引言
造血干细胞移植(HSCT)是治疗多种血液系统恶性肿瘤的主要方法。然而,目前的治疗标准仍然依赖于非靶向化疗,使恶性细胞的清除变得困难【1】。最近,靶向性的药物模式如抗体-药物偶联物(ADC)或嵌合抗原受体(CAR)-T细胞的发展为这一问题带来了希望,因为它们可以特异性地消除造血干细胞(HSC)和肿瘤细胞【2】。但是,肿瘤细胞和健康细胞(如造血干细胞或T细胞)共有抗原的表达增加了治疗的毒性风险【3】,并使靶标选择变得更加复杂。
近日,来自瑞士巴塞尔大学生物医学部的Lukas T. Jeker团队在Nature期刊发表题为Selective haematological cancer eradication with preserved haematopoiesis(保留造血功能的选择性血液系统癌症的根除)的文章。研究表明,靶向CD45的ADC药物与工程化的造血干细胞移植(HSCT)技术相结合,能够选择性地清除全身造血系统中的白血病细胞,同时保留造血功能。这项研究为治疗血液系统恶性疾病提供了一种新的策略,具有广泛的应用潜力。
研究人员假设,一个理想的治疗靶点应该在所有造血细胞中广泛表达,包括造血干细胞和祖细胞(HSPCs)、白血病干细胞以及分化细胞。酪氨酸磷酸酶CD45只在造血细胞中表达,因此成为了全血液系统的一个标志物。通过工程化CD45,使其对靶向CD45的ADC产生抗性,同时保持HSCs功能的治疗策略,可为术后靶向治疗提供新途径。
CD45表位的工程化
首先,研究人员通过对CD45细胞外区域(ECD)的计算分析,确定了适合抗原表位工程化的区域,重点关注了非保守的D1和D2结构域,排除了可能发生翻译后修饰的残基,并评估了表面可及性、表位概率和残基进化保守性。最终他们确认了D1-1、D2-1和D2-2区域是可以耐受突变而不损害CD45结构或功能完整性的理想位点。随后,通过丙氨酸扫描,研究人员鉴定了影响三种单克隆抗体(BC8、HI30和MIRG451)结合的特定残基,并对候选残基的结构定位、空间接近度和溶剂暴露度进行分析。通过碱基编辑器(BEs)技术,研究人员评估了在D1-1、D2-1和D2-2中产生抗体可识别的氨基酸取代的可行性。最终,他们选择了CD45E259和CD45N286(都是BC8抗体)和CD45K352 (MIRG451抗体)进行后续实验。接下来,研究人员对CD45 屏蔽变体进行了研究,重点关注它们与 BC8 和 MIRG451 的结合能力以及生物物理性质的分析。通过流式细胞术和生物层析干涉术,他们发现 CD45H285R 和 CD45N286D 显著影响BC8 和 MIRG451 的结合,而CD45N286D 和 CD45K352E 显示出最好的生物物理特性。为了调查原代细胞中BE介导的细胞保护,研究人员利用电穿孔的人T细胞进行细胞保护研究,并通过调整编辑工具提高特定基因变体的编辑效率。研究发现,使用特定编辑组合成功保护了约50%的HSPC细胞,这些受保护的细胞在功能上与对照组相似,表明其功能完整。具体来说,通过使用ABE8e-SpRY mRNA和sgRNA-49.3的编辑组合,成功实现了对CD45K352E和CD45K352G的编辑,它们可以屏蔽靶向CD45的ADC药物的作用而不会被杀伤。研究人员将这些编辑后的HSPCs命名为sg49.3HSPCs,它们显示出与对照组(sgNTCHSPCs)相似的集落形成能力和细胞分化潜能。
靶向CD45的ADC药物开发
