T细胞免疫治疗是一种颇具前景的癌症免疫疗法,主要基于CAR和TCR改造的T细胞。相较于CAR-T细胞,TCR-T细胞在实体瘤治疗中具有显著优势:既能识别细胞表面表达的抗原,也能识别胞内来源的抗原;同时,由于TCR沿用了T细胞正常的生理激活结构,其不良反应风险更低。这里,中南大学湘雅医学院和南华大学衡阳医学院研究团队,旨在综述与TCR相关的新颖癌症治疗靶点,以拓展TCR-T细胞治疗的应用范围,重点介绍患者个体中新抗原及新TCR的鉴定方法,并探讨当前TCR-T细胞治疗面临的主要挑战,提出有望提升其安全性和有效性的潜在解决方案。最后,梳理了上述研究方向的最新临床进展,为未来TCR-T细胞治疗的深入发展提供新思路。
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引言
介绍了TCR-T疗法的历史起源、TCR对新抗原的靶向识别及其预测算法、杀伤性细胞的作用机制、TCR-T细胞的构建方法、新型TCR-T细胞类型,以及当前临床应用面临的主要挑战。作为一种应对晚期难治性实体瘤的创新治疗策略,TCR-T疗法未来将在更多实体瘤的治疗中发挥更加重要的作用。
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背景
肿瘤免疫编辑是免疫系统调控肿瘤生长并塑造肿瘤免疫原性的过程,通常包括清除、平衡和逃逸三个阶段。免疫逃逸是恶性肿瘤发生发展的重要原因之一,例如肿瘤干细胞(CSCs)通常具有免疫逃逸特征。部分免疫逃逸机制可通过肿瘤免疫治疗予以逆转,例如利用肿瘤疫苗优化抗原呈递;通过过继转移TIL及TCR-T来增强抗肿瘤T细胞数量;以及应用免疫检查点抑制剂(ICBs),其中肿瘤突变负荷(TMB)等因素与肿瘤预后密切相关。肿瘤免疫治疗已被证实为癌症患者的有效治疗手段,并被公认为癌症治疗的第四大支柱,在多种肿瘤中展现出明确疗效。该领域涵盖非特异性免疫治疗,如细胞因子IL-2、基于抗体的肿瘤免疫治疗、靶向ICBs以及针对肿瘤新抗原的个体化过继性细胞免疫治疗(ACT)。ACT与ICBs的成功应用,是肿瘤免疫治疗发展中的重要里程碑,例如CTLA-4抑制剂与PD-L1抑制剂。此外,先进生物材料与药物递送系统亦显著提升了免疫治疗效果,同时降低了毒性副作用。ACT包括自体TIL疗法、抗原特异性的内源性T细胞(ETC)疗法、TCR-T疗法以及CAR-T疗法;其中,TCR-T与CAR-T通过基因修饰技术赋予T淋巴细胞特异性识别肿瘤抗原的能力。CAR-T疗法借助单链可变区片段(scFv)构成的CAR直接识别肿瘤细胞表面抗原,不受MHC分子限制;目前第二代CAR-T在胞内结构域中整合了共刺激分子信号结构域,可进一步促进T细胞活化、增殖及效应功能。尽管CAR-T在恶性血液系统肿瘤中已展现出明确疗效,但因缺乏真正肿瘤特异性抗原、CAR-T细胞转运效率低、肿瘤浸润能力差以及治疗相关毒性等问题,其在实体瘤治疗中的应用仍受限于仅靶向肿瘤细胞表面蛋白这一策略。相较传统CAR-T细胞,TCR-T细胞对触发T细胞活化的肿瘤表位密度更为敏感,且能更有效地穿透实体瘤组织内部,因而可在不良反应更少的前提下,高灵敏度识别更广泛范围的低丰度胞内抗原,从而增强对肿瘤细胞的识别与杀伤能力,并延长T细胞在体内的存续时间。目前,TCR-T免疫治疗已在胰腺癌、肝癌、黑色素瘤、滑膜肉瘤、结直肠癌、食管癌、肺癌及多发性骨髓瘤等多种实体瘤中取得良好疗效。
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TCR-T疗法发展中的重要历史事件
1982年,Dr. Rosenberg及其同事证实,IL-12激活的杀伤细胞(LAKs)的肿瘤杀伤能力比常规NK细胞和CTLs高出50-100倍。
1986年,瑞士巴塞尔免疫学研究所的Dr. Steinmetz首次提出TCR-T疗法概念,并通过将抗原特异性TCR基因转入另一T细胞,成功实现了抗原特异性的TCR转导。在TCR研究热潮之后,Rosenberg团队在晚期转移性结肠癌动物模型中证实了环磷酰胺、TIL与IL-2联合疗法的有效性。
1990年,Rosenberg团队开发出利用逆转录病毒进行TCR基因转导的方法,显著提高了TCR转导效率。
1999年,Clay等人发现,将TCR基因转导入黑色素瘤患者的外周血淋巴细胞,可产生针对肿瘤的细胞毒性T细胞。
2000年,Kranz团队发现TCR CDR的突变可增强TCR与抗原的结合亲和力,为构建亲和力增强型工程化TCR-T细胞奠定了基础,从而推动TCR-T疗法向临床应用迈进。
2001年,Mark Davis提出MHC共刺激配体对T细胞识别激活具有必要性,为新型T细胞的开发奠定了理论基础。
2002年,Rosenberg等人构建出第一代高亲和力基因工程TCR-T细胞,首次展示了靶向gp100的TCR-T细胞对黑色素瘤患者的潜在治疗价值。
2006年,Rosenberg等人在《科学》杂志发表研究成果:利用电穿孔技术,将来自异基因供者(外周血单个核细胞,PBMC)及TIL的TCR-T细胞靶向MART-1抗原;随后,Morgan等人首次将其应用于转移性黑色素瘤患者,观察到ORR达12%。
2008年,Rosenberg团队开展了TCR疗法在非黑色素瘤实体瘤中的首项临床试验。
