مستقبلات المستضد الكيميري Chimeric antigen receptors (CARs)، (وتعهد أيضاً بالمستقبلات المناعية الكيميرية chimeric immunoreceptors، مستقبلات الخلايا التائية الكيميرية chimeric T cell receptors، مستقبلات الخلايا التائية الاصطناعية artificial T cell receptors أوCAR-T)، هي مستقبلات معدلة وراثياً والتي تُطعم خاصية معينة في الخلية المستجيبة للمناعة (الخلية التائية). عادة، تستخدم هذه المستقبلات لتطعيم خاصية الضد وحيد النسيلة داخل خلية تائية، مع تيسير تسلسل الترميز الخاص بها عن طريق النواقل الڤيروسية. يطلق على هذه المستقبلات اسم الكيميرات لأنها تتكون من أجزاء من مصادر مختلفة.

علاج المستقبل المستضد الكميري للسرطان، يستخدم تقنية تسمى نقل الخلية المقتبس، والذي حاز موافقة ادارة الغذاء والدواء الأمريكية كي يستخدم لعلاج سرطان الدم الليمفاوي الحاد. يتم إزالة الخلايا التائية من المريض وتعديلها كي تتمكن من التعبير عن مستقبلات محددة لنوع السرطان الخاص بالمريض. الخلايا التائية، والتي يمكنها بعد ذلك التعهد على الخلايا السرطانية والقضاء عليها، يتم إعادة إدخالها لجسم المريض. تعديل الخلايا التائية المستمدة من المتبرعين بدلاً من المريض هي أيضاً تحت الدراسة.

المبدأ الأساسي لتصميم الخلايا التائية لمستقبلات المستضد الكيميري يتضمن مستقبلات مؤشبة تجمع وظائف لربط المستضد ولتفعيل الخلية التائية. المقدمة العامة للخلايا التائية لمستقبلات المستضد الكيميري هي التوليد السريع للخلايا التائية التي تستهدف خلايا أورام معينة. وبإمكان الفهماء حتى يزيلوا الخلايا التائية من مريض، ثم يهندسونها وراثياً، ثم يعيدونها إلى المريض لكي تعمل ضد الخلايا السرطانية. وبمجرد اتمام هندسة الخلية التائية لتصبح خلية تائية مستقبلة لمستضد كيميري CAR T-Cell، فإنها تحصل على خصائص فوق فسيولوجية وتطوِّر القدرة على العمل كـ ‘عقار حي’. الخلايا التائية المستقبلة لمستضد كيميري تخلق رابط بين نطاق تعهد على ربيطة خارج الخلية وبين جزيء إشارة داخل الخلية، الذي بدوره ينشّط الخلايا التائية. نطاق التعهد على الربيطات خارج الخلية عادةً ماقد يكون قِسم متغير أحادي السلسلة (scFv). السؤال الذي كثيراً ما يُطرح حول سلامة هذا العلاج هوكيف من الممكن أن يمكن التأكد حتى خلايا الورم السرطاني فقط هي التي يفترض أن تُستهدف وليس الخلايا العفية الطبيعية،يا ترى؟ المجال والسلام للخلايا التائية المستقبلة للمستضد الكيميري يحددها اختيار الجزيء المستهدَف.

