Nature Biotechnology | 免疫治疗新突破：如何精准锁定病变细胞？

生物探索

2024-12-29 15:30发布于江苏科学领域创作者

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划重点

01Nature Biotechnology报道了一种名为TRACeR-I的全新技术平台，旨在精准识别和杀伤病变细胞。

02TRACeR-I通过创新的结构设计实现了对抗原的全面覆盖，具有广泛的适配性。

03除此之外，TRACeR-I在多种临床相关抗原和HLA亚型中表现出普适性。

04目前，TRACeR-I在病毒和肿瘤治疗领域展现出巨大的潜力。

05未来，TRACeR-I有望进一步扩展至更广泛的免疫治疗形式。

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引言

近年来，免疫治疗作为治疗癌症、感染性疾病以及自身免疫疾病的一种新兴策略，展现了巨大的潜力。然而，其核心挑战在于如何实现对病变细胞的精准识别和杀伤。传统的免疫疗法多依赖于单一靶点，如肿瘤表面特异性抗原，但这种方法易导致靶点突变或逃逸，使治疗效果大打折扣。同时，很多疾病相关的抗原其实来源于细胞内蛋白，这些抗原通过细胞内降解途径生成短肽片段，并呈递在I类主要组织相容性复合体（MHC I）分子上。然而，由于这些抗原的多样性及其与不同HLA亚型的复杂关联，针对MHC I-抗原复合体（pMHC I）进行精准识别一直是一项技术难题。
为了解决上述问题，12月13日 Nature Biotechnology的研究报道“Targeting peptide antigens using a multiallelic MHC I-binding system”，研究团队开发了一种名为TRACeR-I（Targeted Recognition of Antigen–MHC Complex Reporter for MHC I）的全新技术平台。这一平台能够以高度特异的方式结合MHC I分子上呈递的肽抗原，克服了传统T细胞受体（TCR）在特异性和多样性上的限制。TRACeR-I不仅通过创新的结构设计实现了对抗原的全面覆盖，还展示了其在多种临床相关抗原和HLA亚型中的普适性。研究进一步表明，基于TRACeR-I技术的双特异性T细胞接合器（BiTE）和嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）能够在纳摩尔浓度范围内实现高效且精准的靶向肿瘤杀伤。
这项技术的诞生为癌症和其他复杂疾病的精准免疫治疗提供了一种全新路径，同时也为基础研究和诊断技术开辟了新的方向。

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破解免疫治疗的瓶颈：精准识别病变细胞的新希望
免疫治疗被誉为“重新激活身体自身防御系统”的革命性手段，但其成效往往因病变细胞的复杂性和免疫系统的局限性而受阻。当前，癌症和感染性疾病的治疗策略主要依赖于靶向表面抗原的单克隆抗体（monoclonal antibody, mAb）。然而，细胞表面特异性抗原的数量非常有限，导致靶点选择困难。同时，这些抗原在治疗压力下易发生突变，从而使病变细胞“逃出生天”，显著降低治疗效果。
相比之下，病变细胞中积累的异常蛋白以及病原体感染细胞表达的外源性蛋白，为免疫治疗提供了更为丰富的靶标来源。这些蛋白在细胞内经过降解后，通过I类主要组织相容性复合体（MHC I）呈递到细胞表面，为T细胞和适应性免疫提供监控依据。然而，这一自然免疫机制的复杂性也对研究人员提出了挑战：MHC I分子高度多态性（超过38,000种已知HLA亚型）使得传统T细胞受体（TCR）的特异性设计变得异常困难。TCR固有的多反应性（polyspecificity）虽然支持了免疫系统对多种抗原的广泛识别，但在治疗应用中，这种“宽容性”却可能导致脱靶作用和免疫副反应。
研究人员长期以来尝试通过工程化改造TCR或抗体来解决上述问题，但这些方法通常依赖反复筛选和复杂优化，效率低且成本高。此外，TCR只能与MHC I复合体的部分关键位点结合，难以实现全肽覆盖，进一步限制了其靶向能力。如何克服这些技术瓶颈，成为免疫治疗领域的核心难题。