2009年,Johnson等人利用转基因小鼠获得特异性强、亲和力高的TCR,标志着以肿瘤相关抗原(TAA)为靶点的TCR-T治疗方案迈向标准化的重要一步。同年, Parkhurst等人在转移性结直肠癌患者中开展了靶向癌胚抗原(CEA)的TCR-T细胞治疗临床试验。
2011年,Robbins等人首次证实,基于NY-ESO-1的TCR-T细胞疗法可成为黑色素瘤与滑膜肉瘤的一种新型有效治疗手段。
2013年,Morgan团队与Carl June团队在靶向MAGE-A3的TCR修饰型TCR-T细胞临床试验中,观察到难以预测的神经系统及心血管系统交叉毒性,由此引发对靶向MAGE-A家族TCR-T疗法的安全警示。
2019年,Rosenberg等人报道了针对转移性结直肠癌中共有的p53 R175H突变特异性TCR的治疗策略,凸显了共有新抗原在临床应用中的价值。同年,Rosenberg团队评估了TIL联合非清髓性化疗及IL-2治疗晚期转移性黑色素瘤患者的疗效。该研究首次系统证实了自体TIL疗法在晚期黑色素瘤患者中具有显著疗效与良好安全性,成为该领域的重要里程碑。
2022年,Kim等人报道了靶向p53 R175H突变的TCR-T细胞疗法在乳腺癌患者中的首项临床疗效,表明TCR-T细胞疗法在实体瘤中具有广阔潜力,并为携带p53突变的癌症患者提供了全新治疗选择。
2024年2月,美国FDA授予Amtagvi(lifileucel)加速批准,这是全球首个获批的TIL疗法,用于治疗对PD-1抑制剂耐药的晚期黑色素瘤患者。
2024年8月,美国FDA批准TECELRA(afami-cel)上市,用于治疗既往接受过化疗的某些HLA类型的成人晚期MAGE-A4+滑液肉瘤,这是全球首个获批上市的TCR-T细胞疗法,也是细胞疗法在实体瘤癌症中使用的重要里程碑。
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TCR结构及TCR抗原识别的分子机制
理解TCR与同源肿瘤抗原之间的相互作用,是阐明T细胞抗肿瘤免疫的关键,而后者正是阐明TCR与p-MHC分子相互作用的基础。TCR是一种天然抗原受体,表达于所有T细胞表面,可识别肿瘤细胞表面的肿瘤抗原,并激活T细胞以启动抗肿瘤应答。如图1所示,TCR由6种不同的受体亚基复合物组成,例如CD3(ε、γ、δ和ζ),其α链与β链之间通过二硫键相连。共受体CD8αβ和CD4可结合MHC分子,并在胞内与Src家族激酶Lck结合;在受体活化过程中,Lck催化TCR磷酸化,从而增强TCR对抗原的敏感性。TCR胞内结构域极短,缺乏重要的胞内结构域;TCR-CD3复合物则通过TCR与p-MHC结合后引发的构象变化,以及共受体CD4或CD8锚定的Lck介导的CD3活化,在质膜上架起HLA-I/肽识别与T细胞活化之间的信号通路桥梁。最终,各亚基胞内区酪氨酸活化基序(ITAM)发生磷酸化,从而激活TCR。ITAM磷酸化可激活ZAP70,后者继而活化接头蛋白LAT,形成协同信号复合体,为下游信号分子的募集提供平台。此外,能与共刺激或共抑制受体(如CD28、CD40L、PD-1和CTLA-4)结合的保守MHC基序,可通过触发二酰甘油(DAG)等生化信号,放大或抑制TCR信号。TCR链的可变区又称互补决定区,包含CDR1环、CDR2环及居中的CDR3环,主导TCR对肽段识别的精细特异性。
●图1 TCR包括α链和β链,以及CD3γ、CD3δ、CD3ε和CD3ζ;T细胞表面的CD4或CD8分子作为共受体也参与结合pMHC分子,从而增强TCR与pMHC复合物的结合亲和力,并提高T细胞对抗原刺激的敏感性。在TCR-CD3复合物、共受体及细胞因子的协同作用下,识别抗原的T细胞被激活,并通过克隆增殖产生大量效应细胞。T细胞对肿瘤抗原的识别:(A)CD8⁺细胞毒性T细胞通路:CD8⁺ T淋巴细胞表面具有克隆型TCR,可扫描肿瘤细胞表面由MHC-I分子呈递的突变肽段;特异性结合触发穿孔素与颗粒酶的极化分泌,诱导靶向性恶性细胞凋亡。(B)CD4⁺辅助性T细胞通路:CD4⁺ T细胞表达的TCR识别由MHC-II分子呈递的同源抗原;该相互作用驱动免疫调节性细胞因子的释放,从而增强并协调持久的抗肿瘤免疫应答。
CAR由scFv和胞内信号结构域组成。与传统TCR-T细胞不同,后者仅能识别由pMHC分子呈递的肽类抗原,而CAR-T细胞可直接识别细胞表面多种抗原,包括各类受体与配体。这种广泛的识别能力使CAR-T细胞即使在抗原密度较低的情况下也能触发细胞毒效应。然而,这种强烈的活化信号亦易导致T细胞迅速耗竭,限制CAR-T细胞的持续活化,进而削弱对肿瘤的长期控制效果。CAR的胞内信号结构域通常包含CD3ζ链及共刺激分子(如CD28或4–1BB),可在抗原结合后迅速启动T细胞活化及细胞毒功能。为提升CAR-T细胞的敏感性与持久性,新一代CAR设计已整合共刺激分子,以增强T细胞的存活能力与增殖潜力。由于其直接、高效的活化机制,CAR-T细胞疗法在B细胞恶性肿瘤中疗效显著;但在实体瘤中的应用仍受限,尽管目前多项研究正着力攻克这一难题。此外,CAR-T疗法尚面临多重挑战,包括靶抗原引发的高强度活化、T细胞耗竭、制备工艺复杂,以及个体化治疗流程繁琐等问题。
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T细胞活化及杀伤靶细胞的分子机制
