通过“捕捉-结合”工程克服T细胞对肿瘤自身抗原的耐受性

《SCIENCE》：Overcoming T cell tolerance to tumor self-antigens through catch-bond engineering

T细胞疗法通过改造catch-bond增强对前列腺癌抗原PAP的杀伤力，保持特异性并降低脱靶风险。

　　

编辑总结

针对肿瘤相关抗原的T细胞疗法是治疗癌症的一个有前景的方向。然而，人类对自身抗原具有天然的保护性免疫耐受性，这限制了T细胞摧毁肿瘤的能力。Chen等人测试了一种称为“捕获键工程”的策略来克服这种免疫耐受性。通过替换一两个氨基酸以引入捕获键，研究人员能够将一个反应较弱的T细胞受体（TCR）转化为更有效的肿瘤杀伤剂，同时保持对前列腺癌抗原的特异性。结构分析显示，TCR与肿瘤抗原之间的结合模式发生了改变。这种改变弱TCR-肿瘤抗原相互作用的能力可能有助于克服免疫耐受性并提高抗癌效果。——Priscilla N. Kelly

结构摘要

引言

肿瘤相关抗原（TAAs）是一类没有潜在突变的目标，它们在良性组织和恶性组织中都有表达，并且在广泛的患者群体中存在。TAAs是T细胞介导的癌症免疫疗法的有希望的候选对象，但中枢免疫耐受性通常会消除对这些抗原具有高杀伤力的T细胞克隆。虽然天然存在的T细胞受体（TCRs）能够特异性识别由主要组织相容性复合体（MHCs）呈递的TAA衍生物表位，但它们的效力可能有限。前列腺酸性磷酸酶（PAP）是一个典型的TAA，仅在良性及恶性前列腺组织中大量表达。最近从健康供体外周血中鉴定出的PAP特异性TCRs表现出有限的细胞毒性。需要开发出不降低抗原特异性的增强TCR介导的细胞毒性的工程策略，以克服中枢免疫耐受性并推进基于TCR的免疫疗法。

原理

捕获键是TCRs与肽-MHCs之间的特殊相互作用，在机械力作用下可以延长键的寿命，从而增加复合物的停留时间并增强信号传导。捕获键通过TCR与抗原呈递细胞在剪切力作用下的接触而被激活。通过延长T细胞与癌细胞之间的相互作用，捕获键可以在保持生理上较低的TCR-MHC亲和力和快速解离速率的同时增强T细胞的杀伤能力。我们假设引入捕获键可以在最小化序列修饰的情况下，将天然存在的弱PAP特异性TCRs转化为高效且选择性的治疗候选者，同时降低脱靶交叉反应的可能性，正如在亲和力成熟的TCR-T细胞中所观察到的那样。为了评估这一点，我们开发了一种快速定位扫描方法来识别潜在的捕获键工程位点。

结果

我们建立了一种新的方法流程，称为“TCR涡轮增压”，可以在不需要先前结构信息的情况下重新筛选并引入TCRs中的捕获键“热点”。该策略被应用于一种天然的、对PAP有反应的、受HLA-A*02:01限制的TCR（TCR156）。在TCRα链的互补决定区1（CDR1）内识别出了捕获键热点。生成了多个具有增强捕获键形成的TCR156变体，所有这些变体都保持了生理上的TCR-MHC结合亲和力（1至100 μM）。功能测定和生物膜力探针测量显示，TCR-pMHC键强度与TCR细胞毒性之间存在正相关。两个具有最长键寿命的候选TCR——分别含有一个（S32Mα）或两个（S30E32Qα）氨基酸替换——在体外和体内都表现出显著增强的细胞毒性。野生型和工程化TCR156变体的晶体结构显示，在引入捕获键后结构变化很小。分子动力学模拟和酵母MHC库筛选表明，TCR链上的甲硫氨酸突变间接诱导了PAP肽与TCR之间的额外相互作用，从而提高了TCR的特异性。酵母展示的MHC库筛选也证实，捕获键工程并没有增加脱靶反应性。

结论

“TCR涡轮增压”流程成功增强了天然存在的、反应较弱的PAP特异性TCR的功能，产生了在体外和体内都具有强细胞毒性的候选者。尽管已经设想了临床应用路径，但仍需要进一步的临床前评估。这一策略有望广泛应用于其他TAAs，可能扩大TCR-T细胞免疫疗法的用途，并克服中枢免疫耐受性带来的限制。

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经过捕获键工程改造的TCRs表现出更强的抗肿瘤活性。

（左）在前列腺抗原特异性T细胞受体与HLA-A2-PAP复合物相互作用中识别出了捕获键热点。将（顶部中间）野生型丝氨酸残基替换为（底部中间）甲硫氨酸后，增强了键的寿命，从而（右侧）显著提高了携带肿瘤的小鼠的肿瘤消除能力。

摘要

由于中枢免疫耐受性的存在，T细胞对肿瘤自身抗原的反应通常较弱，这限制了它们消除肿瘤的能力。我们利用机械力改造了一种对非突变肿瘤相关抗原（PAP）具有弱反应性的T细胞受体（TCR）。我们发现了一个捕获键“热点”，其突变通过延长TCR-pMHC（肽-主要组织相容性复合体）键的寿命来增强T细胞活性，同时保持了生理亲和力和抗原特异性。表达这些工程化TCRs的T细胞在肿瘤中的扩增能力、效应表型和肿瘤消除能力都有显著提高。晶体结构和分子动力学模拟表明，捕获键热点处的单个氨基酸突变通过改变TCR-pMHC界面处的水分子排列，使TCR能够更好地与肽相互作用。捕获键工程是一种基于生物物理学的可行策略，可以将耐受性的抗肿瘤T细胞转化为高效的TCR-T细胞治疗剂。