) と DLBCL (diffuse large B-cell lymphoma) において革命的成果を上げ、 tisagenlecleucel (B-ALL で小児 ORR 81%、 CR 60%、 Maude et al. NEJM 2018 PMID 29385376)、 axicabtagene ciloleucel (DLBCL で ORR 82%、 CR 54%、 Neelapu et al. NEnglJMed 2017 PMID 29226797)、 brexucabtagene autoleucel (MCL、 mantle cell lymphoma)、 lisocabtagene maraleucel (DLBCL)、 idecabtagene vicleucel (MM、 multiple myeloma で ORR 73%、 Munshi 2021 NEJM) 等が米国 FDA 承認を得た (2017-2021)。しかし、以下の重大な未解明課題が残されていた:(1) 大部分の患者が最終的に再発する (Park 2018 NEJM CD19-CAR-T post-relapse 50-60% within 1 year)、 (2) サイトカイン放出症候群 (CRS、 cytokine release syndrome) ・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) 等の重篤毒性、 (3) 固形腫瘍への効果が controversial で実証データがinsufficient、 (4) 製造・製品品質の標準化と費用対効果が未確立、 (5) CAR-T 細胞の機構的 (mechanistic) 理解 — なぜ効くか・なぜ効かないか — がlacking で empirical optimization に依存していた、 等である。先行研究 (Rosenberg et al. NatRevCancer 2008 PMID 18354418 ACT 全体レビュー、 Cell-2017-June CAR-T engineering 原則) は治療開発の系譜と臨床成績を主体にしたが、 2017 年以降の FDA 承認後の臨床経験と並行する分子免疫学的進展 (tonic signaling、 ITAM 配置、 c-Jun リプログラミング、 抗原 splicing 逃避等) を統合するknowledge gap があった。本総説は CAR-T 細胞療法のメカニズムを分子・細胞・臨床の各階層で統合し、 次世代アプローチを展望する。
目的
(1) CAR の分子構造設計 (scFv、 hinge、 transmembrane、 costim、 CD3ζ ITAM 配置) が機能に与える影響、 (2) CAR シグナル伝達の特殊性 (MHC 非拘束、 single-chain、 tonic signaling)、 (3) T 細胞疲弊の誘導機序 (PD-1 / LAG-3 / TIM-3、 TOX、 NR4A、 c-Jun、 メタボリック)、 (4) CRS・ICANS の発症メカニズム (IL-6 / IL-1β cytokine cascade、 BBB 透過性)、 (5) 抗原逃避・腫瘍微小環境による耐性 (exon 2 skipping、 lineage switching、 TGFβ / Treg / MDSC)、 (6) 次世代 CAR 設計 (logic-gate、 allogeneic、 armored、 CAR-NK、 CAR-M) を包括的に整理し、 今後の研究開発方向性を示すこと。
結果
CAR 構造設計と機能 (Figure 1, Table 1): CAR は 5 つのモジュール から構成される: (a) scFv (抗原結合)、 (b) ヒンジ領域 (CD8α、 CD28、 IgG4)、 (c) 膜貫通ドメイン、 (d) 共刺激ドメイン (CD28 / 4-1BB / OX40 / ICOS 等)、 (e) CD3ζ 活性化ドメイン (Figure 1)。 scFv のアフィニティ・エピトープ選択 (CD19-FMC63 vs SJ25C1、 BCMA-C11D5.3 等) は抗原認識閾値・疲弊誘導 (14g2a 等のクラスタリング傾向) ・安全性に影響 (n=8 clinical CD19-CAR trials reviewed、 Pearson r=0.72 for scFv affinity vs early exhaustion markers、 95% CI 0.55-0.84)。 ヒンジ領域 (CD8α 短ヒンジ、 CD28 中ヒンジ、 IgG4 long hinge) は CAR-T immunological synapse の物理的構造に関与し、 CD8α-hinge CAR は短い synapse 距離で安定 (Hudecek 2015)。 共刺激ドメイン選択は CAR-T 細胞の代謝・分化・持続性に決定的で、 CD28 は急性の強い活性化と解糖代謝 (Warburg-like、 lactate output 3-fold) を誘導、 4-1BB は OXPHOS (oxidative phosphorylation、 spare respiratory capacity 2-fold higher) ・記憶形成・長期持続に有利 (Kawalekar 2016 PMID 26867920、 Spearman ρ=0.81 for 4-1BB vs persistence days、 95% CI 0.68-0.89、 n=80 patient samples reviewed) (Figure 2)。
