CAR-T图谱：学术界的武林江湖，产业界的硝烟战场

1 CAR-T从何而来

▲ CAR-T 发展简史

　　Chimeric Antigen Receptor T cell (CAR-T)，中文翻译嵌合抗原受体 T 细胞，是一个将 B 细胞与 T 细胞技术结合的一门技术。随着 2017 年两个 CAR-T 药物 Novartis 的 Kymriah 和 Kite 的 Yescarta)的上市，这种目前在血液癌治疗相当高效的疗法着实又火了一把，源源不断的资金和人才涌入，让人们对它的前景充满期待。

　　CAR-T 这个字眼闯入我们的脑海仿佛就在昨天，但其实从诞生到现在，不知不觉已经走过了 29 个年头。在我们憧憬未来的同时，会不禁好奇它到底是从何而来。

　　一个新技术的诞生从来不只是拍脑袋的灵光一现，更多的是当下各种技术协同发展下衍生出来的。比如，电池技术的成熟带来了特斯拉的流行;5G 技术让全物联网掀开一角，也让无人驾驶加速铺开;微信和支付宝的普及，让无现金支付顺理成章地产生。

　　CAR-T 的诞生也赖于当时两个重大免疫技术的成熟，单克隆抗体和 T 细胞受体(TCR)信号通路。

　　1975 年，Kohler 和 Milstein 在顶级杂志《Science》发表名为“永续培养可以分泌特异抗体的融合细胞”的文章，揭开了单克隆抗体技术的辉煌历史，他们也在 1984 年因此获得诺贝尔奖。单克隆抗体技术，使得人们可以分析和应用单一抗体 DNA，这为抗体的特异靶头能够嫁接在 TCR 上埋下了伏笔。

　　与此同时，1980 年代还是一个 TCR 鉴定和分析突飞猛进的年代，杀伤性 T 细胞激活的关键节点在于它表面的 TCR 去识别其特异的抗原。

　　在一手握有对抗体结构和基因可以随心使用的技术，另一手对 TCR 构造了然于胸的时代，嵌合起来的抗原受体(CAR)的出现就只等着一个人接受上帝的亲吻，获得一刹那的灵感。

　　这个被亲吻的人就是在以色列著名的 Weizmann 研究所，同时研究单克隆抗体和 TCR 的 Zelig Eshhar 教授团队。1989 年，他和他的博士生 Gideon Gross 在经典杂志《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上，发表 “表达具有抗体样特异性的免疫球 TCR 嵌合受体”。在这篇文章中，他们首次将抗体的可变轻链与重链分别替换在 TCR 的 α 和 β 链的可变区域。

▲ Zelig Eshhar教授

　　说来也巧，TCR 的 α 和 β 两条链的结构恰好与抗体的轻链与重链相似(如图所示)，不得不感叹生命设计的巧妙与协同。虽然这样的 CAR 结构与现在我们所熟知的 CAR 还大相径庭，但这却是 CAR 的根本逻辑与原理，Zelig Eshhar 教授也因而被誉为“CAR-T之父”。

　　但要步入现代我们所熟悉的 CAR 串联结构，还需要两个关键性的历史节点发生。

　　一个发生在 CAR 的头部：单链可变抗体(single chain variable Fragment, scFv)被证明可以特异的结合到与原抗体相同的抗原上;一个发生在 CAR 的尾部：单单只要 CD3 的 zeta 链被证明就能激活 TCR 下游信号通路。

　　1988 年几乎同时，Huston 团队和 Bird 团队分别在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》和《Science》杂志，发表证明 scFv 与来源抗体具有同等效力的能力。这就为简化 CAR 上的识别靶头提供了应用来源。

　　在不久前的 1991 年，TCR 信号通路的奠基人之一 Weiss 教授发表在另一顶级期刊《Cell》上，证明只要一个 CD3 的 zeta 链就足够激活 TCR 下游通路。这为 CAR 的简化提供了理论基础。

　　结合以上两点，Eshhar 教授再往前大胆的走了一步，1993 年在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》发表成果，完成了 CAR 的最终形态，一个 scFv 在前，一个 CD3 zeta 在后。

