相關(guān)論文于2024年2月14日在線發(fā)表于《細(xì)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(dòng)CAR-T設(shè)計(jì)領(lǐng)域邁向人工智能時(shí)代。

“CAR-T的治療能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出腫瘤這一個(gè)適應(yīng)證，它還在自身免疫性疾病、纖維化疾病、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(yīng)證和靶點(diǎn)，哪種CAR-T的設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)是不是在最優(yōu)的PCP區(qū)間內(nèi)，如果不是，AI會(huì)給出優(yōu)化方案，節(jié)省很多時(shí)間和成本?！蓖醢債i近日接受澎湃科技專訪時(shí)說。

CAR-T是“嵌合抗原受體T細(xì)胞免疫療法”，英文全稱為Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy。T細(xì)胞也叫T淋巴細(xì)胞，源于骨髓造血干細(xì)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(dǎo)航裝置”，研究人員在實(shí)驗(yàn)室將T細(xì)胞激活，并為其裝上CAR，它就成為CAR-T細(xì)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(shè)計(jì)中引入人工智能

王皞鵬實(shí)驗(yàn)室一直致力于破除臨床上的共同瓶頸：CAR-T細(xì)胞存續(xù)時(shí)間不夠長、CAR-T細(xì)胞耗竭。CAR-T細(xì)胞存續(xù)時(shí)間是指CAR-T細(xì)胞輸入患者體后，在患者體內(nèi)存活的時(shí)間；CAR-T細(xì)胞耗竭是指T細(xì)胞不停地重復(fù)識別抗原、殺死腫瘤的動(dòng)作，最后進(jìn)入耗竭狀態(tài)。兩者最后都會(huì)導(dǎo)致CAR-T細(xì)胞喪失功能。

基底信號（Tonic signaling）是影響CAR-T細(xì)胞活性的重要因素。在沒有腫瘤抗原刺激的情況下，CAR-T細(xì)胞也會(huì)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(xì)胞在體內(nèi)存活更長時(shí)間。

在2023年3月8日以封面文章形式發(fā)表于《細(xì)胞研究》（Cell Research）的一項(xiàng)研究中，王皞鵬團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)基底信號的強(qiáng)度和CAR-T細(xì)胞在體內(nèi)的功能之間的關(guān)系呈山峰狀分布?！叭绻仔盘柼酰筒荒苤蜟AR-T細(xì)胞在體內(nèi)存續(xù)很長時(shí)間，如果基底信號太強(qiáng)，就會(huì)刺激CAR-T細(xì)胞進(jìn)入耗竭狀態(tài)?！蓖醢債i解釋說。

在這篇文章中，他們還找到了決定基底信號強(qiáng)弱的關(guān)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(jì)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(qiáng)度呈線性關(guān)系。由此，他們開發(fā)出PCP評分量表，代表基底信號的強(qiáng)度。

文章發(fā)布后，王皞鵬團(tuán)隊(duì)收到來自世界各地的郵件，咨詢或找他們合作計(jì)算PCP。由于時(shí)間和精力有限，他們分析了來訪者不能參照文章進(jìn)行計(jì)算的原因：從算法本身來說，學(xué)習(xí)整個(gè)過程大約需要一周；計(jì)算過程需要用到兩個(gè)外部服務(wù)器，其中一個(gè)服務(wù)器容量比較小，在他們的文章發(fā)表后，由于過量點(diǎn)擊，不時(shí)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(yù)測模型AlphaFold和Facebook開發(fā)的ESM2蛋白質(zhì)語言模型的基礎(chǔ)上，他們設(shè)計(jì)出了CAR-Toner。它有三個(gè)功能：一是輸入CAR的序列，計(jì)算輸出PCP的值；二是指導(dǎo)CAR的設(shè)計(jì)，告訴使用者在哪些位點(diǎn)做突變可以達(dá)到最優(yōu)的PCP值；三是同時(shí)計(jì)算多種CAR的PCP值，告訴使用者哪個(gè)CAR最好。

“只需要點(diǎn)一個(gè)按鈕，它就能計(jì)算出PCP，再點(diǎn)一下按鈕，它就能告訴你哪些突變可以升降PCP，這是一個(gè)非常有想象力的應(yīng)用。”王皞鵬說，“全世界的基礎(chǔ)科研工作者都可以免費(fèi)使用這個(gè)工具?！?/p>

為驗(yàn)證CAR-Toner在CAR-T設(shè)計(jì)中的潛力，王皞鵬團(tuán)隊(duì)改造了一個(gè)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?lì)惖募{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）。

王皞鵬團(tuán)隊(duì)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?lì)惖目贵w序列做CAR-T。”王皞鵬說。

當(dāng)下的CAR-Toner仍然存在一些問題?！拔覀儸F(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(huì)產(chǎn)生副作用，人工智能無法解決，依然需要在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證PCP的優(yōu)化方案。所以我們的設(shè)想是讓人工智能提供多個(gè)方案，如果在實(shí)驗(yàn)室中表達(dá)出CAR后，排除其中不能穩(wěn)定地在細(xì)胞上表達(dá)、或者不具備高親和力的方案，優(yōu)選最佳的方案?！蓖醢債i說道。

未來，王皞鵬實(shí)驗(yàn)室正在設(shè)計(jì)全流程人工智能平臺，只要告訴它一個(gè)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(shè)計(jì)，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(huì)引發(fā)T細(xì)胞癌癥風(fēng)險(xiǎn)的黑框警告，在行業(yè)內(nèi)引發(fā)波瀾。

王皞鵬也關(guān)注到這件事。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2024年1月24日，F(xiàn)DA生物制品評價(jià)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(xué)雜志》（NEJM）發(fā)文指出，CAR-T產(chǎn)品和繼發(fā)性T細(xì)胞癌癥之間可能存在因果關(guān)系?！斑@是很嚴(yán)重的，”王皞鵬說，“這個(gè)觀點(diǎn)出現(xiàn)后，學(xué)術(shù)界會(huì)探索方法去解決，產(chǎn)業(yè)界中有一部分人會(huì)積極改進(jìn)。”

目前使用最多的CAR-T細(xì)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(dǎo)的非病毒載體以及基于基因編輯的定點(diǎn)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(jī)制導(dǎo)致癌癥的可能性。例如，慢病毒載體會(huì)將自身基因組插入整合到宿主細(xì)胞基因組中，如果其插入位點(diǎn)在與癌癥相關(guān)的DNA序列附近時(shí)，就可能導(dǎo)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(gè)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(huì)積極行動(dòng)，從邏輯上規(guī)避繼發(fā)性T細(xì)胞癌癥的發(fā)生。一種改進(jìn)的方式就是利用基因編輯技術(shù)在基因組的安全位點(diǎn)精確插入CAR基因序列?！蓖醢債i告訴澎湃科技。

參考資料：https://www.nature.com/articles/s41422-024-00936-1