Kansere Karşı Yeni Nesil Savaşçı: CAR-T Hücreleri

Kimerik antijen reseptörü (CAR), belirli antijenleri eksprese eden hücreleri tanımak ve öldürmek için T hücreleri başta olmak üzere bağışıklık hücrelerini yeniden programlama işlevi gösteren sentetik reseptörlerdir¹. CAR-T hücreleri de T hücresi aktivasyonu ve antijen bağlama işlevini tek bir reseptörde birleştirmek için tasarlanmış T hücreleridir. Ortaya çıkan bu tedavi türü, kanser tedavisi için onaylanan ilk hücre tedavisi ve Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından onaylanan ilk gen tedavisi olmuştur^2,3.

CAR-T hücreleri, T hücrelerinin 3 temel düzenleyici unsurdan oluşan sentetik reseptörlerini ifade edecek şekilde üretilmektedir: Birinci unsur, hedef tanıma özgüllüğünü sağlayan hücre dışı tek zincirli değişken parçadır ve antikorların hedef bağlama alanından türetilmiştir. İkinci unsur, esneklik ve stabilite sağlayan bir menteşe alanı ve zar-ötesi aralayıcı içermektedir. Üçüncü unsur ise T hücresinin hayatta kalmasını, çoğalmasını ve sitotoksisitesini destekleyen bir sinyalleşme kaskadını tetikleyen hücre içi bir alandır⁴.  CAR’da spesifik antijen bağlanma alanı (scFV) bulunmaktadır ve bunlar büyük doku-uyumluluk kompleksinden (MHC) bağımsız olarak T hücrelerinin aktivasyonunu gerçekleştirmektedir¹. T hücre reseptörünün (TCR) alt birimlerinin manipülasyonuyla oluşturulan CAR, kanser tedavisinde kullanılmak için tasarlandığından immünoterapi, gen terapisi veya kanser tedavisi olarak da isimlendirilebilmektedir⁵.

CAR-T hücreleri ile yapılan tedaviler son dönemlerde dünya genelinde oldukça büyük ilgi uyandırmıştır. CAR-T hücre tedavisi ile yapılan çalışmalar, pek çok kanser türüne yönelik yapılan araştırmaları kapsamaktadır; ancak tedavi sonrası remisyonun (gerileme) ardından hastalarda görülen nüks (tekrarlama) durumu, tedavinin tamamen iyileştirici olmadığı sonucunu vermektedir. Bu tekrarlama durumu tümör antijen kaçışı ve tümör bölgesine verimsiz CAR-T hücresi trafiği gibi sebeplerle açıklanabilmektedir⁶. CAR-T hücre tedavisi hematolojik malignitede etkinliğini, özellikle bebeklerde oldukça başarılı olarak göstermiştir ve B hücreli akut lenfoblastik lösemide (B-ALL) %81’e varan iyileşmeler raporlanmıştır^7,8.

İlk defa 2012’de yapılan CD19’a yönelik CAR-T hücre tedavisi erişkin hastalarda takip edilen foliküler lenfoma ve kronik lenfositik lösemi (KLL) tiplerinde denenmiş ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen bu başarının ardından ALL olan bir çocuk hastada denenmiş ve dikkat çekici bir iyileşmenin ardından remisyon gözlemlenmiştir. Uygulanan tedavilerin ardından nüksetme durumlarında ise CD19 eksprese eden B hücre malignitelerini baskılayan anti-CD19 CAR-T hücresinin erken faz denemeleri ile başarı elde edilmiştir⁹.  Bu derlemede, CAR-T hücre mühendisliği, CAR nesilleri ve CAR-T hücresi tabanlı tedavi türlerinden genel bir bakış açısıyla bahsedilecektir.