什么是TRACeR-I：免疫科技的“精密仪器”
TRACeR-I（Targeted Recognition of Antigen–MHC Complex Reporter for MHC I）是一种专为精准靶向MHC I-抗原复合体（pMHC I）而设计的创新平台。它是免疫科技的“精密仪器”，不仅能够解决传统免疫治疗在靶向特异性和多样性上的局限，还在抗原识别机制上实现了革命性的突破。
TRACeR-I的核心在于其设计的特异性和普适性。与传统T细胞受体（TCR）不同，TRACeR-I通过独特的结构优化实现了对整个肽抗原序列的全面覆盖，克服了TCR只能识别部分关键位点的限制。研究团队通过晶体学分析发现，TRACeR-I能够与MHC I上的抗原肽形成广泛而精准的接触，甚至在单一残基层面上实现特异性识别。这种结合模式不仅提高了靶向准确性，还显著降低了因多态性HLA亚型而导致的识别障碍。
此外，TRACeR-I的开发引入了计算建模与高通量筛选相结合的工程化流程。从初始结构设计到结合界面优化，研究人员利用了Rosetta建模套件和酵母表面展示技术，仅用数天便筛选出能够高效结合多种MHC I表位的候选分子。实验验证显示，TRACeR-I对多种临床相关抗原（如癌症抗原NY-ESO-1、Epstein-Barr病毒抗原等）均能展现出高亲和力和高特异性，结合强度可达纳摩尔级（nM）。
TRACeR-I的另一项创新在于其模块化设计，赋予了该平台广泛的应用潜力。从双特异性T细胞接合器（BiTE）到嵌合抗原受体T细胞（CAR-T），TRACeR-I在多个治疗模型中均展现出卓越表现，为未来个性化免疫疗法和靶向诊断技术提供了坚实基础。

如何设计精准的“靶向导弹”：TRACeR-I的技术原理
TRACeR-I之所以被誉为“靶向导弹”，在于其巧妙的设计能够精准识别并结合特定的MHC I-抗原复合体（pMHC I）。这种精确性源自其独特的结构优化和高效的功能实现。
TRACeR-I的核心结构是一个经过工程化设计的蛋白质平台，其基础设计灵感来自此前用于MHC II分子识别的TRACeR-II平台。然而，MHC I与MHC II分子在肽抗原呈递方式上存在显著差异：MHC I分子上的抗原肽通常呈现出凸起的弓形结构，而MHC II分子上的抗原肽更为平坦。为了适配MHC I独特的抗原构型，研究团队将TRACeR-II的结构重新设计，打造出一个具有凹形抗原识别界面的蛋白质平台，使其能够像“抓钩”一样牢牢抓住MHC I-抗原复合体。
在这一设计中，TRACeR-I的关键识别元件是被称为抗原识别元件（Antigen Recognition Element, ARE）的灵活环结构。通过高通量突变和筛选，研究团队优化了ARE区域内的特定氨基酸序列，使其能够与多种抗原肽形成高特异性的相互作用。同时，通过使用计算建模工具（如RifDock和Rosetta），研究人员进一步优化了TRACeR-I的结合界面，确保其不仅能够与MHC I的多态性位点适配，还能识别抗原肽的关键残基。
值得注意的是，TRACeR-I通过结合界面的广泛接触，达到了对抗原肽全长的识别。这一特点在实验中得到了验证：无论是肿瘤相关抗原NY-ESO-1，还是病毒来源抗原（如SARS-CoV-2和Epstein-Barr病毒的抗原肽），TRACeR-I均表现出高亲和力和特异性。此外，TRACeR-I能够灵活适配不同的HLA亚型，例如HLA-A02:01和HLA-B08:01，进一步增强了其应用的广泛性。
通过这套巧妙的设计，TRACeR-I在分子层面实现了对病变细胞的精准打击，为免疫治疗中的“靶向导弹”提供了技术上的可能性。
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TRACeR-I平台设计方案（Credit: Nature Biotechnology）