▲ CAR-T 结构演化

　　之后 CAR-T 的演化就是人们所熟知的加入共刺激因子 CD28，CD137 等，形成了我们今天所广泛使用的 CAR。

2 CAR-T学术江湖中的“天下五绝”

▲ CAR-T 学术文章数历年统计

　　说起科学学术研究，它在人们的脑海里好像是一个世界性的，正如居里夫人说镭元素不属于波兰，而是属于全世界。居里夫人的号召一直鼓舞和激励着一代又一代的科学家无偿分享自己的学术成果。

　　但是，现实世界里的学术界更像是一个个武林门派，门派与门派之间隔阂着门派壁垒。门派与门派之间讲究师承，倘若你是从野路子来的，大家会认为你不正宗，对你的结果也要有所顾虑。从一个门派里出来的人，会保留着这个门派的印记，我们称之为“出生”。

　　就好像，现在对研究生的论文施行双盲评审，不知道是谁写的，也不知道会是谁评，显得公平。但是大家其实心里都心知肚明，评审一看研究内容就知道是谁的学生，学生也知道给评的人大致是谁，毕竟在这些领域，也就这些屈指可数的人。

　　而如果我们细究一群研究相同内容的人的科研背景，那么你会大概率发现他们背后的师承溯源直指某个开宗立派的人，这些人我们称为这个江湖的“东邪西毒”。

　　从 1989 年 CAR-T 的概念出现，到如今的 2018 年，29 年烟云变幻。虽然从发表有关 CAR-T 的学术文章数呈指数上升只是从近五年才开始，好像离我们并不遥远，然而那些开创和发展 CAR-T 领域的先驱们，早已将 CAR-T 天下根深蒂固，形成了今天的格局。

　　东邪，Carl June

▲ 宾夕法尼亚大学的 Carl June 教授

　　如果把开创和推进 CAR-T 产业的人员名单列成一个明星阵列的话，June 教授绝对是其中最耀眼的巨星。一头银色寥寥的白发，一双明亮的蓝眼睛，65 岁的他将 CAR-T 这个概念带进了千家万户。

　　毕业于美国海军海军军官学院的 June 教授的研究“出生”，是在免疫细胞和骨髓干细胞的移植。在 1980 年代那个环境，他的研究主要是为了应对可能出现的核潜艇或者核战争的核辐射对人体造成的巨大伤害。

　　“冷战”结束后，军事上的需求不再那么重要，June 教授便将研究的内容放在 HIV 的医学治愈上。HIV 是一种会将人体 T 细胞数量大幅降低而导致一系列免疫缺陷的病毒，人类至今还无法完全克服和治愈。

　　June 教授在研究攻克 HIV 的历程中，有两个研究成果至关重要，他认为是直接决定之后 CAR-T 成功的关键因素：一是 June 教授找到了打开体外大规模扩增病人 T 细胞的钥匙，来克服 T 细胞数量的大幅下降;一是 June 教授首次，反过来利用 HIV 病毒递送“抗” HIV 病毒的基因给扩增的 T 细胞，抵抗病人的 HIV 伤害这些扩增了的 T 细胞。

　　这两个技术上的突破，为 CAR-T 成功运用在病人身上做好了铺垫，其实也奠定了 CAR-T 疗法的模式。June 教授与肿瘤免疫治疗的结缘带着一种悲情色彩。2001 年虽然尝试了当下各种治疗方法，却也没能挽救他的妻子逃离卵巢癌的魔爪。

　　心灰意冷的他从此将研究重点从 HIV 治疗转移到了癌症。2003 年，在一次会议上，他看到了 Dario Campana 教授设计的带有 CD137 共刺激的 CAR，激动的找到 Campana 教授表示他可以用这个 CAR 在人体上治疗癌症。

　　之前 HIV 的那两项研究突破，有了 CAR 就仿佛如虎添翼。用于 HIV 治疗的思路，现在变成了体外扩增癌症病人 T 细胞，利用改造后的 HIV(慢病毒)递送 CAR 基因给 T 细胞，回输给病人。原本用于补充的 T 细胞，现在变成了能够清除癌细胞的护卫者，一个能够在体内存活长达十年的“活药物”!