Doherty与Zinkernagel于1974年首次发现免疫细胞通过TCR与p-MHC相互作用识别胞内蛋白的机制。配体诱导的TCR受体复合物结构改变通常是TCR信号传导的起始事件,并触发快速形成致密、类似牛心结构的免疫突触(IS)。IS由TCR、共受体、共刺激受体、整合素及其他跨膜受体组成;在接受活化信号后,上述受体迅速分离,形成三个同心区室,即中心、外周与远端超分子活化复合体(cSMAC)。cSMAC富含TCR相关信号转导蛋白,可维持TCR信号稳定性,兼具信号转导与降解双重功能。增强cSMAC强度可提升对弱肽刺激的信号转导效率。IS可能参与放大并协调TCR信号传导、基因表达变化,以及靶向分泌性杀伤靶细胞的过程。此外,TCR受体复合物的跨膜(TM)结构域进化保守,呈紧凑而精确的八螺旋束构型,可能在连接胞外(EC)与胞质结构域中发挥关键作用。ZAP70蛋白酪氨酸激酶(PTK)将活化的TCR与其下游信号通路偶联,IL-2等细胞因子亦可诱导信号传导。随着信号启动,肌动蛋白与微管细胞骨架迅速向突触极化。当T细胞的微管组织中心(中心体:MTOC)极化至突触后,微管相关颗粒随之迁移至cSMAC突触同一位置,在质膜处锚定并释放其内容物。此时,在中心体及质膜网格蛋白协助下,穿孔素、颗粒酶、FasL等细胞溶解效应蛋白被释放至免疫突触,从而杀伤靶细胞;而TCR信号强度与抗原结合亲和力则共同决定分泌颗粒自TCR活化后抵达分泌区域所需的时间。
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优化TCR与靶抗原的亲和力
TCR对于维持T细胞数量及反应性至关重要。T细胞的细胞毒活性高度依赖于TCR亲和力,高亲和力TCR比低亲和力TCR更能加速T细胞分化。天然TCR与表位结合的亲和力受胸腺阳性或阴性选择调控,通常表现为相对较低的亲和力,其解离常数(Kd)多在μM级别,范围为1μM-500μM。胸腺细胞的阳性选择导致大多数天然TCR仅具低亲和力。通常,高亲和力TCR(Kd≥2.5nM)对肿瘤的识别能力优于低亲和力TCR。在生理范围内设计并构建高亲和力TCR,是提升TCR-T疗法疗效的根本途径。提高TCR亲和力的方法多种多样,例如在DMF4和DMF5 TCR(特异性识别MART-1表位)的CDR中引入氨基酸序列突变,即可获得亲和力覆盖mM至pM范围的TCR。然而,若进一步提升TCR亲和力(Kd<1μM),则可能引发多种不良效应,包括基因表达与信号传导受损、脱靶肿瘤识别、不可预测的交叉反应毒性,以及因过度刺激所致的T细胞耗竭。相比之下,低至中等亲和力的TCR通常具有更佳的免疫耐受性。它们解离更快,使单个pMHC复合物得以持续暴露于TCR,从而支持T细胞对呈递抗原的靶细胞进行“扫描—清除”。该机制可避免T细胞过早耗竭,进而维持对肿瘤细胞的持久识别能力。
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TCR-T疗法的靶向抗原
理想的靶抗原需兼具免疫原性、肿瘤相关表型、在肿瘤干细胞上的表达以及被抗原呈递细胞呈递等特性。可靠、安全且有效的靶抗原筛选,是TCR-T细胞治疗成功的关键。目前的靶抗原主要分为两大类:肿瘤特异性抗原(TSA)和肿瘤相关抗原(TAA)。图2展示了若干对TSA与TAA;其中,TSA通常仅在特定时期内针对某一种肿瘤具有特异性,而TAA则是当前TCR-T细胞研究的主要抗原靶点。
TAAs通常在癌组织中高表达,而在正常组织中表达较低,其中包括组织分化抗原(TDAs)和癌症生殖系抗原(CGAs)。这类抗原具有广泛共享、易于识别与验证的优势;但表达这些抗原的恶性肿瘤种类有限,且靶向TAAs可能因潜在的肿瘤调控毒性(如与无关蛋白发生交叉反应)而导致不可预知的死亡,这在一定程度上限制了TAAs的临床应用。TDAs包括常见的MART-1、gp100(首个被确认的TDA)以及癌胚抗原(CEA)。相较于TDA,CGAs发生脱靶效应的可能性更低。CGA家族亦称癌症-睾丸抗原(CTAs),包含百余种成员蛋白,其中大多数属于X染色体上的多基因家族。它们常在肺癌、乳腺癌、结直肠癌、膀胱癌及黑色素瘤等上皮性肿瘤中异常表达,而在正常组织中仅限于胎儿组织或缺乏HLA-I表达的生殖细胞。CGAs已被广泛研究,作为多个TCR-T疗法及癌症疫苗临床试验中的热门候选靶点,并已鉴定出一类独特的X连锁CT抗原基因家族。近期研究发现,TAAs与源自肠道菌群物种的表位之间存在高度结构同源性。这一发现提示,可利用肠道菌群诱导产生具有抗癌效应的T细胞,从而为预防性癌症疫苗的研发提供全新视角与策略。
新抗原(NeoAgs)是指仅存在于癌细胞中、具有癌症特异性的突变或抗原,通常源于肿瘤细胞基因组中的错义突变(NSMs),例如单核苷酸变异(SNVs)。这类抗原通常具有高度免疫原性,在正常组织中不表达,不受中枢耐受机制影响;由此激活的肿瘤特异性T细胞(TAS)可通过精准靶向癌细胞,在抗肿瘤免疫应答中发挥主导作用。以TSA为靶点的个体化TCR-T细胞免疫治疗,在晚期转移性实体瘤的治疗中展现出巨大潜力。TSAs多为随机发生的、患者个体特异的、非选择性的旁观者突变,通常不具备共享性,因而成为癌症疫苗与TCR-T细胞疗法的理想靶标。SNVs是多种实体瘤中最主要的突变形式,其衍生的新抗原已进入个性化癌症疫苗临床试验等应用阶段。目前关于新抗原的研究主要集中于错义SNV及小片段插入/缺失突变。此外,由病毒基因整合入宿主细胞基因组所诱导产生的癌症,其相关抗原在正常细胞中不表达,针对此类抗原的免疫治疗既安全又具潜在疗效,例如HPV相关癌症。2021年,美国FDA授予Lion TCR生物制药公司开发的LioCyx-M004快速通道资格,用于治疗HBV相关肝细胞癌(HCC)。此外,非外显子序列或异常RNA剪接亦可产生新抗原,提示T细胞对基因组完整性的监视范围可能需延伸至内含子区域。此类TSAs在任何正常体细胞中均不表达,从而显著扩大了候选肿瘤抗原的整体库。
