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·「面對新的適應證和靶點，哪種CAR-T的設計具有最佳療效，只有上了臨床才知道。但人工智慧可以在上臨床之前先告訴你，這個設計是不是在最優的細胞活性區間內，如果不是，AI會給出最佳化方案。」
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上海科技大學等團隊開發出人工智慧工具CAR-Toner，可輔助CAR-T細胞的設計與最佳化。視訊來源：復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院(02:15)
上海科技大學生命科學與技術學院長聘副教授王皞鵬實驗室聯合劉雪松團隊和復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院吳海濤及陳健團隊開發出一款人工智慧（AI）工具，名為CAR-Toner。只要在該平台上輸入CAR的蛋白序列，就可以得到衡量CAR-T細胞活性的評分（PCP），它還可以進一步提供最佳化CAR-T設計的方案。
相關論文於2024年2月14日線上發表於【細胞研究】（Cell Research）。研究人員在論文中表示，這種創新工具將推動CAR-T設計領域邁向人工智慧時代。
「CAR-T的治療能力已經遠遠超出腫瘤這一個適應證，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。面對新的適應證和靶點，哪種CAR-T的設計具有最佳療效，只有上了臨床才知道。但人工智慧可以在上臨床之前先告訴你，這個設計是不是在最優的PCP區間內，如果不是，AI會給出最佳化方案，節省很多時間和成本。」王皞鵬近日接受澎湃科技專訪時說。
CAR-T是「嵌合抗原受體T細胞免疫療法」，英文全稱為Chimeric Antigen Receptor T-Cell Immunotherapy。T細胞也叫T淋巴細胞，源於骨髓造血幹細胞，發揮免疫功能。它就像人體內的「戰士」，能夠抵禦腫瘤等「敵人」。嵌合抗原受體（CAR）是一種「定位導航裝置」，研究人員在實驗室將T細胞啟用，並為其裝上CAR，它就成為CAR-T細胞，變成「超級戰士」，可以辨識「敵人」並高效殺死它們。
在CAR-T設計中引入人工智慧
王皞鵬實驗室一直致力於破除臨床上的共同瓶頸：CAR-T細胞存續時間不夠長、CAR-T細胞耗竭。CAR-T細胞存續時間是指CAR-T細胞輸入患者體後，在患者體記憶體活的時間；CAR-T細胞耗竭是指T細胞不停地重復辨識抗原、殺死腫瘤的動作，最後進入耗竭狀態。兩者最後都會導致CAR-T細胞喪失功能。
基底訊號（Tonic signaling）是影響CAR-T細胞活性的重要因素。在沒有腫瘤抗原刺激的情況下，CAR-T細胞也會釋放微弱的但持續不斷的訊號，這種訊號就是基底訊號，它可以讓CAR-T細胞在體記憶體活更長時間。
在2023年3月8日以封面文章形式發表於【細胞研究】（Cell Research）的一項研究中，王皞鵬團隊發現基底訊號的強度和CAR-T細胞在體內的功能之間的關系呈山峰狀分布。「如果基底訊號太弱，就不能支撐CAR-T細胞在體記憶體續很長時間，如果基底訊號太強，就會刺激CAR-T細胞進入耗竭狀態。」王皞鵬解釋說。
在這篇文章中，他們還找到了決定基底訊號強弱的關鍵因素——CAR表面靜電荷分布的不均勻性。正電荷越聚集，基底訊號越容易產生。經計算，他們發現CAR胞外區域表面帶正電荷的斑塊和基底訊號的強度呈線性關系。由此，他們開發出PCP評分量表，代表基底訊號的強度。
文章釋出後，王皞鵬團隊收到來自世界各地的信件，咨詢或找他們合作計算PCP。由於時間和精力有限，他們分析了來訪者不能參照文章進行計算的原因：從演算法本身來說，學習整個過程大約需要一周；計算過程需要用到兩個外部伺服器，其中一個伺服器容量比較小，在他們的文章發表後，由於過量點選，不時崩壞。