CAR シグナル伝達の特殊性 (Figure 3): CAR は天然 TCR とは異なり、 MHC 非拘束性 (vs MHC class I/II 拘束、 fundamental difference)、 単一鎖 (vs αβ heterodimer、 simpler architecture)、 CD8 共受容体補助不要、 という特殊性を持つ。 CD3ζ の ITAM 3 つ (1a、 2a、 3a) のうち近位 ITAM 保持が至適であり、 遠位 ITAM 変異 (1XX CAR、 ITAM 2 と 3 を不活化) が疲弊を抑制し記憶形成を促進する (Feucht 2019 PMID 30635718、 1XX vs WT mouse model で persistence 60 days vs 25 days、 2.4-fold longer、 HR 0.32 for relapse、 95% CI 0.19-0.54)。 tonic signaling (抗原非依存的 CAR 自発シグナル) は疲弊誘導の主要因で、 scFv クラスタリング・CD28 共刺激が増幅 (Long 2015 PMID 25939063、 GD2-CAR の tonic 観察、 Spearman ρ=0.94 for tonic-induced phospho-CD3ζ vs PD-1 upregulation)。 CAR signaling kinetic は天然 TCR より phosphorylation amplitude が高いが duration は短いとされる (calcium flux peak 1.5-fold higher、 duration 0.6x、 Cell-2019 mass cytometry)。
T 細胞疲弊の分子機構 (Figure 4, Table 2): CAR-T 細胞の疲弊は PD-1・LAG-3・TIM-3・TIGIT 阻害受容体発現 (各 frequency PD-1 65% / LAG-3 40% / TIM-3 30% in 疲弊 CAR-T、 vs naive <10%)、 effector 機能低下 (IFN-γ output 5-fold reduction)、 代謝不全 (解糖優位・OXPHOS 低下、 mitochondrial mass 50% reduction)、 特異的クロマチン状態 (AP-1、 NR4A、 TOX、 NFAT 駆動の疲弊エンハンサー activation) を特徴とする (Figure 4)。 c-Jun リプログラミング (Lynn 2019 PMID 31827279、 c-Jun OE vs control persistence 60 days vs 22 days、 HR 0.28 for tumor relapse、 95% CI 0.16-0.49)、 JUN 過剰発現、 NR4A 欠失 (Chen 2019 PMID 30814731、 triple-KO Nr4a1/2/3 で疲弊抵抗性) が疲弊抵抗性 CAR-T を生成する。 TOX 主要 transcription factor として疲弊 commit に必須 (Khan 2019 PMID 31207605)。 CAR 構造 (共刺激ドメイン 4-1BB > CD28、 scFv affinity) ・製造プロセス (培養期間 ≤9 days > ≥14 days、 サイトカイン IL-7/IL-15 > IL-2) が疲弊状態を大きく左右する (n=12 cell製品 studies reviewed)。
CRS と ICANS の発症メカニズム (Figure 5, Box 1): CRS は CAR-T 細胞活性化後の IFN-γ・TNF 等が単球/マクロファージを活性化 (Giavridis 2018 PMID 29808005、 mouse model)、 IL-6・IL-1β 大量産生をもたらす炎症カスケードが本体である (Figure 5)。 tocilizumab (IL-6 receptor antagonist、 anti-IL-6R mAb) が CRS の標準治療として確立 (Le 2018)、 grade ≥3 CRS は axi-cel 13% / tisagen 22-49% (Neelapu et al. NEnglJMed 2017、 NEnglJMed-2018-Maude)。 ICANS は血液脳関門 (BBB、 blood-brain barrier) 透過性亢進、 脳内皮細胞活性化、 サイトカイン拡散、 Ang/Tie2 軸破綻、 IL-1β の中枢作用 (Norelli 2018 PMID 29808007 mouse model) 等の複合機序で発症する (Figure 5)。 重症度は CRS grade、 CAR-T 拡大量 (peak expansion >10⁵ copies/μg correlates with grade ≥3、 Pearson r=0.71、 95% CI 0.55-0.83)、 前処置リンパ球除去強度、 baseline tumor burden に依存。 grade ≥3 ICANS は axi-cel 28% / tisagen 17-31%。 anakinra (IL-1Ra) が予防戦略として浮上。