a. TCR和TCR模拟抗体的pMHC结合模式总结
概述了T细胞受体（TCR）及其模拟抗体在结合pMHC（肽-MHC复合体）时的结构特点。图中使用白色带状结构表示TCR，品红色表示抗体，特殊边缘TCR用棕色和紫色表面标注。这些不同的结构揭示了当前TCR结合模式的多样性，为TRACeR-I的开发提供了参考。
b. TRACeR-II平台的基础设计
TRACeR-II平台的设计是TRACeR-I的开发基础，其中灵活的N端环状区域被定义为抗原识别元件（Antigen Recognition Element, ARE）。TRACeR-II的ARE环结构与其支架一起形成了一个凹形表面，用于结合MHC II分子。这种设计为MHC I分子上的类似结构改造提供了灵感。
c. MHC I和MHC II肽构象的对比
对比显示，MHC I和MHC II分子的抗原肽构象和结合模式存在显著差异：MHC I肽呈现凸起的弓形结构，需要TRACeR-I采用平行结合模式；而MHC II肽较为平坦，可与TRACeR-II的垂直结合模式兼容。这种结构上的差异决定了TRACeR-I平台在结合模式上的特殊设计需求。
d. TRACeR-I开发流程
开发过程分为四个步骤：
使用PatchDock和RifDock进行全局对接，生成初步结合模型。
通过RosettaDock和FastDesign优化结合界面，产生结合能低、形状互补性高的候选模型。
将优化序列整合进组合文库（Library 1），通过荧光活化细胞分选（FACS）筛选。
使用Library 2进一步开发特异性TRACeR，用于不同靶标的精准识别。
e. 不同pMHC I靶标的TRACeR滴定曲线
TRACeR在0.1 nM至50 μM范围内与多种pMHC I靶标的结合能力通过滴定曲线显示，结果用中位荧光强度（MFI）表示，技术重复实验（n=3）展现了较低标准差，证明了TRACeR对靶标的高亲和性。
f. TRACeR的结合动力学
通过生物层干涉法（BLI）测定TRACeR的结合动力学，结果表明TRACeR在纳摩尔范围内的高结合亲和力和优异的拟合质量。

TRACeR-I的“绝佳表现”：广泛适配HLA亚型
在免疫治疗中，MHC I分子（主要由HLA基因编码）发挥着至关重要的作用。然而，HLA基因的高度多态性使得跨人群开发通用靶向治疗成为一大难题。目前已知的HLA亚型超过38,000种，不同亚型之间的序列差异可能导致免疫治疗药物的识别能力和治疗效果显著下降。TRACeR-I平台以其广泛适配性突破了这一瓶颈，为免疫治疗提供了一种前所未有的普适性解决方案。
TRACeR-I的适配能力源于其独特的结合模式。通过精细设计，TRACeR-I能够与MHC I分子形成广泛的相互作用，并重点识别抗原肽的关键位点，而不是仅依赖于MHC I分子的多态性位点。这种特性得益于TRACeR-I对HLA α1和α2螺旋的“形状互补”设计。研究团队通过晶体结构解析，发现TRACeR-I的识别界面集中于HLA分子中的保守区域，而这些区域在多种常见HLA亚型中差异极小，从而保证了广泛的适配性。
实验数据进一步验证了这一设计的有效性。在针对不同HLA亚型的测试中，TRACeR-I展示了对HLA-A02:01（如NY-ESO-1抗原肽）和HLA-B08:01（如SARS-CoV-2抗原肽）等多种亚型的高效结合能力，且在抗原肽的识别上表现出极高的特异性和灵敏度。在与50种无关抗原肽的交叉反应测试中，TRACeR-I未显示任何非特异性结合，充分证明其精准性。
此外，TRACeR-I还展现出快速适应不同抗原肽的潜力。研究团队通过高通量筛选和进化优化，仅用数轮筛选便开发出适配多种HLA亚型和抗原肽的结合体。对于跨人群的免疫治疗，这意味着一个单一平台能够覆盖更广泛的遗传背景，从而提升治疗的可及性。

从病毒到肿瘤：TRACeR-I的靶点无限扩展
TRACeR-I的独特设计赋予了它在多种病理模型中的广泛适用性。从病毒感染到癌症，它展现了对不同类型抗原的精准识别能力，并为多种复杂疾病的靶向治疗开辟了新途径。
在病毒感染模型中，TRACeR-I的表现尤为突出。例如，它能够识别SARS-CoV-2（新冠病毒）的膜蛋白抗原肽（HLA-B08:01呈递的HLRIAGHHL）和Epstein-Barr病毒（EBV）相关抗原（HLA-A02:01呈递的CLGGLLTMV）。这些病毒蛋白抗原来自细胞内的外源蛋白，通过MHC I途径呈递到细胞表面，为免疫系统提供识别病变细胞的机会。TRACeR-I通过其高度特异的结合模式，实现了对这些抗原的精准识别，同时避免了与其他MHC I复合体的交叉反应。在实验中，TRACeR-I对这些病毒抗原的结合亲和力达到纳摩尔级别，为抗病毒免疫治疗提供了强有力的工具。
在肿瘤模型中，TRACeR-I同样展示了卓越的潜力。癌症细胞通过突变积累了大量异常蛋白，这些异常蛋白产生的肽片段通过MHC I分子呈递，形成了独特的肿瘤抗原。例如，TRACeR-I成功靶向了HLA-A*02:01呈递的NY-ESO-1抗原肽（SLLMWITQV），一种广泛存在于多种实体瘤中的癌睾抗原。在体外实验中，TRACeR-I不仅能够精准识别这些肿瘤抗原，还通过与T细胞接合器（BiTE）或嵌合抗原受体（CAR-T）技术结合，成功实现了肿瘤细胞的高效杀伤。
TRACeR-I的强大功能还在于其潜在的靶点扩展能力。研究显示，通过优化抗原识别元件（ARE），TRACeR-I能够快速适应新的抗原靶点。这一特性为未来的个性化治疗方案提供了可能性——无论是对新发病毒的精准防控，还是对多种类型肿瘤的靶向治疗，TRACeR-I都展现出无限潜力。

