追問｜上科大團隊開發人工智能平臺，輔助CAR-T設計與優化
·“面對新的適應證和靶點，哪種CAR-T的設計具有最佳療效，只有上了臨牀才知道。但人工智能可以在上臨牀之前先告訴你，這個設計是不是在最優的細胞活性區間內，如果不是，AI會給出優化方案。”
上海科技大學等團隊開發出人工智能工具CAR-Toner，可輔助CAR-T細胞的設計與優化。視頻來源：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能（AI）工具，名爲CAR-Toner。只要在該平臺上輸入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優化CAR-T設計的方案。
相關論文於2024年2月14日在線發表於《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能時代。
“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，只有上了臨牀才知道。但人工智能可以在上臨牀之前先告訴你，這個設計是不是在最優的PCP區間內，如果不是，AI會給出優化方案，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”，英文全稱爲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細胞激活，併爲其裝上CAR，它就成爲CAR-T細胞，變成“超級戰士”，可以識別“敵人”並高效殺死它們。
在CAR-T設計中引入人工智能
王皞鵬實驗室一直致力於破除臨牀上的共同瓶頸：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，在患者體內存活的時間；CAR-T細胞耗竭是指T細胞不停地重複識別抗原、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。
基底信號（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信號，這種信號就是基底信號，它可以讓CAR-T細胞在體內存活更長時間。
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信號的強度和CAR-T細胞在體內的功能之間的關係呈山峰狀分佈。“如果基底信號太弱，就不能支撐CAR-T細胞在體內存續很長時間，如果基底信號太強，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信號強弱的關鍵因素——CAR表面靜電荷分佈的不均勻性。正電荷越聚集，基底信號越容易產生。經計算，他們發現CAR胞外區域表面帶正電荷的斑塊和基底信號的強度呈線性關係。由此，他們開發出PCP評分量表，代表基底信號的強度。
文章發佈後，王皞鵬團隊收到來自世界各地的郵件，諮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：從算法本身來說，學習整個過程大約需要一週；計算過程需要用到兩個外部服務器，其中一個服務器容量比較小，在他們的文章發表後，由於過量點擊，不時崩壞。
於是他們想到人工智能。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應用。”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。”
爲驗證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，四種類型的抗體和抗體替代品被用作CAR的抗原結合域，分別爲：單鏈抗體（single chain fragment variable，scFv），源於駝類的納米抗體VHH（Variable domain of Heavy chain of Heavy-chain antibody），源於鯊魚的納米抗體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特徵。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。“我們現在可以通過人工智能工具找到升降PCP的策略，但升降PCP之後可能會產生副作用，人工智能無法解決，依然需要在實驗室中驗證PCP的優化方案。所以我們的設想是讓人工智能提供多個方案，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能平臺，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，它可以直接給出優化好的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細胞癌症風險的黑框警告，在行業內引發波瀾。
王皞鵬也關注到這件事。當地時間2024年1月24日，FDA生物製品評價與研究中心（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細胞癌症之間可能存在因果關係。“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，產業界中有一部分人會積極改進。”
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爲代表的病毒載體、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通過基因組整合或其他機制導致癌症的可能性。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症相關的DNA序列附近時，就可能導致癌症。
“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細胞癌症的發生。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