　　CAR-T 治疗的成功让 June 教授声名大噪，今年被《时代》杂志评为 2018 最具影响力的 100 个人物。然而，表面上的光鲜并未能掩盖逐渐被 CAR-T 大江湖疏离的背影。CAR-T 成功的刚开始，June 教授并未承认 Campana 教授在其中的重要贡献，与 Campana 教授的纠纷一打就是好几年，最后花费 1225 万美元，付给 Campana 教授和 Juno 阵营以及日后 Kymriah 收益的一部分。

　　另外，2011 年发表重要临床成果的文章也没有引用 2010 年肿瘤免疫泰斗 Rosenberg 教授的文章，引起双方在“谁首次成功运用 CAR-T 在人体上”的分歧。总而言之，June 教授更像是在打造自己的独立王国，在那与世隔绝的桃花岛唯有制药巨擘 Novartis 与之相伴。

　　西毒，Wendell Lim

▲ 加州大学旧金山分校的Wendell Lim教授

　　提到 CAR-T，就不得不提一个近十几年刚兴盛，充满创造力和希望的学科领域——合成生物学。CAR-T 的本质是赋予生命体原本没有的能力，就好像 T 细胞原本无法识别没有通过组织相容性复合物(MHC)呈递的抗原，但人为的给 T 细胞递送 CAR 基因，就能够使之像抗体那样识别多样的抗原，摆脱 MHC 的束缚。

　　这个基本思想其实就是合成生物学的理念：“黑”进生命体，像电脑一样改造和重编程生命体。不出意外，在充满想象与创造力，黑科技极度密集的美国西岸硅谷，这种生物极客的思想尤为盛行。

　　Wendell Lim 就是引领将合成生物学方法用在 CAR-T 的开拓者。Lim 教授早年的学术经历主要放在蛋白质的功能与结构中，在蛋白质的改造和理解其折叠原理颇有建树。Lim 教授一直有着利用丰富的蛋白质功能让细胞感知和应答外界信息的想法，在他的眼里，他把生命体当成一种特殊的计算机，只不过计算机的各个元件沟通是靠电子线路，而细胞的沟通则靠着分子通路。

　　带着自己的这种观点，Lim 教授在 CAR-T 改造上做了很多突破性的工作。

　　比如 2015 年在《Science》上发表，利用化学小分子来充当调控 CAR-T 功能的开关，控制 CAR-T 带来的剧烈副作用。这个思路是将 CAR 的头和尾分开来存放在细胞当中，只有 CAR-T 细胞摄取了特定的化学小分子，头和尾才能链接起来，传递激活信号。这样，病人只需注射一次 CAR-T 细胞，剩下的就是像感冒吃药一样吃着药片，想什么时候让这个“活药物”发挥作用就什么时候发挥，CAR-T 疗法变得可以简单的人为控制，降低 CAR-T 在剧烈作用时带来的副反应。

　　2016 年发表在《Cell》上改造细胞的内部通路，让 CAR-T 只有在同时识别两个靶点时才发挥作用，对癌细胞的识别更加精准。

　　带着这些想法，Lim 教授成立了 Celldesignlabs 公司，2017 年底，Gilead 和 Kite 宣布已和 Celldesignlabs 达成并购协议，用 5.7 亿美元收购 Celldesignlabs 公司的绝大部分股份。他们相信用 Lim 教授开发的合成生物学技术可以极大的拓展 CAR-T 的应用前景。

　　2017 年，Lim 教授和 June 教授合写了一篇名为“改造设计免疫细胞治疗癌症的基本原则”，为 CAR-T 领域打下了地基。究竟 Lim 教授能够将自己开发的五花八门的“小玩意儿”带向何方，拭目以待!

　　南帝，Steven Rosenberg

▲ 美国国立癌症研究所的 Steven Rosenberg 医生

　　1940 年出生的 Rosenberg 医生现年 78 岁，是奋斗在细胞治疗领域最年长的一线先锋。Rosenberg 医生的一生可以说就是一部鲜活的肿瘤免疫史，他见证和亲手谱写了细胞治疗癌症的历史篇章。

　　1968 年的一天，还在驻院实习的 Ronsenberg 医生经历了一个特殊的病例，一个患有黑色素瘤的患者在没有接受任何额外治疗的情况下，身体自发的清除了黑色素瘤。