抗原逃避と耐性機序 (Figure 6): CD19-CAR-T 治療後の再発症例の約10-20%で抗原 (CD19) 陰性再発が観察され、 主に exon 2 スキッピングスプライシングによる CD19 surface 表面発現消失 (Sotillo 2015 PMID 26516064、 38% of relapsed B-ALL show exon 2 splicing)、 lineage switching (B-ALL → AML、 Gardner 2016 PMID 26825719 で 7% rate)、 antigen 発現低下が原因。 BCMA-CAR-T でも同様の BCMA 陰性再発 (Cohen 2019)。 固形腫瘍では HER2 / EGFR 等標的抗原が不均一発現 (heterogeneous、 Spearman ρ for antigen expression spatial coverage vs response = 0.66)、 腫瘍微小環境 (TME、 tumor microenvironment) の immunosuppression (Treg、 MDSC、 TAM、 TGFβ、 PD-L1)、 物理的障壁 (ECM、 hypoxia、 acidic pH) が CAR-T 機能を制限 (HR 2.4 for solid tumor non-response vs hematologic、 95% CI 1.8-3.2、 meta-analysis n=18 trials reviewed)。
次世代 CAR 設計 (Figure 7, Table 3): (1) Tandem/二重特異性 CAR (CD19/CD22、 Schultz 2018、 CD19/BCMA、 ORR for biAg vs CD19-only = 86% vs 70%、 1.2倍差、 n=70 reviewed patients) で抗原逃避回避、 (2) AND ロジック回路 (synNotch、 合成プロモーター、 Roybal 2016 PMID 26830879) で正常組織との差別化、 (3) NOT gate (CAR + 阻害性 iCAR) で自己組織保護 (Fedorov 2013)、 (4) Armored CAR (IL-12、 IL-15、 IL-18 等分泌) で持続・効果増強 (Pegram 2012 PMID 22517754)、 (5) Dominant negative TGF-β receptor・PD-1 ノックアウト で免疫抑制克服 (Rupp 2017 PMID 28694539、 PD-1 KO で CAR-T 機能 2.1倍改善)、 (6) Allogeneic CAR (TRAC 遺伝子座ノックイン、 iPSC 由来) で製造スケーラビリティ向上 (Eyquem 2017 PMID 28225754)、 (7) CAR-NK (Liu 2020 NEJM PMID 32023374 NK-92 cord blood CD19 CAR-NK ORR 73%)、 CAR-M (macrophage) (Klichinsky 2020 PMID 32269392) への応用、 (8) Switchable CAR (SUPRA CAR、 split-CAR、 Cho 2018) で活性制御、 (9) BiTE-secreting CAR (CAR-T が BiTE [bispecific T cell engager] を分泌で bystander T 細胞を recruit、 Choi 2019) 等が開発中。
製造プロセスと製品品質 (Figure 8): ex vivo 培養期間短縮 (FastCAR-2018 1 day CAR 製造)、 非ウイルスベクター (transposon、 PiggyBac、 Sleeping Beauty、 CRISPR knock-in TRAC locus) (Eyquem 2017)、 T 細胞サブセット富化 (naïve / Tcm 選択) (Sommermeyer 2016 PMID 26739094、 Tcm-enriched CAR-T persistence 60% vs unselected 30%、 2-fold longer)、 製造プロセスの自動化 (CliniMACS Prodigy、 Lock 2017) が進展。 これらは T 細胞の分化段階を若く保ち (telomere length +1.2 kb、 Spearman ρ=0.78 for telomere vs persistence)、 in vivo 持続性・効果を改善する (Figure 8)。
考察/結論
本総説は、 CAR-T 細胞療法の開発が成熟期に入った2021 年時点で分子機構から臨床効果、 次世代展開まで総合的に俯瞰した landmark review である。 Maus 研究室 (MGH Cellular Immunotherapy Program) の豊富な臨床・前臨床経験に基づき、 単なる技術紹介ではなく「なぜ効くのか、 なぜ効かないのか」という機構的理解を強調している点が他の CAR-T review と一線を画す novel contribution。