الخلية التائية لمستقبلات المستضد الكيميري (خ.ت.م.م.ك CAR-T) يمكن اشتقاقها إما من دم المريض نفسه (اغتراس ذاتي) أوتُشتق من متبرع آخر عفي (غرس الطعم الخيفي). تلك الخلايا التائية مُهندَسة وراثياً لإظهار مستقبل خلية تائية اصطناعي، الذي من خلاله يجري استهدام المستضدات المتعلقة بالسقم. هذه العملية هي مستقلة عن MHC ولذلك فإن كفاءة التحديد تزداد جداً. هذه الخلايا التائية المستقبلة للمستضدات الكيميرية تكون مبرمجة لاستهدام المستضدات التي تكون متواجدة على أسطح الأورام. وحين يتصلون بالمستضدات على الأورام، فإن الخلايا التائية لمستقبلات المستضد الكيميري تتنشط عبر پپتيد الإشارة، وتنتشر وتصبح سامة للخلية. ويقومون بكل ذلك بشكل مستقل عن معقد توافق الأنسجة الرئيسي (MHC) الخلايا التائية لمستقبلات المستضد الكيميري تدمر خلايا السرطان عبر آليات مثل الانتشار المستحث بشدة للخلايا، مما يزيد من درجة التي تصبح عندها الخلية سامة للخلايا الحية الأخرى، أي سمية الخلايا، وبالبتسبب في زيادة انتاج العوامل المُفرزة من الخلايا في جهاز المناعة التي لها مفعول على الخلايا الأخرى في العضية. تلك العوامل تُسمى سيتوكينات وتضم إنترلوكنات وإنترفيرونات وعوامل نمو.

الحالة المرغوبة التي تعمل فيها مستقبل مستضد كيميري لخلية تائية هي أنهم سيكونوا محددين لمستضد ظاهر في ورم وليس بظاهر في أي خلية عفية في الجسد تعمل بشكل طبيعي. CD19 يظهر (أويُعبَّر عن) على الخلايا البائية طوال تطورهم وكنتيجة لذلك، كما تظهر CD19 على تقريباً جميع الأورام الخبيثة للخلايا البائية. بالاضافة لذلك، فإن CD19 يظهر فقط في نسب الخلية البائية وليس في أي نسب أوأنسجة أخرى. تلك الأورام الخبيثة تضم أشكالاً من السرطان مثل لوكيميا الأرومة اللمفاوية الحادة (ALL)، اللوكيميا الليمفاوية المزمنة (CLL)، والكثير من الأشكال المتنوعة للمفومة هودجكن.

الاستخدام في السرطان

النقل لتبني الخلايا التائية التي تُظهـِر مستقبلات للمستضدات الكيميرية هوعلاج واعد للسرطان، إذ يمكن هندسة الخلايا التائية المستقبلة للمستضدات الكيميرية لإستهداف تقريباً أي مستضد مقترن بورم. ويوجد إمكانيات هائلة لهذه المقاربة لتحسين علاج السرطان لكل إنسان حسب جيناته وجينات سقمه، بشكل مختلف تماماً عن جميع العلاجات السابقة. فبعد جمع الخلايا التائية من المريض، فإن الخلايات تُهندَس وراثياً لإظهار مستقبلات للمستضدات الكيميرية CAR الموجهة تحديداً لإستهداف المستضدات المتواجدة على خلايا الأورام في هذا المريض تحديداً، ثم تـُحقن في المريض.

موافقات FDA المبكرة

أول علاجين وافقت عليهم FDA يستخدمان الخلايا التائية لمستقبلات المستضدات الكيميرية يستهدفان CD19 (الموجود في أنواع عديدة من خلايا اللمفوما). وقد حصلا على موافقة لمعالجة لمفوما الخلية البائية الكبيرة المنتشرة المنتكسة/المنيعة (DLBCL) لكل من أكسي‌كابتاجين سايلوليوسل وسابق الخلية البائية المنتكسة/المنيعة لوكيميا الأرومة اللمفاوية الحادة (ALL) لـ تيساجن‌لكلوسل.

الهجريب

تتكون مستقبلات المستضدات الكيميرية من ثلاث مناطق: نطاق خارجي ونطاق عبر الغشاء ونطاق داخلي.

النطاق الخارجي

The ectodomain is the region of the receptor that is exposed to the extracellular fluid and consists of ثلاثة components: a signalling peptide, an antigen recognition region and a spacer.

A signal peptide directs the nascent protein into the endoplasmic reticulum. The signal protein in CAR is called a single-chain variable fragment (scFv), a type of protein known as a fusion protein or chimeric protein. A fusion protein is a protein that is formed by merging two or more genes that code originally for different proteins but when they are translated in the cell, the translation produces one or more polypeptides with functional properties derived for each of the original genes.