CAR-T Hücre Mühendisliği

Antikor benzeri özgüllüğe sahip ilk sentetik immünoglobulin/TCR kimerik molekülünün ekspresyonu, 30 yılı aşkın bir süre önce rapor edilmiştir^10,11. T hücrelerinin aktivasyonu için gerekli olan iki sinyal bulunmaktadır. Birincisi büyük antijen sunan hücreler üzerinde ifade edilen doku-uyumluluk kompleksi (MHC) ile t hücreleri üzerinde bulunan TCR etkileşimini içermektedir. Bu etkileşim antijenin fizyolojik ya da patolojik olarak tanınmasını sağlamaktadır. Antijenin patolojik olarak tanınması durumunda ikinci sinyal ko-reseptörler, sitokinler, kemokinler ve çeşitli moleküller aracılığıyla gerçekleştirilmektedir¹². CAR’ların TCR’lere göre farklı olarak bir avantajı bulunmaktadır. Bu avantaj MHC olmasa da antijenleri tanıyabilme yeteneğidir ve bu yüzden, hedeflenen bir antijene yönelik özgüllüğe sahip biyomühendislik reseptörleri olarak tanımlanmaktadır¹³. CAR’ları spesifik antijenleri hedeflemeye yönlendirebilmek ve T hücrelerinde kalıcı ifadelerini sağlamak için gen transfer teknikleri kullanılmaktadır (Şekil 1)¹⁶. CAR-T hücre aktivitesinin modülasyonu, CAR proteininin kendisinin stabilitesini veya konformasyonunu ayarlayarak, tasarlanmış T hücrelerinin yüzeyinde fonksiyonel CAR’ların varlığının regülasyonunu sağlamaktadır¹⁴. CAR-T hücresiyle ilişkili kansere yönelik çalışmalarda, toksisiteleri azaltmak ve terapötik etkinliği artırmak için umut vadeden biyomühendislik stratejileri geliştirilerek yeni çalışmalar yapılmaktadır¹⁵.

Şekil 1. CAR-T mühendisliğinin şematik gösterimi¹⁶.  CAR-T hücresinin tasarımı, tümör antijenlerinin doğrudan hedeflenmesini kolaylaştırmak için mevcut bağışıklık hücresi bileşenlerini birleştirerek yapılmaktadır.

CAR Yapısı ve CAR-T Hücre Nesilleri

CAR’ların genel yapısal organizasyonu, antijenleri tanıyan hücre dışı bir antikor fragman alanı, transmembran alan ve T hücrelerini aktive eden hücre içi bir aktivasyon sinyal alanından meydana gelmektedir (Şekil 2)¹⁷. Birinci nesil CAR-T hücreleri, hücre dışı tümörle ilişkili antijenlere (TAA’lar) bağlanabilen ve T hücre yüzeyi glikoprotein CD3ζ (CD3 zeta) zincir bölgesinden hücre içi sinyalleşmeyi tetikleyebilen scFv’ye sahip olarak tasarlanmıştır¹⁸. Bu birinci nesil CAR’larda CD3ζ’nin hücre içi sinyallemesi, T hücre çoğalmasını ve uzun süreli antikanser aktiviteyi indükleme gücünden yoksun olduğundan hem CAR-T hücresi tükenmesine hem de in vivo tümör büyümesinde sadece mütevazı bir azalmaya neden olmuştur¹⁹. Hücre içi sinyalizasyonu artırmaya yönelik çalışmalar, CD28‘den bir ortak uyarıcı sinyal içeren ikinci nesil²⁰  ve ardından CD28’in yanı sıra 4-1BB veya OX40 dahil olmak üzere çoklu ortak uyarıcı elemanlar içeren üçüncü nesil CAR’ların geliştirilmesini sağlamıştır⁴. CAR’ların daha ileri bir dördüncü nesli ise pro-inflamatuar sitokinlerin üretimi ve salgılanması yoluyla doğuştan gelen bağışıklık tepkisini aktive edebilen NFAT (aktive edilmiş T hücrelerinin nükleer faktörü) gibi transkripsiyon faktörlerinin varlığının ko-stimülatör sinyallere eklenmesiyle elde edilmiştir²¹.

Şekil 2. CAR yapısal organizasyonu¹⁷. scFV, bir bağlayıcı ve bir aralayıcı / menteşe bölgesi, bir transmembran alanı ve CD3Z ve kostimülatör alanları sayan bir hücre içi T hücresi sinyal endodomain dâhil olmak üzere bir monoklonal antikordan türetilmiş hücre dışı MHC’den bağımsız antijen bağlayıcı ektodomaini kapsamaktadır.

