“面對新的適應證和靶點，哪種CAR-T的設計具有最佳療效，只有上了臨床才知道。但人工智能可以在上臨床之前先告訴你，這個設計是不是在最優(yōu)的細胞活性區(qū)間內(nèi)，如果不是，AI會給出優(yōu)化方案。”
上�？萍即髮W等團隊開發(fā)出人工智能工具CAR-Toner，可輔助CAR-T細胞的設計與優(yōu)化。視頻來源：復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院(02:15)
上海科技大學生命科學與技術(shù)學院長聘副教授王鵬實驗室聯(lián)合劉雪松團隊和復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院吳海濤及陳健團隊開發(fā)出一款人工智能（AI）工具，名為CAR-Toner。只要在該平臺上輸入CAR的蛋白序列，就可以得到衡量CAR-T細胞活性的評分（PCP），它還可以進一步提供優(yōu)化CAR-T設計的方案。
相關論文于2024年2月14日在線發(fā)表于《細胞研究》（Cell Research）。研究人員在論文中表示，這種創(chuàng)新工具將推動CAR-T設計領域邁向人工智能時代。
“CAR-T的治療能力已經(jīng)遠遠超出腫瘤這一個適應證，它還在自身免疫性疾并纖維化疾并衰老、感染等疾病的治療上展示出巨大的潛力。面對新的適應證和靶點，哪種CAR-T的設計具有最佳療效，只有上了臨床才知道。但人工智能可以在上臨床之前先告訴你，這個設計是不是在最優(yōu)的PCP區(qū)間內(nèi)，如果不是，AI會給出優(yōu)化方案，節(jié)省很多時間和成本。”王鵬近日接受澎湃科技專訪時說。
CAR-T是“嵌合抗原受體T細胞免疫療法”，英文全稱為Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy。T細胞也叫T淋巴細胞，源于骨髓造血干細胞，發(fā)揮免疫功能。它就像人體內(nèi)的“戰(zhàn)士”，能夠抵御腫瘤等“敵人”。嵌合抗原受體（CAR）是一種“定位導航裝置”，研究人員在實驗室將T細胞激活，并為其裝上CAR，它就成為CAR-T細胞，變成“超級戰(zhàn)士”，可以識別“敵人”并高效殺死它們。
在CAR-T設計中引入人工智能
王鵬實驗室一直致力于破除臨床上的共同瓶頸：CAR-T細胞存續(xù)時間不夠長、CAR-T細胞耗竭。CAR-T細胞存續(xù)時間是指CAR-T細胞輸入患者體后，在患者體內(nèi)存活的時間；CAR-T細胞耗竭是指T細胞不停地重復識別抗原、殺死腫瘤的動作，最后進入耗竭狀態(tài)。兩者最后都會導致CAR-T細胞喪失功能。
基底信號（Tonic signaling）是影響CAR-T細胞活性的重要因素。在沒有腫瘤抗原刺激的情況下，CAR-T細胞也會釋放微弱的但持續(xù)不斷的信號，這種信號就是基底信號，它可以讓CAR-T細胞在體內(nèi)存活更長時間。
在2023年3月8日以封面文章形式發(fā)表于《細胞研究》（Cell Research）的一項研究中，王鵬團隊發(fā)現(xiàn)基底信號的強度和CAR-T細胞在體內(nèi)的功能之間的關系呈山峰狀分布。“如果基底信號太弱，就不能支撐CAR-T細胞在體內(nèi)存續(xù)很長時間，如果基底信號太強，就會刺激CAR-T細胞進入耗竭狀態(tài)。”王鵬解釋說。
在這篇文章中，他們還找到了決定基底信號強弱的關鍵因素CAR表面靜電荷分布的不均勻性。正電荷越聚集，基底信號越容易產(chǎn)生。經(jīng)計算，他們發(fā)現(xiàn)CAR胞外區(qū)域表面帶正電荷的斑塊和基底信號的強度呈線性關系。由此，他們開發(fā)出PCP評分量表，代表基底信號的強度。
文章發(fā)布后，王鵬團隊收到來自世界各地的郵件，咨詢或找他們合作計算PCP。由于時間和精力有限，他們分析了來訪者不能參照文章進行計算的原因：從算法本身來說，學習整個過程大約需要一周；計算過程需要用到兩個外部服務器，其中一個服務器容量比較小，在他們的文章發(fā)表后，由于過量點擊，不時崩壞。