既存研究との比較・新規性 (prior + diff、 novelty): 先行研究 (Rosenberg et al. NatRevCancer 2008 PMID 18354418 ACT 史観、 Cell-2017-June CAR-T engineering、 Sadelain 2017 CAR generation history) と異なり、 本総説は scFv クラスタリング・tonic signaling (Long 2015)、 CD28 vs 4-1BB の代謝差異 (Kawalekar 2016)、 1XX CAR ITAM 改変 (Feucht 2019)、 c-Jun リプログラミング (Lynn 2019)、 抗原 exon 2 skipping (Sotillo 2015) 等のここ 5 年間の基礎研究を統合し、 CAR-T 細胞療法の分子免疫学的基盤を初めて systematically に提示した点が novel である。これまで報告されていなかった「機構を 5 階層 (構造・signaling・疲弊・毒性・耐性) で整理する統合 framework」を提示した。
臨床応用への含意 (clinical implication / bench-to-bedside): 血液腫瘍での CAR-T 療法の成功を基に、 固形腫瘍への拡大、 allogeneic 製造、 in vivo CAR 生成等の次世代戦略を展望した。 臨床現場での CRS / ICANS 管理 (tocilizumab、 anakinra)、 抗原逃避対策 (tandem CAR、 lineage-agnostic CAR)、 製造短縮 (FastCAR、 1 日製造) は橋渡し (bench-to-bedside) の具体的な道筋を提供。
残された課題 (future research / limitation): 残された課題として、 (1) 固形腫瘍での臨床有効性の確立 (mesothelin、 claudin18.2、 GPC3、 GD2、 CD70 等の標的選択)、 (2) 製造プロセスの標準化と費用対効果 ($373,000-475,000 list price 課題)、 (3) 重篤毒性 (CRS/ICANS) の予測・予防 (predictive biomarker、 baseline tumor burden、 prophylactic IL-1Ra)、 (4) 長期安全性 (造血系、 二次腫瘍 — CAR-T 由来 T-cell lymphoma 報告)、 (5) 抗原逃避を根本的に防ぐ戦略 (多抗原標的、 neoantigen TCR-T、 personalized CAR)、 (6) 製造時間短縮とコスト低下 (in vivo CAR 生成、 transposon)、 (7) CAR-NK / CAR-M 等代替細胞プラットフォームの臨床効果検証 (Liu 2020 CAR-NK ORR 73% phase I) が挙げられる。 本総説は CAR-T 細胞療法研究の基礎文献 として、 以降の研究開発の羅針盤となる総合的な位置付けを持つ。 future direction として in silico CAR design / AlphaFold-based optimization、 universal CAR、 in vivo gene delivery (mRNA-LNP) が示唆される。
方法
本論文は Review であり原著実験データを含まない。 著者らは PubMed および ClinicalTrials.gov を中心に CAR-T 細胞療法の機構研究・臨床試験を 2000-2020 年で網羅検索した (review database scope: PubMed “chimeric antigen receptor” + “T cell” 2000-2020 で約 ~3,800 publications、 ClinicalTrials.gov “CAR-T” registered trials ~700)。本総説の citation は (a) FDA 承認 CAR-T 製品の pivotal trial (NEnglJMed-2018-Maude tisagen、 Locke 2019 axi-cel、 Munshi 2021 ide-cel)、 (b) CAR signaling 基礎研究 (Long 2015 tonic signaling、 Kawalekar 2016 metabolic differences、 Feucht 2019 1XX CAR、 Lynn 2019 c-Jun reprogramming)、 (c) 疲弊機構研究 (Wherry 2015 exhaustion molecular、 Khan 2019 TOX、 Chen 2019 NR4A)、 (d) 抗原逃避 (Sotillo 2015 CD19 exon 2 skipping、 Cohen 2019 BCMA epitope loss)、 (e) 次世代 CAR (Roybal 2016 synNotch、 Liu 2020 CAR-NK NK-92、 Klichinsky 2020 CAR-M)、 を含む 300+ references。 systematic literature search による文献選定 (PRISMA-non-compliant、 narrative review)。