CAR-T Hücrelerinin İşlevsel Mekanizmaları

CAR-T hücre tedavisi için hedef antijen seçimi belirleyici konumdadır. CAR, aynı kökenli antijeni oluşturan hücreden bağımsız olarak, T hücresi sitotoksisitesini antijeni sunan hücrenin türünden bağımsız olarak aynı kökende olan antijeni ile bir araya getirmektedir²². Başka bir deyişle, efektif T hücre aktivasyonu için gerekli olan antijen tanıma aşamasını bir sinyal kaskadına dönüştüren CAR’lar, T hücresinin sitotoksik etkisi ile antijen tanıma alanının özgüllüğünü birleştirmektedir²³.

Mekanizma olarak CAR-T hücreleri, T hücrelerinden farklı olarak geliştirilmiş anti-tümör özelliği kazandırılarak oluşturulmaktadır. CAR-T hücrelerinin yardımcı moleküller ile birlikte çalıştığında daha iyi sonuç ortaya koyduğu bildirilmiştir. Örneğin; STAT5 sinyal yolağı ile çalışıldığında CAR-T hücrelerinin daha uzun etki süresine sahip olduğu ve tümöre etkisinin daha etkin olduğu keşfedilmiştir. CAR-T hücreleri sinyal molekülleri haricinde proteinler, karbonhidratlar ve glikolipidler gibi yapıların antijenlerini de tanımlayabilmektedir²⁴.

Otolog ve Allojenik CAR-T Hücre Tedavileri

CAR-T hücre tedavisi için kullanılan iki tip yaklaşımdan birincisi otolog (hastadan türetilmiş) CAR-T hücre tedavisidir. Bu tedavi tipi ile şimdiye kadar tedavisi mümkün olmayan, nükseden veya refrakter ALL, nükseden ya da refrakter diffüz büyük B hücreli lenfoma ve primer mediastinal büyük B hücreli lenfoma kanser tiplerinin tedavisinin yapılabileceği düşünülmüştür²⁵. Otolog CAR-T hücre tedavisi her ne kadar kanser için bir ışık tutsa da belirli dezavantajları bulunmaktadır. T hücrelerinin toplanması, her hasta için genetik olarak uygun ürünün üretilmesi ve tam salım testi gerektirdiğinden süreci uzatmakta ve maliyeti artırmaktadır. Bu sebeplerden dolayı tedavinin başarı oranını düşmektedir²⁶.

İkinci bir tedavi tipi olan allojenik (donör kaynaklı) CAR-T hücre tedavisi, otolog CAR-T hücre tedavisine oranla çok daha avantajlı bir yöntemdir. Daha avantajlı olmasının ilk sebebi; T hücrelerinin birden fazla anti-lösemi tedavisine maruz kalmamasından dolayı ex vivo manipülasyonu için daha uygun ve toleranslı olmasıdır. İkinci sebep ise hücreler önceden tedarik edilerek hazırlandığından zaman problemi yaşanmamasıdır. Üçüncü sebebi ise kontaminasyon riski bulunmamasıdır. Son sebebi ise ekonomik açıdan kullanımı oldukça uygun olmasıdır²⁷. Bu sebeplerden dolayı allojenik CAR-T hücre tedavi etkinliğinin daha fazla olduğu kanıtlanmıştır ve umut vadeden bir tedavi yöntemi olmuştur²⁸.

Kimerik antijen reseptörleri (CAR) ile T hücrelerinin modifiye edilmesi sonucu oluşmakta olan CAR-T hücre tedavisi, kanser tedavileri için oldukça umut vadeden yeni bir tekniktir.   2017 yılında ilk defa FDA’den onay alan tedaviden çocuk ve yetişkin vakalarda olumlu sonuçlar elde edilmiştir; ancak hala süregelen teknik bazı kısıtlamaları bulunmaktadır. Gelişmiş hücresel üretim tekniklerinin, yeni hücresel mühendislik yaklaşımlarının, hassas genom düzenleme teknolojilerinin ve kombinasyon terapi stratejilerinin ortaya çıkmasıyla birlikte, CAR T hücrelerinin yakında kullanıma hazır, uygun maliyetli ve potansiyel olarak iyileştirici bir insan tedavisi haline geleceği düşünülmektedir.

