Cell | 开发出一种类似乐高积木的基因编辑工具，有望改善CAR-T细胞疗法

近年来，科学家们利用基因修饰技术将免疫细胞重编程为可以攻击癌症的疗法。但这类免疫疗法并非对所有患者或所有癌症类型都有效，而且筛选每一种可能改善这些经过重编程的免疫细胞的基因变化组合是一项艰巨而缓慢的任务。

如今，在一项新的研究中，来自美国格拉斯通研究所和加州大学旧金山分校的研究人员开发出了一种技术，能让他们快速“拼接”出数千种不同的基因编辑组合，以便在免疫细胞中进行测试。他们利用这项名为“模块化集合基因敲除筛选（Modular Pooled Knockin Screening, ModPoKI）”的筛选技术，确定了一种新的基因组合，当将这种基因组合加入免疫细胞后，能使这些细胞的寿命更长，抗癌效果更好。相关研究结果发表在2023年9月14日的Cell期刊上，论文标题为“Modular pooled discovery of synthetic knockin sequences to program durable cell therapies”。

论文共同通讯作者、格拉斯通-加州大学旧金山分校基因组免疫学研究所主任Alexander Marson博士说，“这是我们向前迈出的重要一步，我们有能力提出关于如何将基因程序的片段组合到细胞中并测试它们如何对患者有利的问题。我认为这将加速开发更好的细胞疗法。”

论文共同作者、斯坦福大学医学院病理学系助理教授Ansuman Satpathy博士补充说，“这项新的研究展示了利用高通量基因组学发现和设计细胞疗法中新型分子程序的能力，并进一步了解了这些程序对杀死癌症所需的T细胞状态的影响。”

混合和匹配部件

免疫系统的 T 细胞在抗癌过程中发挥着关键作用。当T细胞通过其表面的受体将癌细胞识别为外来细胞时，它就会靶向破坏癌细胞。科学家们已发现了如何改变 T 细胞上的受体---通常是通过添加编码人工嵌合抗原受体（chimeric antigen receptor, CAR）的 DNA 序列来实现---这样 T 细胞就能更容易地识别和消灭癌细胞。

在CAR-T 细胞疗法中，癌症患者的 T 细胞会通过抽血提取，然后在实验室中对它们进行基因重编程以便引入这些新的 CAR 受体，并重新将它们输注到患者的血液中。然而，许多CAR-T细胞疗法仍有局限性：它们通常对实体瘤无效，随着时间的推移会磨损，而且有些CAR不能引起足够强的免疫反应来杀死癌细胞。

论文第一作者、Marson实验室博士后Franziska Blaeschke博士说，“CAR-T细胞在治疗白血病和淋巴瘤等血癌方面取得了令人难以置信的成功，但我们仍在寻找优化它们并将其应用于其他癌症的方法。到目前为止，我们一直缺乏一种系统的方法来发现 T 细胞中哪些基因变化对改善 CAR-T 细胞最有效。”

为了填补这一空白，这些作者开发出了 ModPoKI。该技术将多个基因组合成长长的 DNA 片段，用于 CRISPR 基因编辑平台。他们利用这一工具，通过将数百个基因与编码特定 CAR 的 DNA 混合在一起，创造出这些 DNA 长段的约 1 万种潜在组合。然后，他们利用CRISPR将拼接在一起的DNA序列粘贴到T细胞基因组中的一个确定位置。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.013。

每个T细胞都接受了不同的DNA序列，然后这些作者让这些T细胞互相竞赛，看哪个T细胞在各种可以预测抗肿瘤活性的测试中表现最好。ModPoKI 生成的每组基因上都有一个易于读取的 DNA 条形码，这样就可以追踪哪种基因组合能改善 T 细胞。

这种类似乐高积木的能力让他们能够在将基因加入细胞之前，以新的方式组合基因，从而迅速发现可能改善 CAR-T 细胞的基因组合，而无需手动选择和设计每种基因组合。

论文共同通讯作者、Marson实验室前成员Theodore Roth博士说，“我们不必单独猜测是什么可以改善细胞的功能，然后一个接一个地进行研究，我们可以把这些片段放在一起，然后非常迅速地连续测试许多细胞。这是分子生物学中非常有用的部分。”

迈向更好的疗法

Marson团队在这项新研究中添加到细胞中的基因是表面受体（天然受体和工程受体，旨在向CAR-T细胞发送增强的信号）和转录因子（开启和关闭其他基因）。在分析数百种表面受体和转录因子的测试结果时，这些作者发现不同的CAR可以通过不同的因素进行优化。

Blaeschke 说，“事实证明转录因子并不是万能的。因此，当科学家们在开发新的CAR-T细胞时，有必要检查一下还有哪些其他因素可以优化CAR-T细胞。我们的研究产生了一种图谱，科学家们可以使用它将不同的转录因子与不同的T细胞受体（T cell receptor, TCR）或CAR结合起来。”

这些作者还确定了两种似乎经常能改善 CAR-T 细胞的转录因子的组合。这两种转录因子---BATF和TFAP4---提高了一种以前曾被开发用于治疗儿童脑瘤的CAR-T细胞的适应性。

Marson说，“在实验室中，带有 BATF 和 TFAP4 的 ModPoKI 序列使 CAR-T 细胞显示出提高抗肿瘤活性的潜力。接下来，我们需要开展更多的研究工作，以确定添加这些转录因子是否会使CAR-T细胞对人类癌症患者更有效。”

参考资料：

1. Franziska Blaeschke et al. Modular Pooled Discovery of Synthetic Knockin Sequences to Program Durable Cell Therapies. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.08.013.

2. Lego-Like Gene Editing Tool Lets Researchers Improve Cancer Immunotherapy
https://gladstone.org/news/lego-gene-editing-tool-lets-researchers-improve-cancer-immunotherapy