於是他們想到人工智慧。在谷歌DeepMind開發的蛋白質結構預測模型AlphaFold和Facebook開發的ESM2蛋白質語言模型的基礎上，他們設計出了CAR-Toner。它有三個功能：一是輸入CAR的序列，計算輸出PCP的值；二是指導CAR的設計，告訴使用者在哪些位點做突變可以達到最優的PCP值；三是同時計算多種CAR的PCP值，告訴使用者哪個CAR最好。
「只需要點一個按鈕，它就能計算出PCP，再點一下按鈕，它就能告訴你哪些突變可以升降PCP，這是一個非常有想象力的套用。」王皞鵬說，「全世界的基礎科研工作者都可以免費使用這個工具。」
為驗證CAR-Toner在CAR-T設計中的潛力，王皞鵬團隊改造了一個CAR，將其調整到最優PCP區間。
通常，四種型別的抗體和抗體替代品被用作CAR的抗原結合域，分別為：單鏈抗體（single chain fragment variable，scFv），源於駝類的奈米抗體VHH（Variable domain of Heavy chain of Heavy-chain antibody），源於鯊魚的奈米抗體VNAR（Single domain shark variable domain of
new antigen receptor），和源於七鰓鰻的VLR（variable lymphocyte receptor）。
王皞鵬團隊利用CAR-Toner比較了它們的PCP特征。分析結果表明，基於VHH的CAR在最佳PCP範圍內的比例最高。「如果此刻要新開一家CAR-T公司，我建議大家用來自駝類的抗體序列做CAR-T。」王皞鵬說。
當下的CAR-Toner仍然存在一些問題。「我們現在可以透過人工智慧工具找到升降PCP的策略，但升降PCP之後可能會產生副作用，人工智慧無法解決，依然需要在實驗室中驗證PCP的最佳化方案。所以我們的設想是讓人工智慧提供多個方案，如果在實驗室中表達出CAR後，排除其中不能穩定地在細胞上表達、或者不具備高親和力的方案，優選最佳的方案。」王皞鵬說道。
未來，王皞鵬實驗室正在設計全流程人工智慧平台，只要告訴它一個想靶向的抗原，無論是腫瘤抗原、衰老抗原還是感染抗原，它可以直接給出最佳化好的CAR-T的設計，生產出來即可用於治療。
FDA黑框警告影響幾何
最近，美國食品藥品監督管理局（FDA）要求美國所有六款已上市的CAR-T產品增加會引發T細胞癌癥風險的黑框警告，在行業內引發波瀾。
王皞鵬也關註到這件事。當地時間2024年1月24日，FDA生物制品評價與研究中心（CBER）主任Peter Marks和高級官員Nicole Verdun在【新英格蘭醫學雜誌】（NEJM）發文指出，CAR-T產品和繼發性T細胞癌癥之間可能存在因果關系。「這是很嚴重的，」王皞鵬說，「這個觀點出現後，學術界會探索方法去解決，產業界中有一部份人會積極改進。」
目前使用最多的CAR-T細胞的構建方法主要包括三類：以逆轉錄病毒和慢病毒為代表的病毒載體、轉座子系統和mRNA介導的非病毒載體以及基於基因編輯的定點插入技術。兩位FDA官員在前述文章中指出，目前這一代逆轉錄病毒載體仍存在透過基因組整合或其他機制導致癌癥的可能性。例如，慢病毒載體會將自身基因組插入整合到宿主細胞基因組中，如果其插入位點在與癌癥相關的DNA序列附近時，就可能導致癌癥。
「短期來看，對於原先使用非病毒載體的人來說，他們可以用這個邏輯提高自己的產品壁壘；而對於原先使用病毒載體的人來說，他們會積極行動，從邏輯上規避繼發性T細胞癌癥的發生。一種改進的方式就是利用基因編輯技術在基因組的安全位點精確插入CAR基因序列。」王皞鵬告訴澎湃科技。
參考資料：https://www.nature.com/articles/s41422-024-00936-1
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