Yazar: Elif Nur Özcan

Editör: Elif Duymaz

Referanslar:

1. Sterner, R. C., & Sterner, R. M. (2021). CAR-T cell therapy: current limitations and potential strategies. Blood Cancer Journal 2021 11:4, 11(4), 1–11. https://doi.org/10.1038/s41408-021-00459-7
2. Li, R., Ma, C., Cai, H., Chen, W., Li, R., Ma, C., Chen, W., & Cai, H. (2020). The CAR T-Cell Mechanoimmunology at a Glance. Advanced Science, 7(24), 2002628. https://doi.org/10.1002/ADVS.202002628
3. Brown, C. E., & Mackall, C. L. (2019). CAR T cell therapy: inroads to response and resistance. Nature Reviews Immunology 2019 19:2, 19(2), 73–74. https://doi.org/10.1038/s41577-018-0119-y
4. Abate-Daga, D., & Davila, M. L. (2016). CAR models: Next-generation CAR modifications for enhanced T-cell function. Molecular Therapy – Oncolytics, 3, 16014. https://doi.org/10.1038/mto.2016.14
5. Mohanty, R., Chowdhury, C. R., Arega, S., Sen, P., Ganguly, P., & Ganguly, N. (2019). CAR T cell therapy: A new era for cancer treatment (Review). Oncology reports, 42(6), 2183–2195. https://doi.org/10.3892/or.2019.7335
6. Poorebrahim, M., Melief, J., Pico de Coaña, Y., L. Wickström, S., Cid-Arregui, A., & Kiessling, R. (2021). Counteracting CAR T cell dysfunction. Oncogene 2020 40:2, 40(2), 421–435. https://doi.org/10.1038/s41388-020-01501-x
7. Ma, S., Li, X., Wang, X., Cheng, L., Li, Z., Zhang, C., Ye, Z., & Qian, Q. (2019). Current progress in car-t cell therapy for solid tumors. International Journal of Biological Sciences, 15(12), 2548–2560. https://doi.org/10.7150/IJBS.34213
8. Huang, R., Li, X., He, Y., Zhu, W., Gao, L., Liu, Y., Gao, L., Wen, Q., Zhong, J. F., Zhang, C., & Zhang, X. (2020). Recent advances in CAR-T cell engineering. Journal of hematology & oncology, 13(1), 86. https://doi.org/10.1186/s13045-020-00910-5
9. Shah, N. N., & Fry, T. J. (2019). Mechanisms of resistance to CAR T cell therapy. Nature Reviews Clinical Oncology 2019 16:6, 16(6), 372–385. https://doi.org/10.1038/s41571-019-0184-6
10. Kuwana, Y., Asakura, Y., Utsunomiya, N., Nakanishi, M., Arata, Y., Itoh, S., Nagase, F., & Kurosawa, Y. (1987). Expression of chimeric receptor composed of immunoglobulin-derived V resions and T-cell receptor-derived C regions. Biochemical and Biophysical Research Communications, 149(3), 960–968. https://doi.org/10.1016/0006-291X(87)90502-X
11. Gross, G., Waks, T., & Eshhar, Z. (1989). Expression of immunoglobulin-T-cell receptor chimeric molecules as functional receptors with antibody-type specificity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 86(24), 10024–10028. https://doi.org/10.1073/PNAS.86.24.10024
12. Hwang, J. R., Byeon, Y., Kim, D., & Park, S. G. (2020). Recent insights of T cell receptor-mediated signaling pathways for T cell activation and development. Experimental & Molecular Medicine 2020 52:5, 52(5), 750–761. https://doi.org/10.1038/s12276-020-0435-8
13. Tokarew, N., Ogonek, J., Endres, S., von Bergwelt-Baildon, M., & Kobold, S. (2018). Teaching an old dog new tricks: next-generation CAR T cells. British Journal of Cancer 2018 120:1, 120(1), 26–37. https://doi.org/10.1038/s41416-018-0325-1
14. Hong, M., Clubb, J. D., & Chen, Y. Y. (2020). Engineering CAR-T Cells for Next-Generation Cancer Therapy. Cancer Cell, 38(4), 473–488. https://doi.org/10.1016/J.CCELL.2020.07.005