与随机发生的“乘客突变”不同,“驱动突变”源自频繁发生突变的驱动基因,对肿瘤恶性表型至关重要,且可在不同患者间共享,因而被称为“公共新抗原”,例如TP53、KRAS、BRAF或PIK3CA等。这类高度优选、共享的肿瘤特异性表位,常包含相对常见的、受特定HLA限制的突变多肽,可作为多肽靶标,用于制备“现货型”TCR试剂,从而绕过个体化免疫治疗,以可负担的成本为大多数患者提供服务。针对极具前景的p53新抗原,该团队深入研究了识别由HLA-A2限制性致癌基因驱动突变p53(R175H)所产生新表位的寡克隆TCRs,并成功解析出4种特异性识别p53 R175H的TCR(编号:38–10、12–6、1a2和6–11);其中前3种TCR通过与R175H突变位点形成广泛相互作用,实现对p53新抗原的广谱识别;而TCR 6–11则凭借其在结合过程中突变体脱溶剂化所需能量较低这一特性,优先识别p53突变体。
●图2 肿瘤抗原的鉴定是TCR-T细胞治疗的关键决定因素。更理想的TCR-T细胞靶抗原是TSA,这类抗原主要为基因突变产物,仅存在于肿瘤细胞中,而在正常细胞和组织中不表达,因而成为TCR-T细胞治疗的理想靶点。然而,由基因突变产生的抗原肽免疫原性相对较弱,难以筛选出高亲和力TCR;且TSA大多具有个体化特征,在特定时间点仅限于个别肿瘤。(A)CGA:在正常体细胞组织中处于沉默状态,但在多种肿瘤中因全基因组DNA去甲基化而发生转录再激活(如MAGE-A10、MAGE-A4、PRAME、NY-ESO-1)。它们本质上具有肿瘤特异性,但突变负荷较低,限制了新生表位的形成,且仍受中枢免疫耐受调控。(B)TSA:单核苷酸变异或插入/缺失突变可产生真正具有肿瘤特异性的表位(如突变型KRAS G12D/V、P53 R175H、BRAF V600E)。每个病变均不存在于生殖系中,因而能激发强烈且患者特异性的T细胞识别,构成个性化癌症疫苗与过继性T细胞治疗的核心靶标谱。(C)TDA:如MART-1与gp100等谱系限制性蛋白,既在正常黑色素细胞中表达,也在黑色素瘤细胞中表达。其“自身”属性易导致靶向正常组织的脱靶毒性及对健康组织的交叉反应,因此作为免疫治疗靶点使用时,需进行严格的亲和力优化或采用条件性调控策略。(D)病毒抗原:致癌病毒——包括HPV(E6/E7)、HBV(HBx)、EBV(LMP1/2)、HCV(core、NS3)以及MCPyV(LT-Ag)——将外源遗传物质整合入宿主基因组,并在感染所致的恶性肿瘤中强制性表达。由此产生的病毒表位属非自身成分,具有高度免疫原性,可作为预防性与治疗性疫苗策略的共有靶点,同时具备病原体特异性。
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基于NGS和免疫肽组学的新抗原预测方法
准确识别肿瘤新抗原是TCR-T疗法面临的主要挑战;优化新抗原预测算法的准确性,并深入理解新抗原表位及其特异性识别的TCR在性质上的差异,是新抗原疫苗及相关靶向新抗原的胞质T细胞疗法研发中的优先方向。获取并构建针对TSA且脱靶毒性低的TCR,是个性化肿瘤免疫治疗的核心重点;而从患者血液或肿瘤组织中鉴定出靶向性的肿瘤特异性新抗原,则是构建靶向新抗原的TCR-T、合成新抗原相关疫苗的关键步骤,也是TCR-T疗法的主要工作流程。
由Coulie等人提出的cDNA文库筛选法是首个新抗原鉴定方法,但操作繁琐、耗时费力,不适用于高突变负荷肿瘤。下一代测序技术(NGS)包括全外显子组测序(WES)、全基因组测序(WGS)以及RNA测序(RNA-seq)。其中,WES是鉴定候选新抗原的标准策略,而RNA-seq目前已被广泛用作预测候选新抗原的实用策略。通常将NGS数据与计算机化的HLA预测相结合,以预测潜在的肿瘤非经典分子(NSM),但该方法预测出的多肽数量庞大,且对非经典抗原的检出能力有限。例如,整合NGS与机器学习可高效识别肿瘤特异性TCRs,用于个体化癌症免疫治疗,凸显了整合多组学数据与先进计算方法在提升新抗原及TCR预测准确性方面的潜力。
呈现在MHC分子表面的肽被称为免疫肽组,而免疫肽组学则利用质谱技术(MS)直接检测HLA结合肽,尤其适用于源自替代开放阅读框、新型外显子-外显子连接区、内含子序列以及长链非编码RNA的非常规蛋白序列。MS可无偏倚地验证HLA I类分子所呈递的表位,因而被视为一种极具前景的HLA表位预测工具。免疫肽组学技术与先进建模方法相结合,显著提升了MHC分子结合肽的预测能力,缩小了新抗原候选范围,从而在蛋白质水平上为新抗原鉴定提供了“金标准”。然而,MS本身也存在局限性:其检测受限于肽段丰度、仪器灵敏度及肿瘤样本量;依赖于肿瘤细胞中HLA的表达水平;因质谱图谱解析困难可能遗漏部分靶向表位;且对由HLA II类分子呈递的肽段所对应的新抗原候选物识别难度更大。随着Orbitrap质谱分析仪的发展,质谱技术的准确性、灵敏度、分辨率和检测速度均得到提升。单一识别策略往往存在缺陷,整合多组学数据并采用AI等先进机器学习预测算法,有助于更可靠地预测新抗原;计算机预测可有效弥补基于质谱的新抗原预测之不足。Finton等人开发了高灵敏度且操作简便的ARTEMIS平台。将免疫肽组学与RNA-seq或WGS数据相结合,可识别肿瘤特异性突变,并构建肿瘤突变基因(TMG)及抗原肽文库,用于后续筛选自体TIL或外周血T细胞。