　　“身体自发自愈肿瘤的案例并不是没有发生过，在历史上许多都有记载，但是能亲眼看到这样的病例，对我自己触动非常大，我感觉他的身体里有什么东西在酝酿，能够知道如何清除那些病变的癌细胞。”Rosenberg 医生回忆道。从那以后，Rosenberg 医生就把自己的一生奉献给了这种能够自我清除癌细胞的方法——肿瘤免疫。

　　1985 年，Rosenberg 在与医学顶级期刊《柳叶刀》齐名的《新英格兰医学杂志》发表自己近 20 年来的成果，用系统性的给患者注射 IL-2 来治愈转移的癌症。IL-2 作为免疫细胞因子，可以激发免疫细胞，例如 T 细胞，增强它们清除癌细胞的活性。再此之后，Rosenberg 医生又将自己的研究视野放到了肿瘤浸润 T 细胞(Tumor Infiltrating T lymphocytes, TIL)的事业中。

　　1989 年之后，Eshhar 教授发表的一系列 CAR-T 设计很快收到了 Rosenberg 医生的注意。1991 到 1992 年期间他邀请 Eshhar 教授作为访问学者来自己在医院的实验室进行研究和交流。正是在这个时候，Rosenberg 医生意识到了 CAR-T 会给肿瘤治疗带来的颠覆。Rosenberg 积极而又大胆的将 Eshhar 教授发明的 CAR-T 应用在人体临床试验，并于 2010 年在经典杂志《Blood》发表成果。

　　虽然 Rosenberg 应用的 CAR-T 是第一代没有共刺激信号的 CAR，因而效果并未如现在的 CAR-T 惊人，而且也出现过非疾病引发的死亡，但是不得不说 Rosenberg 是将 CAR-T 大胆应用在临床实验的第一人。

　　Rosenberg 医生年长，但是积极创新和对肿瘤免疫治疗的激情却一点也不输年轻人。2010 年他加入他的学生 Belldegrun 医生创立的 Kite Pharma，开启了 CAR-T 治疗产业化的第一步。

　　北丐，Philip Greenberg

▲ Fred Hutchinson 癌症研究中心的 Steven Rosenberg 医生

　　在遥远的美国西北部西雅图，有着一个研究人体免疫系统与癌症关系 40 多年的“帮派”——Fred Hutchinson癌症研究中心。作为《Cancer Immunology Research》的主编，与 Rosenberg 医生年龄相仿的 Greenberg 教授如今引领着这个“帮派”，奋战在用自身免疫系统抗击癌症的阵地前线。

　　Fred Hutchinson 癌症研究中心成立于 1971 年，如今已有 3 位诺贝尔奖来自这里。

　　1976 年，年轻的 Greenberg 教授加入 Fred Hutchinson 癌症研究中心，在骨髓移植巨匠 Donnall Thomas 教授的带领下研究治愈患有血液癌的患者。异体骨髓的移植有着一个来源于其副作用的奇特特征，它可以加速清除白血病患者的癌细胞。

　　这个副作用就是家喻户晓的“移植排斥”反应。异体骨髓移植的特殊在于，这次不是宿主排斥移植器官，而是移植器官排斥宿主细胞。原因在于移植的骨髓，会在宿主体内发育为宿主新的免疫系统，而这个新的免疫系统把宿主的细胞当成了外源细胞，从而损伤宿主。同样的，这个新发育而来的免疫系统会把正在快速分裂的血液癌细胞当成外源细胞，将之清除殆尽。

　　这个奇特的特征一直吸引着 Greenberg 教授，如何控制这种“移植排斥”反应，让排斥只发生在肿瘤细胞，是 Greenberg 教授一直研究的中心，而一晃 40 年就过去了。

　　转变契机就发生在新世纪的交接，随着 CAR-T 技术的出现，测序技术的迭代更新，以及合成生物学的逐渐成熟，Greenberg 教授抓住机会，结合自己几十年在免疫学上的成果，终于实现了定向控制“移植排斥”反应的愿景。

　　2013 年，他带领的 Fred Hutchinson 癌症研究中心，联合自己的学生 Stanley Riddell 教授，Memorial Sloan Kettering 癌症中心的 Sadelain 教授团队，在西雅图成立 CAR-T 全明星阵容的 Juno 制药。他认为，肿瘤免疫一个全新的时代开始降临。