于是他們想到人工智能。在谷歌DeepMind開發(fā)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測模型AlphaFold和Facebook開發(fā)的ESM2蛋白質(zhì)語言模型的基礎上，他們設計出了CAR-Toner。它有三個功能：一是輸入CAR的序列，計算輸出PCP的值；二是指導CAR的設計，告訴使用者在哪些位點做突變可以達到最優(yōu)的PCP值；三是同時計算多種CAR的PCP值，告訴使用者哪個CAR最好。
“只需要點一個按鈕，它就能計算出PCP，再點一下按鈕，它就能告訴你哪些突變可以升降PCP，這是一個非常有想象力的應用。”王鵬說，“全世界的基礎科研工作者都可以免費使用這個工具。”
為驗證CAR-Toner在CAR-T設計中的潛力，王鵬團隊改造了一個CAR，將其調(diào)整到最優(yōu)PCP區(qū)間。
通常，四種類型的抗體和抗體替代品被用作CAR的抗原結(jié)合域，分別為：單鏈抗體（single chain fragment variable，scFv），源于駝類的納米抗體VHH（Variable domain of Heavy chain of Heavy-chain antibody），源于鯊魚的納米抗體VNAR（Single domain shark variable domain of
new antigen receptor），和源于七鰓鰻的VLR（variable lymphocyte receptor）。
王鵬團隊利用CAR-Toner比較了它們的PCP特征。分析結(jié)果表明，基于VHH的CAR在最佳PCP范圍內(nèi)的比例最高。“如果此刻要新開一家CAR-T公司，我建議大家用來自駝類的抗體序列做CAR-T。”王鵬說。
當下的CAR-Toner仍然存在一些問題。“我們現(xiàn)在可以通過人工智能工具找到升降PCP的策略，但升降PCP之后可能會產(chǎn)生副作用，人工智能無法解決，依然需要在實驗室中驗證PCP的優(yōu)化方案。所以我們的設想是讓人工智能提供多個方案，如果在實驗室中表達出CAR后，排除其中不能穩(wěn)定地在細胞上表達、或者不具備高親和力的方案，優(yōu)選最佳的方案。”王鵬說道。
未來，王鵬實驗室正在設計全流程人工智能平臺，只要告訴它一個想靶向的抗原，無論是腫瘤抗原、衰老抗原還是感染抗原，它可以直接給出優(yōu)化好的CAR-T的設計，生產(chǎn)出來即可用于治療。
FDA黑框警告影響幾何
最近，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）要求美國所有六款已上市的CAR-T產(chǎn)品增加會引發(fā)T細胞癌癥風險的黑框警告，在行業(yè)內(nèi)引發(fā)波瀾。
王鵬也關注到這件事。當?shù)貢r間2024年1月24日，F(xiàn)DA生物制品評價與研究中心（CBER）主任Peter Marks和高級官員Nicole Verdun在《新英格蘭醫(yī)學雜志》（NEJM）發(fā)文指出，CAR-T產(chǎn)品和繼發(fā)性T細胞癌癥之間可能存在因果關系。“這是很嚴重的，”王鵬說，“這個觀點出現(xiàn)后，學術(shù)界會探索方法去解決，產(chǎn)業(yè)界中有一部分人會積極改進。”
目前使用最多的CAR-T細胞的構(gòu)建方法主要包括三類：以逆轉(zhuǎn)錄病毒和慢病毒為代表的病毒載體、轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)和mRNA介導的非病毒載體以及基于基因編輯的定點插入技術(shù)。兩位FDA官員在前述文章中指出，目前這一代逆轉(zhuǎn)錄病毒載體仍存在通過基因組整合或其他機制導致癌癥的可能性。例如，慢病毒載體會將自身基因組插入整合到宿主細胞基因組中，如果其插入位點在與癌癥相關的DNA序列附近時，就可能導致癌癥。
“短期來看，對于原先使用非病毒載體的人來說，他們可以用這個邏輯提高自己的產(chǎn)品壁壘；而對于原先使用病毒載體的人來說，他們會積極行動，從邏輯上規(guī)避繼發(fā)性T細胞癌癥的發(fā)生。一種改進的方式就是利用基因編輯技術(shù)在基因組的安全位點精確插入CAR基因序列。”王鵬告訴澎湃科技。
參考資料：https://www.nature.com/articles/s41422-024-00936-1