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新抗原免疫原性预测流程与算法
尽管存在HLA呈递,大多数候选新抗原仍无法诱导T细胞免疫应答;因此,开发能够准确识别具有免疫原性的新抗原的算法或筛选工具,是推进个体化TCR-T疗法的前提。然而,在T细胞表位预测工具中同时整合TCR识别与免疫原性评估仍具挑战性。计算机预测流程是一套基于WES、RNA-seq及免疫肽组学数据的变异检出流程,其预测能力取决于预测算法本身的准确性。目前仅有极少数算法能准确预测候选肽段的免疫原性。若将多组学数据与计算机预测相结合,并纳入非锚定位点(如P4–P6位)、抗原肽长度、芳香族氨基酸侧链、p-HLA复合物稳定性、pHLA结合亲和力、肽段长度及结合差异等参数,则可提升免疫原性预测的准确性。例如,有研究证实,基于深度学习的方法可有效从WES数据中预测具有免疫原性的新抗原,凸显了AI在提升新抗原预测精度方面的潜力。AI在新抗原突变识别、蛋白酶体切割位点预测、TAP转运效率评估、p-MHC结合亲和力分析以及新抗原免疫原性预测等方面均具备优势。当前基于AI模型的算法预测精度较高,可作为互补预测器整合至新抗原优先级排序流程中。基于机器学习(ML)算法构建的预测模型,可将肿瘤测序数据、生物信息学算法与肿瘤表位免疫原性鉴定整合进新抗原识别工作流,涵盖体细胞突变检出、MHC分型、p-HLA结合亲和力评估、TCR-pMHC结合预测以及候选新抗原免疫原性预测等环节;该类模型能够识别组织学数据的多维特征,提取关键信息以提升预测性能,并对扩展抗原肽的光谱数据进行建模训练。MHC-II分子α链与β链的高度多态性及其特异性的分子结构,导致其结合肽段的多样性更高,预测过程因而比HLA-I更为复杂。
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避免TCR-T疗法的交叉反应和脱靶反应
脱靶效应和器官特异性毒性限制了高亲和力TCR修饰的新生抗原特异性TCR-T细胞在临床上的应用。例如,靶向MAGE-A3高亲和力TCR的工程化T细胞曾导致受试者发生严重且致死性的心肌损伤。每个T细胞可识别大量抗原肽,而所呈递的非自身肽中约1/3在TCR识别层面与自身肽无法区分。除依赖计算机算法进行初步粗筛外,还需开展更深入的免疫学筛选,以排除交叉反应性,尤其对于经亲和力增强改造的TCR-T细胞,更须在临床前阶段对其潜在的交叉反应及脱靶效应予以审慎评估。常用筛选方法包括cDNA文库法、pMHC多聚体鉴定法、串联微基因(TMG)法、3D建模工具,以及基于“A与B”逻辑门的交叉反应性肽预测策略。TCR-T疗法中的逻辑门是指通过工程化手段构建的调控机制,使T细胞仅在特定抗原识别模式下被激活,例如执行“与”(AND)、“或”(OR)或“非”(NOT)等逻辑运算。此外,肿瘤靶向超抗原(TTS)可通过工程化设计,将超抗原强大的免疫刺激能力与TAA或TSA的靶向性相结合,从而提升其在肿瘤免疫治疗中的靶向精度与疗效。
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新抗原特异性TCR的分离及转导至T细胞
如图3所示,目前抗原特异性TCR-T细胞的工作流程包括:①采集患者的外周血或肿瘤组织,并分离出抗原特异性T细胞;②针对患者个体化开展肿瘤新抗原的测序、筛选、鉴定与制备,并通过添加CD3/CD28磁珠及IL-2激活T细胞;③采用病毒或其他方法将TCR基因导入已激活的T细胞;④在体外持续扩增携带特异性TCR的T细胞(即TCR-T细胞),直至达到所需数量;⑤在输注TCR-T细胞前,对接受过放疗的患者经静脉回输足量的TCR-T细胞。当前抗原特异性T细胞的分离与富集,首先依据肿瘤测序结果识别肿瘤突变,再通过构建TMG串联体并转染抗原提呈细胞(APC),或向APC中加入肽段脉冲刺激,以模拟新表位在天然HLA分子上的加工与呈递过程。随后,将患者自体TIL或外周血淋巴细胞(PBL)与上述经改造的APC共培养,在抗原特异性的体外刺激(IVS)条件下,并联合阻断CTLA-4等共抑制信号受体,从而筛选出能响应抗原的T细胞。此外,癌症疫苗接种亦可选择性扩增针对靶抗原具有特异性的T细胞。
●图3 抗原特异性TCR-T细胞的工作流程。
腺病毒是最早用于基因转移的病毒载体,但其感染效率较低,且在T细胞增殖过程中容易丢失。目前常用的是慢病毒(LV)载体,但其可能引发插入突变及肿瘤转化。为此,Bryant等人开发了塞内卡病毒(SVV)复制子,该载体具有更大的外源基因装载容量和更强的分泌能力。腺相关病毒(AAV)也是一种安全且理想的载体,而载体工程可提升AAV的转导效率。