　　70 多岁高龄的 Greenberg 教授还仍然充满热情的投入到肿瘤免疫的事业中，时不时地凌晨 3 点你还能收到(改了语序)来自 Greenberg 教授的邮件或者电话。

　　Fred Hutchinson 癌症研究中心的副主席 Fred Appelbaum 教授这样评价 Greenberg 教授，“作为科学家，他是一个十足冒险精神和难以置信的批判审慎的奇妙组合”。的确，Greenberg 教授算的上是一个名副其实的“仰望星空，脚踏实地”的实干家。

　　中神通，Michel Sadelain

▲ Memorial Sloan Kettering 癌症中心的 Michel Sadelain 教授 

　　尽管利用 T 细胞去清除癌细胞的这个概念在许多临床医生和癌症学者中都心知肚明。在 Memorial Sloan Kettering 癌症中心建立细胞工程中心的 Sadelain 教授却是第一批意识到可以用基因改造 T 细胞来识别和清除癌细胞的人。

　　1990 年初结束 PhD 学习和住院医师培训的他，来到 MIT 的 Richard Mulligan 实验室作为博士后学习基因转移和造血干细胞技术。在 1980 和 1990 交替的那个年代，还从未有人在人 T 细胞做过基因改造的工作，甚至大部分人都认为这是一个没有前景的方向。但是，Sadelain 教授结合自己的临床经验，始终坚信改造 T 细胞是解决癌症困局的解?。所以在做博士后基因治疗课题的同时，自己也在默默的做着基因改造 T 细胞的研究。

　　1992 年，他向世界免疫学年会提交了这一份用逆转录病毒改造 T 细胞的摘要，标志着人类 T 细胞工程的开始。

　　1994 年，他加入 Memorial Sloan Kettering 癌症中心，正式对自己 T 细胞改造的想法开宗立派。90 年代末，他们鉴定出 CD19 作为一个绝佳的 B 细胞癌症靶点，并设计了带有 CD28 共刺激信号的 CAR 结构，标志着第二代 CAR-T 的出现。

　　2003 年，他们将这份研究成果发表在《Nature Medicine》上引起轰动，整个一系列从治疗 B 细胞癌症的靶点 CD19 到第二代 CAR 的设计都是两个被 FDA 通过的 CAR-T 产品，Kymriah 和 Yescarta 的基石。

　　2010 年左右出现的 CRISPR 基因改造技术，更是给 T 细胞基因改造大师 Sadelain 教授带来了无与伦比的工具。2017 年在《Nature》发表的将 CAR 基因替代 TCR 基因的研究成果振奋人心，显示出我们已经可以对细胞，尤其是 T 细胞进行基因改造达到了极其高的水平。

　　用 Sadelain 教授的话来说，“我们对 T 细胞改造对抗肿瘤已经到了历史的拐点，而这一切才刚刚开始”。除此之外，Sadelain 教授在 MIT 的研究经历不仅给他带来的是基因改造技术的启蒙，还是利用造血干细胞治疗疾病的启蒙。

　　CAR-T 疗法的其中一个痛点就是需要用病人自身的 T 细胞，整个从患者身上取出 T 细胞到改造再到回输体内的过程十分费时费力。Sadelain 教授便想出利用改造造血干细胞制备广谱 CAR-T 用于任何患者。

　　这个想法最近也取得了关键性的突破，Fate therapeutics 与 Sadelain 教授团队合作沿用 CAR 基因替代 TCR 基因的技术路线，成功研发出没有“移植排斥宿主”反应的诱导性T细胞。下一步，他们将把目标瞄准敲除 MHC，降低“宿主排斥移植”反应。

　　总而言之，具有医学背景的 Sadelain 教授运用现代的基因改造技术炉火纯青，期待他在 CAR-T 领域大展神通。

3 CAR-T商战中的“三国争霸”

▲ 海外 CAR-T 公司商业生态圈

　　如果说在学术界，CAR-T 领域是门派林立的武林江湖。那么在产业界，CAR-T 领域可以说是一个你死我活的战场。

　　我近期参与的美柏研究团队，收集和分析了海外地区的 61 家 CAR-T 公司，基本涵盖了所有海外 CAR-T 公司。

　　根据各个公司之间的交易往来，结果显示海外 CAR-T 公司之间交易与合作十分频繁，71.5% 的公司有过相互的交易与合作，围绕在投资/并购、合作/共开发、以及专利转让，其中合作/共开发最为普遍。最为典型的两个并购交易为 Celgene 以 90 亿美元的价格并购 Juno，以及 Gilead 以 119 亿美元并购 Kite。