A scFv is a chimeric protein made up of the light and heavy chains of immunoglobins connected with a short linker peptide. The linker consists of hydrophilic residues with stretches of glycine and serine in it for flexibility as well as stretches of glutamate and lysine for added solubility.

النطاق عبر الغشاء

The transmembrane domain is a hydrophobic alpha helix that spans the membrane. The transmembrane domain is essential for the stability of the receptor as a whole. At present, the CD28 transmembrane domain is the most stable of the domains.

Generally, the transmembrane domain from the most membrane proximal component of the endodomain is used. Interestingly, using the CD3-zeta transmembrane domain may result in incorporation of the artificial TCR into the native TCR, a factor that is dependent on the presence of the native CD3-zeta transmembrane charged aspartic acid residue. Different transmembrane domains result in different receptor stability. The CD28 transmembrane domain results in a highly expressed, stable receptor.

النطاق الداخلي

This is the functional end of the receptor. After antigen recognition, receptors cluster and a signal is transmitted to the cell. The most commonly used endodomain component is CD3-zeta which contains ثلاثة ITAMs. This transmits an activation signal to the T cell after the antigen is bound. CD3-zeta may not provide a fully competent activation signal and co-stimulatory signaling is needed. For example, chimeric CD28 and OX40 can be used with CD3-Zeta to transmit a proliferative/survival signal or all three can be used together.

تطور تصميم الخلايا التائية لمستقبل المستضاد الكيميري

First generation CARs were developed in 1989 by Gideon Gross and Zelig Eshhar at Weizmann Institute, Israel. The first generation of CARs are composed of an extracellular binding domain, a hinge region, a transmembrane domain, and one or more intracellular signaling domains. Extracellular binding domain contains single‐chain variable fragments (scFvs) derived from tumor antigen‐reactive antibodies and usually have high specificity to tumor antigen. All CARs harbor the CD3ζ chain domain as the intracellular signaling domain, which is the primary transmitter of signals. Second generation CARs also contain co‐stimulatory domains, like CD28 and/or 4‐1BB. The involvement of these intracellular signaling domains improve T cell proliferation, cytokine secretion, resistance to apoptosis, and in vivo persistence. Besides co-stimulatory domains, the third‐generation CARs combine multiple signaling domains, such as CD3z-CD28-41BB or CD3z-CD28-OX40, to augment T cell activity. Preclinical data shows the third-generation CARs exhibit improved effector functions and in vivo persistence as compared to second‐generation CARs. Recently, the fourth‐generation CARs (also known as TRUCKs or armored CARs), combine the expression of a second‐generation CAR with factors that enhance anti‐tumoral activity (e.g., cytokines, co‐stimulatory ligands).

The evolution of CAR therapy is an excellent example of the application of basic research to the clinic. The PI3K binding site used was identified in co-receptor CD28, while the ITAM motifs were identified as a target of the CD4- and CD8-p56lck complexes.

The introduction of Strep-tag II sequence (an eight-residue minimal peptide sequence (Trp-Ser-His-Pro-Gln-Phe-Glu-Lys) that exhibits intrinsic affinity toward streptavidin) into specific sites in synthetic CARs or natural T-cell receptors provides engineered T cells with an identification marker for rapid purification, a method for tailoring spacer length of chimeric receptors for optimal function and a functional element for selective antibody-coated, microbead-driven, large-scale expansion. Strep-tag can be used to stimulate the engineered cells, causing them to grow rapidly. Using an antibody that binds the Strep-tag, the engineered cells can be expanded by 200-fold. Unlike existing methods this technology stimulates only cancer-specific T cells.^[]

الخلية التائية الذكية

Combined with exogenous molecules, some synthetic control devices have been implemented on CAR-T cells and alter the cell activity. Smart T cell is engineered with suicide gene or other synthetic control panels to precisely control therapeutic function over the timing and dosage, there by alleviating cytotoxicity. Several strategies to improve safety and efficacy of CAR-T cells are:

هندسة جين الانتحار: engineered T cells are incorporated with suicide genes, which can be activated by extracellular molecule and then induce T cell apoptosis. Herpes simplex virus thymidine kinase (HSV-TK) and inducible caspaseتسعة (iCas9) are two types suicide genes have been integrated into CAR-T cells. In iCas9 system, the suicide gene is composed of the sequence of the mutated FK506-binding protein with high specificity to a small-molecule, AP1903 and a gene encoding human caspaseتسعة switch. When the release of cytokines by CAR-T cells becomes more pronounced than basic levels, the iCas9 can be dimerized and lead to rapid apoptosis of T cells. Although both suicide genes demonstrate a noticeable function of as a safety switch in clinical trials for cellular therapies, some hinder defects limit the application of this strategy. HSV-TK is derived from virus and may be immunogenic to humans. The suicide gene strategies may not act quickly enough to eliminate off-tumor cytotoxicity as well.

مستقبل المستضدَين: T cells are engineered to express two tumor-associated antigen receptors at the same time. The dual-antigen receptor of engineered T cell module has been reported to have less intense side effects. The activation of CAR-T cell via TCR-CD3ζ signal transduction pathway is transient and a complementary signal pathway provided by co-stimulatory molecules on antigen presenting cells promotes survival of modified-T cell can ability in controlling tumor. An in vivo study in mice shows the dual-receptor T cells effectively eradicated prostate cancer and achieved complete long-term survival.

مفتاح التشغيل: ON-switch CAR-T cell split synthetic receptors into two parts: the first part mainly contains an antigen binding domain towards and the other part features two different downstream signaling elements (e.g. CD3ζ and 4-1BB). Upon the presence of an exogenous molecule (rapamycin analogs for example), two physically separated signaling elements fuse together and CAR-T cells exert therapeutic functions. In this mechanism, the engineered T cell shows therapeutic function only in the presence of both tumor antigen and a benign exogenous molecule.

الجزيئات ثنائية الوظائف كمفاتيح: The bispecific antibodies are developed as an efficacious bridge to target cytotoxic T cells to cancer cells and causes localized T cell activation. In this strategy, the bispecific antibody targets CD3 molecule of T cell and tumor-associated antigen presented on cancer cell surface. The anti-CD20/CD3 bispecific molecule shows high specificity to both malignant B cells and cancer cells in mice.FITC is another bifunctional molecule used in this strategy. FITC can redirect and regulate the activity of the FITC-specific CAR-T cells toward tumor cells with folate receptors.

تقنية محول وحدات الدواء الجزيئية الصغيرة

SMDCs (small molecule drug conjugates) platform in immuno-oncology is a novel (currently experimental) approach that makes possible the engineering of a single universal CAR T cell, which binds with extraordinarily high affinity to a benign molecule designated as FITC. These cells are then used to treat various cancer types when co-administered with bispecific SMDC adaptor molecules. These unique bispecific adaptors are constructed with a FITC molecule and a tumor-homing molecule to precisely bridge the universal CAR T cell with the cancer cells, which causes localized T cell activation. Anti-tumor activity in mice is induced only when both the universal CAR T cells plus the correct antigen-specific adaptor molecules are present. Anti-tumor activity and toxicity can be controlled by adjusting the administered adaptor molecule dosing. Treatment of antigenically heterogeneous tumors can be achieved by administration of a mixture of the desired antigen-specific adaptors. Thus, several challenges of current CAR T cell therapies, such as:

• the inability to control the rate of cytokine release and tumor lysis
• the absence of an “off switch” that can terminate cytotoxic activity when tumor eradication is complete
• a requirement to generate a different CAR T cell for each unique tumor antigen

may be solved or mitigated using this approach.

دراسات سريرية

أمثلة مبكرة

النقل المقتبس لخلايا المستقبلات المستضدة الكيميرية المعدلة كعلاج للسرطان

الهندسة الوراثية للخلايا التائية لمستقبلات المستضد الكيميري

مخاوف السلامة

موافقات ادارة الغذاء والدواء المبكرة

انظر أيضاً

• علاج جيني

المصادر

وصلات خارجية

CAR T Cells: Engineering Patients’ Immune Cells to Treat Their Cancers