包括mRNA电穿孔、非病毒型“睡美人”(SB)逆转座子系统、无需病毒载体的CRISPR-Cas9基因组靶向系统以及同源定向修复(HDR)等在内的非病毒基因编辑方法,凭借其操作简便、成本低廉等优势,为TCR-T疗法的广泛应用开辟了道路。此外,将含向导RNA的CRISPR-Cas9核糖核蛋白(RNP)复合物与腺相关病毒6型联用,可实现内源性TCR被外源性TCR所替换。 “睡美人”转座子系统能提供反向末端重复序列,使外源基因稳定整合至靶细胞基因组中,并实现持续表达;而小环状DNA及mRNA技术的应用,进一步优化了该SB转座子系统,但其转染效率仍受限于DNA固有的细胞毒性。CRISPR-Cas9技术依赖短RNA序列,体外合成便捷,可同时靶向多个基因组位点并实现位点特异性突变,因而成为未来治疗性基因工程的首选策略;其安全性与可行性已在多项临床试验中得到验证。
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基于TCR的新型生物制剂
新型T细胞(例如多种形式的偶联型TCR)利用TCR信号亚基的结合亲和力,与其它药物及寡核苷酸蛋白相偶联,具备完善的生产体系、简便稳定的合成工艺以及高产率,作为靶向抗肿瘤制剂具有广泛的临床应用前景,并为肿瘤精准免疫治疗开辟了新思路。这类新型TCR疗法将特异性抗原肽识别能力与抗体的优良特性相结合,已成为极具潜力的癌症治疗靶点;但抗原呈递密度低、MHC下调限制、潜在交叉反应性、可靶向治疗靶点数量有限以及肿瘤免疫逃逸等因素,也可能在一定程度上影响其临床疗效。共刺激信号对TCR活化至关重要,而新型嵌合共刺激受体则将抑制性受体的胞外结构域与共刺激蛋白的胞内结构域相连接,不仅可增强TCR信号传导,还能促进活性细胞因子分泌、推动效应T细胞增殖并提升其效应功能。近年来,研究人员在TCR工程化改造及新型T细胞疗法开发方面取得了显著进展。例如,针对KRAS G12D新抗原设计的高亲和力TCR可显著增强T细胞识别能力,同时降低脱靶毒性。通过基因编辑技术设计与修饰的高亲和力TCR,已大幅提高T细胞识别肿瘤抗原的能力,并有效减少脱靶毒性。目前,“逻辑门”策略主要应用于CAR-T细胞治疗,但类似原理亦可拓展至TCR-T细胞,以降低交叉反应性。具体而言,新型Syn-Notch逻辑门T细胞可借助Syn-Notch受体,高效区分抗原靶标与正常组织,从而避免脱靶毒性。上述新型T细胞融合了CAR-T与TCR-T细胞疗法的优势,既整合多种抗体片段,又充分利用内源性TCR信号机制,且不受HLA限制。然而,这些新型疗法的安全性与有效性仍有待更多临床试验进一步验证。
13
免疫抑制性肿瘤微环境与免疫逃逸
肿瘤微环境(TME)具有复杂的免疫抑制机制,不仅富集骨髓来源的抑制性细胞(MDSC)、癌相关成纤维细胞(CAF)以及具有免疫抑制功能的肿瘤相关巨噬细胞(TAM)等亚群,还通过免疫检查点介导的共抑制信号通路及TME中免疫抑制因子表达上调等方式,最终导致肿瘤免疫逃逸和恶性进展。如何使效应T细胞在实体瘤的免疫抑制性微环境中维持其杀伤功能,并克服该微环境所诱导的效应T细胞凋亡、免疫抑制及增殖障碍,是TCR-T疗法治疗实体瘤面临的主要挑战。靶向免疫抑制性TME中T细胞抑制性受体PD-1的抗体已获美国FDA批准。此外,促进表位扩散亦有助于应对肿瘤细胞异质性带来的影响。溶瘤病毒(OV)Talimogene laherparepvec(T-VEC)已获FDA批准用于不可切除的皮肤、皮下及淋巴结黑色素瘤。此外,靶向TME、改善肿瘤内普遍存在的缺氧与酸性条件,或表达抗性修饰型细胞因子(如IL-12、IL-7、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子GM-CSF等),亦可缓解免疫抑制性TME。靶向TME以发挥免疫逃逸调控作用的效应分子(如黏着斑激酶FAK)也在一定程度上逆转了该免疫抑制性微环境。
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TCR-T疗法的耐药性
T细胞耐受性是指T细胞无法发挥其抗肿瘤能力(功能障碍/失能),或当TCR足以识别抗原时,T细胞仍无法发生克隆扩增,甚至无法启动自噬等脱离衰老状态的程序。肿瘤耐受微环境的具体机制包括原发性与获得性耐受机制;肿瘤细胞靶抗原表达水平低或呈异质性,是导致TCR-T疗法原发性耐受的主要原因。肿瘤细胞表达Fas配体(FasL),诱导肿瘤反应性T淋巴细胞死亡,是获得性耐受的重要机制;当前关于耐受的研究主要集中于继发性(获得性)药物耐受。肿瘤细胞中抗原表达密度影响瘤内T细胞的活化;免疫压力促使HLA阴性肿瘤细胞被正向选择,从而削弱有效的T细胞免疫应答;HLA基因的表观遗传沉默可与免疫抑制机制的形成产生协同作用,导致细胞表面p-MHC复合物丰度下降,进而引发肿瘤细胞的免疫逃逸。“免疫致敏”治疗通过靶向免疫抑制分子或抗凋亡分子,逆转免疫系统的负向调控;治疗的关键在于选择在致癌机制中起核心作用、可促进凋亡且不影响淋巴细胞功能的药物。
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T细胞的持久性与浸润能力差