接下来,研究人员通过体内实验优化靶向人源化CD45的ADC药物细胞毒性。通过MIRG451 单克隆抗体的人源化和工程化,他们得到了CIM053,并将其与吡咯并苯二氮卓(PBD)二聚体载体SG3376共轭连接,形成ADC药物CIM053-SG3376。这种ADC药物能够选择性地杀死肿瘤细胞,而保留编辑的HSPCs。研究表明CD45是一个广泛适用的靶点,CIM053-SG3376能够有效清除表达CD45的细胞,在癌症治疗中具有潜在的临床意义。随后,研究人员利用NBSGW小鼠模型分析了移植HSPCs的分化潜能及其对ADC细胞毒性的屏蔽作用。他们将sgNTCHSPCs或sg49.3HSPCs注射到小鼠体内,并经CIM053-SG3376处理后发现,sg49.3HSPCs完全屏蔽了CIM053-SG3376的作用,成功保留了人源HSPCs。ADC处理后,sg49.3HSPCs组显示出多谱系分化潜能,而sgNTCHSPCs组中所有类型的细胞都被清除。连续移植实验结果表明,受保护的sg49.3HSPCs具有持久的重建潜能和和长期的ADC屏蔽效果。ADC处理消除了所有CD45WT细胞,但可以使编辑细胞完全富集。此外,研究人员还探索了潜在的脱靶编辑位点,结果显示,这些位点在所有样本中并不常见。这些结果表明sg49.3HSPCs允许正常HSC移植,并在不改变竞争适应性的情况下保持多谱系分化。脱靶分析表明采用高保真BEs、严格PAM或RNA-DNA混合向导RNA可以进一步改进靶向CD45的ADC治疗的安全性。ADC药物CIM053-SG3376可以有效清除体内造血细胞和肿瘤细胞,但sg49.3HSPCs及其后代成功地屏蔽了ADC的杀伤。
ADC药物用于血液肿瘤的治疗
研究人员对CIM053-SG3376在肿瘤治疗中的潜力进行了评估。通过小鼠模型,他们发现CIM053-SG3376能迅速消除多种肿瘤,包括AML和T细胞恶性肿瘤,并且在侵袭性AML模型中也表现出良好的效果。实验结果显示,在CIM053-SG3376处理后,肿瘤几乎完全消失,而且没有观察到明显的毒性反应。此外,ADC还能选择性地清除未受保护的非肿瘤人类细胞,但保留了受保护的造血系统细胞。这项研究揭示了CIM053-SG3376作为一种高效的靶向CD45 的ADC药物,将其与sg49.3HSPCs结合,在侵袭性AML模型中实现了肿瘤选择性免疫治疗,并保留了受保护造血系统的功能。这为免疫疗法,特别是是血液系统肿瘤的治疗,提供了新的可能性。最后,研究人员评估了AML样本中CD45的表达情况,并考察了CIM053-SG3376对患者来源的AML移植物的效力。结果显示,AML细胞中CD45表达丰富。将AML患者来源的异种移植物(PDX)移植到sgNTCHSPCs或sg49.3HSPCs小鼠中后,CIM053-SG3376治疗能够有效清除PDX细胞,同时保留受保护的造血细胞。这些结果证实了CIM053-SG3376治疗的选择性以及对AML细胞的清除效果。
综上所述,该研究开发了一种高效的靶向CD45的 ADC,并确定了一种碱基编辑器(BE)和向导RNA的组合,能够在体内为HSPC建立分子屏障,使其保持长期重建潜能。这项研究证明了ADC药物与HSCT技术相结合,可以有效清除血液系统中的癌细胞,而不影响编辑的HSCs的造血功能。
参考文献
1. Copelan, E. A. Hematopoietic stem-cell transplantation. N. Engl. J. Med. 354, 1813-1826 (2006).
2. Carter, P. J. & Rajpal, A. Designing antibodies as therapeutics. Cell 185, 2789-2805 (2022).
3. Perna, F. et al. Integrating proteomics and transcriptomics for systematic combinatorial chimeric antigen receptor therapy of AML. Cancer Cell 32, 506-519 (2017).
https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41586-024-07456-3
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
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