15. Roselli, E., Faramand, R., & Davila, M. L. (2021). Insight into next-generation CAR therapeutics: designing CAR T cells to improve clinical outcomes. The Journal of Clinical Investigation, 131(2). https://doi.org/10.1172/JCI142030
16. Marofi, F., Motavalli, R., Safonov, V. A., Thangavelu, L., Yumashev, A. V., Alexander, M., Shomali, N., Chartrand, M. S., Pathak, Y., Jarahian, M., Izadi, S., Hassanzadeh, A., Shirafkan, N., Tahmasebi, S., & Khiavi, F. M. (2021). CAR T cells in solid tumors: challenges and opportunities. Stem Cell Research & Therapy 2021 12:1, 12(1), 1–16. https://doi.org/10.1186/S13287-020-02128-1
17. Sheykhhasan, M., Manoochehri, H., & Dama, P. (2022). Use of CAR T-cell for acute lymphoblastic leukemia (ALL) treatment: a review study. Cancer Gene Therapy 2021 29:8, 29(8), 1080–1096. https://doi.org/10.1038/s41417-021-00418-1
18. Zhang, C., Liu, J., Zhong, J. F., & Zhang, X. (2017). Engineering CAR-T cells. Biomarker Research, 5(1). https://doi.org/10.1186/S40364-017-0102-Y
19. Subklewe, M., Von Bergwelt-Baildon, M., & Humpe, A. (2019). Chimeric Antigen Receptor T Cells: A Race to Revolutionize Cancer Therapy. Transfusion Medicine and Hemotherapy, 46(1), 15. https://doi.org/10.1159/000496870
20. Perica, K., Curran, K. J., Brentjens, R. J., & Giralt, S. A. (2018). Building a CAR Garage: Preparing for the delivery of commercial CAR T products at Memorial Sloan Kettering Cancer Center. Biology of Blood and Marrow Transplantation : Journal of the American Society for Blood and Marrow Transplantation, 24(6), 1135. https://doi.org/10.1016/J.BBMT.2018.02.018
21. Tian, Y., Li, Y., Shao, Y., & Zhang, Y. (2020). Gene modification strategies for next-generation CAR T cells against solid cancers. Journal of Hematology & Oncology, 13(1). https://doi.org/10.1186/S13045-020-00890-6
22. Hou, A. J., Chen, L. C., & Chen, Y. Y. (2021). Navigating CAR-T cells through the solid-tumour microenvironment. Nature Reviews Drug Discovery 2021 20:7, 20(7), 531–550. https://doi.org/10.1038/s41573-021-00189-2
23. Labanieh, L., Majzner, R. G., & Mackall, C. L. (2018). Programming CAR-T cells to kill cancer. Nature Biomedical Engineering 2018 2:6, 2(6), 377–391. https://doi.org/10.1038/s41551-018-0235-9
24. Shademan, B., Karamad, V., Nourazarian, A., & Avcı, C. B. (2022). CAR T Cells: Cancer Cell Surface Receptors Are the Target for Cancer Therapy. Advanced Pharmaceutical Bulletin, 12(3), 476. https://doi.org/10.34172/APB.2022.051
25. Depil, S., Duchateau, P., Grupp, S. A., Mufti, G., & Poirot, L. (2020). ‘Off-the-shelf’ allogeneic CAR T cells: development and challenges. Nature Reviews Drug Discovery 2020 19:3, 19(3), 185–199. https://doi.org/10.1038/s41573-019-0051-2
26. DiNofia, A. M., & Grupp, S. A. (2021). Will allogeneic CAR T cells for CD19+ malignancies take autologous CAR T cells ‘off the shelf’? Nature Reviews Clinical Oncology 2021 18:4, 18(4), 195–196. https://doi.org/10.1038/s41571-021-00485-1
27. Qasim, W. (2019). Allogeneic CAR T cell therapies for leukemia. American Journal of Hematology, 94(S1), S50–S54. https://doi.org/10.1002/AJH.25399
28. Kim, D. W., & Cho, J. Y. (2020). Recent Advances in Allogeneic CAR-T Cells. Biomolecules 2020, Vol. 10, Page 263, 10(2), 263. https://doi.org/10.3390/BIOM10020263

BIOINFORANGE