ACT的疗效关键取决于经基因工程改造的T细胞在体内的扩增能力、存活状态及抗肿瘤活性。实体瘤中的肿瘤间质会阻碍T细胞浸润,成为ACT靶向杀伤肿瘤细胞的主要障碍。效应T细胞属于终末分化的T细胞,通常在体内存续时间较短,往往需要多次输注。为提高输注的TCR-T细胞在体内的持久性,可通过清淋化疗清除患者体内已有的淋巴细胞,从而为外源性T细胞的扩增创造有利微环境,进而提升ACT治疗的客观缓解率。然而,淋巴细胞清除可能加剧免疫抑制,甚至引发MDSC增多、血栓性微血管病(TMA)等并发症。此外,维持并增强T细胞信号传导亦有助于延长TCR-T疗法的持续疗效,例如将ACT与新抗原疫苗联用、对TCR共刺激结构域进行改造,以及联合使用CTLA-4等免疫检查点抑制剂。
16
TCR的错配
转导TCR基因后的每个T细胞均表达2条内源性TCR链和2条外源性TCR链,其细胞表面所表达的TCR组成可能包括正确配对的内源性(α/β)与外源性(α′/β′)TCR异源二聚体,以及错配的异源二聚体(α/β′和α′/β)。此类错配不仅削弱外源性TCR在细胞表面的表达,还会竞争性结合CD3分子,导致T细胞功能低下,并可能诱发自身反应性T细胞生成——这是阻碍TCR-T细胞临床开发的主要挑战之一,也是GVHD发生发展的重要因素。通过恰当的结构修饰,可提升TCR在体内的功能与存续能力,并避免链间错配。例如,将TCR的人源恒定区替换为小鼠来源的恒定区(即TCR的小鼠化改造),不仅能提高TCR在T细胞表面的表达水平、增强细胞因子分泌能力,还可促进工程化TCR链之间的优先配对。
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非特异性细胞脱靶毒性
“脱靶毒性”和“交叉反应性”是指TCR识别正常组织细胞表面表达的相同或不同抗原的现象。在临床试验中,与TAA相关的脱靶毒性报道更为频繁;而新抗原仅由肿瘤组织特异性表达、且多为胞内来源抗原,其交叉反应性发生率较低,这正是TCR-T疗法的一项优势。从自体TCR文库中筛选特异性TCR,对于降低脱靶毒性至关重要。新抗原仅在肿瘤组织中表达,其交叉反应性发生率低,这也是TCR-T疗法的优势之一。从自体来源中分离TCR,可最大程度提升TCR的选择性,并同步降低交叉反应性及脱靶反应。Hellman等开发了一种基于结构指导的新策略,以增强TCR特异性,该策略在一定程度上消除了TCR对表位的交叉识别。
18
展望
对于冷肿瘤及晚期转移性实体瘤,标准化且安全的靶向新抗原特异性TCR-T疗法展现出广阔的应用前景,相关临床试验所占比例逐年上升。尽管基因工程技术在优化T细胞方面的应用已取得显著进展——例如降低毒性风险、改善T细胞命运(如联合溶瘤病毒或放疗)、增强T细胞活性与持久性(如联合ICBs、细胞因子或肿瘤疫苗),但TCR-T疗法的普适性、适用性及安全性仍不尽如人意。目前,制备好的T细胞富集操作仅能在少数专业肿瘤治疗中心开展。与此同时,HLA分子的多态性(例如常用HLA等位基因HLA-A*02仅存在于27%的患者中)、部分肿瘤突变负荷(TMB)偏低、内源性TCR干扰、输入T细胞的体内存续能力不足、肿瘤耐受性、新型T细胞的安全性等问题,在不同程度上制约着TCR-T的临床应用。当前TCR-T治疗的标准流程是:从患者血液中分离、克隆并验证靶向新抗原的特异性TCR。此外,临床试验中观察到的TCR-T相关不良反应也表明,其安全性仍有待进一步提升。再者,这种高度个体化的TCR-T疗法,受限于高昂成本、复杂的生产工艺、安全性顾虑以及不同人群间HLA分子的高度多态性,距离在临床实践中广泛应用尚有很长一段路要走。
值得注意的是,借助基于日益完善的临床与生物学数据库信息的AI算法,这种个性化治疗策略可得到显著提升。然而,由于当前特异性抗原预测算法本身较为复杂,如何简化这类复杂的特异性抗原预测算法及TCR-T构建流程,开发并验证能够预测具有免疫原性新抗原肽的AI算法,克服肿瘤诱导的免疫耐受状态,并利用多组学数据(基因组学、转录组学、蛋白质组学、单细胞测序等)激发更广泛、更强烈的多克隆免疫应答,仍是亟待突破的难题,可能制约TCR-T疗法向临床转化的进程。此外,新抗原鉴定所需的时间与成本、疗法在广泛人群中的适用性,以及其与免疫检查点抑制剂、肿瘤疫苗和STING(干扰素基因刺激因子)激动剂联用时的疗效,均为个性化TCR-T疗法在实体瘤中广泛应用所面临的紧迫挑战。
未来,应更加关注已建立的TCR文库,这些文库可为患者提供经抗原HLA配型、由患者预先筛选并制备好的TCR序列。新抗原质谱数据量的增加,显著提升了新抗原预测方法的准确性。新抗原疫苗给药便捷,且毒性相对较低。尽管其本身无法直接克服免疫抑制性的TME,但与免疫治疗联用时,可扩增患者体内已存在的新抗原特异性T细胞群,并诱导更广泛的新抗原特异性T细胞应答,从而增强肿瘤特异性T细胞反应、维持T细胞长期存续,并抑制肿瘤复发。与此同时,分离并克隆多种识别突变新抗原的TCR,是TCR-T疗法未来的重要发展方向,例如多价TCR-T——通过向同一患者输注多种单特异性TCR-T细胞,拓展TCR-T疗法的杀伤范围。
总之,寻找和开发TCR的道路依然充满挑战,深入解析已知TCR序列,并发展与应用AI算法等高效工具,是未来实现精准TCR-T细胞疗法的重要环节。
参考文献:
Sheila Spada., et al. (2026). International Review of Cell and Molecular Biology, Volume 402: Advances in biomedical engineering - Part A.