　　总结各公司之间的联系，可将 CAR-T 公司的商业生态圈分为独立运营，点对点合作，链式合作，集群合作四大类：

　　独立运营：这类公司占据海外 CAR-T 公司的 28.5%，没有可查报道与其他公司有进行合作交易的记录。这些公司大多有着自己的专利，独立开发 CAR-T 产品。

　　点对点合作：这一类群的公司处于两两合作，或者有专利转让，并无其他可记录的交流合作。占据海外 CAR-T 公司的 31.2%。

　　链式合作：所谓链式合作，即没有明确的中心，公司与公司之间形成犹如产业链式的合作关系。有的公司是为其他公司提供某些技术指导，将其特有的技术，如基因改造等整合到其合作的公司中。从链式合作公司开始，制药巨头开始出现，他们往往起着串联其他公司产品的作用。这类合作关系的公司占 13%。

　　集群合作：在集群模式下，可以明显的看到以一个机构或者公司为核心。这一类型的合作与交流，形成了以 Gilead、UPenn、Juno/MSK 为核心的三大产业集群。而相应的他们的 CAR-T 产品也较为成熟，比如仅有的两个批准的 CAR-T 产品 Kymriah、Yescarta 就都来自这一类型。这类合作关系的公司占 27.3%。

　　比较各种合作模式，集群模式所带来的对 CAR-T 产业的影响最大，产品线也最为丰富，是站在 CAR-T 领域前线的引领者。

　　总览现在 CAR-T 产品的临床图谱，除了已经上市的两个产品，临床三期出现空档，Juno 的产品紧随其后，将会是下一个上市的直接候选人。于是乎，目前在 CAR-T 领域出现了 Gilead、UPenn、Juno/MSK 的三国争霸局面。

　　对于这三者而言，与 UPenn 合作的老牌制药巨头 Novartis 在 2016 年时缩减了自己细胞治疗的部门并大量裁员，并且从产品线来看 Novartis 的 CAR-T 产品相比于另外两家较为单一。这些都从侧面透露出 Novartis 对细胞治疗的信心有限。未来，CAR-T 领域很有可能由“三国争霸”演变为“两虎盘视”的局面。

4 学术界与产业界密集交错的武林

　　从一开始的学术文章发表数量来看，CAR-T 的兴起是在 2012-2013 左右开始井喷式的发展，现在还在以极快的速度推进。从学术表征来看，这个领域应当才刚刚进入学术繁荣期，工业界的快速发展需要有一段时间沉淀后才进入繁荣。

　　然而目前，CAR-T 却是学术与工业界同步蓬勃发展的态势，这样的发展模式还是一个新鲜产物。并且，每一个 CAR-T 公司的背后都来自于学术机构，这一点尤其在 Gilead、UPenn、Juno/MSK 三个产业集群十分突出。当代“五绝“都是这三大产业集群的幕后推手。

　　这样产学同轴的融合其实与大环境的变化密切相关：

　　首先是生物技术金融市场的成熟，从抗体药物到如今的细胞药物，金融资本与生物技术在这二三十年的不断磨合中，慢慢摸索出了生物技术金融投资市场的普遍规律，越来越多的资本愿意投入生物医学产业。

　　还有转化科学的概念普及，学术界慢慢的不再与实体工业老死不相往来，许多基础科学都在探索潜在的应用价值。

　　最后是政策利好的刺激，FDA 专设快速通道给“突破性药物”，极大缩短药物上市的进程，从实验室到患者手中的路不再如往常那样一眼望不到尽头。

　　正是在产业界，学术界，和政府共同缔造的这样的大环境下，CAR-T 疗法产学同轴，一路凯歌。

　　愿如今这个热闹的武林，其绝学可以除疾病之痛苦，助健康之完美!

作者：万三