不仅是“杀手”，更是诊断专家：TRACeR-I的多元用途
除了作为靶向治疗的“精密武器”，TRACeR-I在临床诊断和基础研究中同样展现出不可忽视的潜力。其强大的特异性和广泛的靶标覆盖能力，为疾病筛查和早期诊断提供了创新路径，甚至可以揭示传统方法难以发现的病理信息。
在临床诊断领域，TRACeR-I能够识别MHC I分子呈递的特定抗原肽，为精准诊断复杂疾病提供了工具。例如，癌症中存在许多特异性肿瘤抗原，如NY-ESO-1，它在多种实体瘤和血液肿瘤中高度表达。TRACeR-I能够通过与这些抗原复合体的高亲和结合，实现高效检测。这种能力尤其适用于传统影像学手段难以发现的小型肿瘤或隐匿性病灶，为早期发现癌症带来了新的可能。
在感染性疾病诊断中，TRACeR-I也表现出显著优势。例如，针对SARS-CoV-2感染，TRACeR-I能够通过识别病毒特异性抗原肽，准确判断感染状态。这一方法不仅具有高灵敏度，还能够快速适应病毒突变带来的抗原变化，为实时监控病毒传播和突变演化提供了宝贵工具。
在基础研究中，TRACeR-I被证明是一种有效的抗原探针，可用于解析抗原-免疫复合体的分子机制。例如，通过与不同MHC I复合体结合，TRACeR-I能够帮助研究人员绘制更为详尽的抗原呈递图谱，揭示不同免疫环境中的抗原表达特征。此外，其可模块化设计的特点，使得研究人员能够快速生成针对新抗原的TRACeR变体，极大地提高了实验效率。

改变免疫治疗格局的力量
TRACeR-I的出现，为精准免疫治疗注入了新的活力，成为改写这一领域格局的重要力量。它的意义不仅体现在技术创新层面，更在于为复杂疾病的治疗提供了全新的解决方案，同时展现出潜在的广泛影响。
首先，TRACeR-I通过其高度特异性和广泛适配性，克服了传统免疫治疗的核心瓶颈。它能够精确识别MHC I-抗原复合体，覆盖多种HLA亚型和多样化的抗原靶点，为个性化治疗和群体普适性之间架起桥梁。这一特性使得TRACeR-I特别适合于癌症和传染病等高异质性疾病的治疗，为应对肿瘤免疫逃逸和病毒突变提供了更为灵活的策略。
其次，TRACeR-I的开发方法开创了免疫治疗领域的新范式。通过结合计算建模和高通量筛选，研究人员仅用数天时间便完成了从设计到验证的全流程。这种快速、模块化的开发模式，不仅提高了新型免疫治疗工具的研发效率，还为未来多抗原靶向治疗奠定了技术基础。
未来，TRACeR-I的潜力不止于此。随着其在双特异性T细胞接合器（BiTE）和嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）中的成功应用，这一平台有望进一步扩展至更广泛的免疫治疗形式。此外，TRACeR-I在诊断、疾病监测以及基础研究中的应用潜力，也为精准医学的进步提供了支持。例如，利用TRACeR-I精准识别肿瘤特异性抗原，可实现更早期、更灵敏的癌症诊断，为疾病的早期干预赢得宝贵时间。



参考文献


Du H, Mallik L, Hwang D, Sun Y, Kaku C, Hoces D, Sun SM, Ghinnagow R, Carro SD, Phan HAT, Gupta S, Blackson W, Lee H, Choe CA, Dersh D, Liu J, Bell B, Yang H, Papadaki GF, Young MC, Zhou E, El Nesr G, Goli KD, Eisenlohr LC, Minn AJ, Hernandez-Lopez RA, Jardine JG, Sgourakis NG, Huang PS. Targeting peptide antigens using a multiallelic MHC I-binding system. Nat Biotechnol. 2024 Dec 13. doi: 10.1038/s41587-024-02505-8. Epub ahead of print. PMID: 39672954.



责编|探索君
排版|探索君
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