Hu, Q., et al. (2025). Application of adoptive cell therapy in malignant melanoma. Journal of Translational Medicine, 23, 102.
Yang, M., et al. (2024). The intratumoral landscape of T cell receptor repertoire in esophageal squamous cell carcinoma. Journal of Translational Medicine, 22, 1069.
上线工具:
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方法笔记:
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Jurkat报告系统结合微流控技术高通量筛选功能性新抗原特异性TCRs
mRNA编码CARs或TCRs,即CAR或TCR-mRNA工程T细胞
基因工程TCR-T细胞产生和应用
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TCRmodel2:使用深度学习对TCR识别进行高分辨率建模,精度优于AlphaFold
DeepAIR:有效整合序列和3D结构以实现TCR分析
NY-ESO-1 TCR-T临床:实验模型设计和方法细节
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开发设计有效的个性化新抗原肿瘤疫苗
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7种基于TCR疗法的分子结构
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T2细胞的作用:抗原呈递、刺激T细胞、细胞治疗的靶向/评估等
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克服因突变KRAS表位的翻译后修饰导致的免疫逃逸,实现TCR-T细胞介导的抗肿瘤活性
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首个获批上市的TCR-T非临床研究和临床开发路径
已获批上市的免疫细胞治疗产品汇总(截止时间:2024年11月)
全面的体内外验证数据:靶向HLA-A2 GPC3的小鼠TCR-人T细胞,在小鼠中有效控制人肝细胞癌,优于GPC3 CAR-T细胞
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Protocol | 体外/离体生成抗原特异性CTL
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全面的功能性自身抗原筛选以评估多反应性工程化TCR的交叉反应性
消除经典二硫键可减轻工程化T细胞中的TCR错配
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mRNA电穿孔与慢病毒转导的HBV TCR-T细胞治疗:肝移植后复发性HBV-HCC的治疗方案
从单细胞测序数据中筛选肿瘤特异性TCR、表位和HLA的整合系统
从TCR组库中分析筛选癌症免疫治疗的治疗性TCR
Protocol | 基于mRNA的病毒抗原特异性TCR-T细胞工程
一种专一识别WT1肽-MHC分子的TCR样单域抗体的计算机设计
Protocol | 筛选识别MM和AML患者骨髓中的肿瘤反应性T细胞——单细胞光流控系统
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经改造的分泌IFNα/抗PD-L1的TCR-T细胞可增强内源性免疫,协同提升对实体瘤的治疗效果
靶向KRAS G12V的TCR基因治疗用于晚期胰腺癌的单臂1/2期临床试验
含CD28信号基序的嵌合CD3ζ链可增强抗原特异性IL-2分泌并促进人TCR-T细胞在体外的扩增
从头设计的二硫键取代天然链间连接,以增强T细胞治疗中的TCR配对及抗肿瘤疗效
重要会议:
[2022 ASCO] TCR-T细胞疗法报告摘汇
CAR-TCR峰会:Engineering A Disease-Free World.【提供idea,迸发灵感】
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2024 ESMO,精选TCR-T细胞疗法重要更新
2024 SITC,TCR-T细胞疗法最新内容精选(上)
2024 SITC,TCR-T细胞疗法最新内容精选(中)
2024 SITC,TCR-NK细胞疗法最新内容精选(下)
AACR 2025,TCR相关细胞治疗摘要汇集
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AACR 2026—TCR、TCE、NK-TCR、自体T细胞疗法
ASGCT 2026—TCR相关细胞疗法的新进展,带来新思考
TCR领域前沿进展,第7届TCR疗法年度峰会
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pHLA复合物是致病和疾病进展的核心驱动因素
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BioNTech ASCO 2024 data
瑞金医院KRAS G12V mRNA肿瘤疫苗联合PD-1单抗治疗晚期实体瘤临床获益
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生信学习:
Cell Ranger ATAC处理10×单细胞上游笔记
从fastq文件到bam文件到rmats进行可变剪接分析
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慢病毒载体概况
解析慢病毒载体和逆转录病毒载体
年度总结:
2024年度总结
2025年度总结
小憩:
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辅助性T细胞和细胞毒性T细胞 & γδ T细胞
Dendritic Cells(DC) & DC组织特异性
人类白细胞抗原(HLA)基因分型技术
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