T细胞在人体抗击肿瘤过程中至关重要，而CAR-T（嵌合抗原受体T）细胞，即被基因工程改造的T细胞，具有针对癌细胞的定向特异性，是一种很有前景的治疗癌症的方法。对白血病和淋巴瘤细胞具有强大的杀伤作用，近年来发展迅猛、方兴未艾。
然而，CAR-T疗法的毒副作用也不容忽视。CAR-T在识别和杀伤肿瘤细胞时，是通过肿瘤细胞表面的抗原进行识别的，比如CD19CAR-T在治疗急性B淋巴细胞白血病的过程中，CAR-T细胞通过识别肿瘤细胞表面的CD19抗原而杀伤肿瘤。
但是，正常的B细胞表面也表达CD19抗原，导致CAR-T细胞在杀伤肿瘤细胞的同时也杀伤了正常细胞。因此对CAR-T细胞进行高精度控制，使其杀伤癌细胞的同时减少对正常细胞的伤害是CAR-T疗法改进的重要方向。
超声波可以将机械能安全、无创地输送到身体表面数十厘米以下的部位。聚焦超声波（FUS）的快速振荡压力以及由此产生的机械能可使生物组织的局部发热。在磁共振成像（MRI）测温技术的帮助下，FUS已在临床上被广泛应用于消融肿瘤和控制药物释放、血管舒张、神经调节和转基因表达等方面。然而，目前尚缺乏利用FUS在体内控制哺乳动物细胞功能的通用方法。
研究内容
热诱导T细胞中的CD19CAR表达
研究团队首先构建了一个包含热休克蛋白（Hsp）启动子的eGFP报告载体，这种载体在热诱导（43℃）下持续稳定表达eGFP。为了将短暂的热刺激转化为持续的基因激活和细胞功能以发挥治疗作用，研究团队将Cre–lox基因开关整合到热诱导系统中，以在加热条件下表达针对CD19阳性肿瘤细胞的嵌合抗原受体（CD19CAR）。
接下来他们研究了热诱导表达的CD19CAR在细胞中的功能。将热诱导工程化Jurkat细胞（即热诱导的CD19CAR-T细胞）与表达CD19的Nalm-6肿瘤细胞共培养24小时，他们发现加热诱导了T细胞的早期活化。细胞毒性试验显示热诱导T细胞的肿瘤细胞毒性随着E:T（effector-to-target）比率的增加而增加，证实了热诱导的CAR-T细胞获得了杀伤癌细胞的能力。
磁共振引导的聚焦超声波诱导基因激活
MRI引导的FUS能够在局部区域范围内传递热能，研究团队将FUS系统与7T磁共振技术结合，用慢病毒双荧光素酶报告基因转染Nalm-6细胞，并将细胞嵌入一定深度的模具中。通过调整超声波焦距，将超声波聚焦在嵌入的细胞上。三次5分钟的FUS刺激脉冲可显著诱导基因表达，诱导水平与使用具有相同加热模式的热循环器的阳性对照相当，表明该方法可以高效地声学控制工程细胞中的基因激活。
接着，他们使用MRI引导的FUS控制体内的局部温度，并在小鼠体内使用Nalm-6细胞和双荧光素酶报告基因判断FUS诱导的基因激活。结果显示，仅用两次5分钟FUS刺激即可在注射细胞中观察到显著的基因诱导表达。
聚焦超声波诱导CAR-T细胞在体内的肿瘤细胞毒性
为了在体内测试FUS诱导型CART（FUS-CAR-T）细胞的肿瘤细胞毒性，研究团队将工程化CD19CAR-T细胞注射进患前列腺癌或淋巴癌小鼠皮下的两侧肿瘤位置，然后在43°C条件下对左侧肿瘤进行FUS刺激。
结果表明，与右侧肿瘤相比，左侧肿瘤的生长明显受到抑制；同时，FUS治疗的肿瘤中CARmRNA表达显著升高，证明了FUS诱导了CAR-T细胞的产生和CAR-T细胞在体内的肿瘤细胞毒性。
FUS-CAR-T细胞治疗的安全性
研究团队采用上述双侧肿瘤模型，局部注射相同数量的标准CD19CAR-T或FUS诱导型CD19CAR-T细胞治疗近端肿瘤，远端肿瘤用于模拟表达靶抗原的正常组织。标准CAR-T细胞消除了近端肿瘤，但同时还攻击了模拟正常组织的远端肿瘤。而FUS-CAR-T细胞显著抑制近端肿瘤的生长，但对远端肿瘤没有影响。
标准CAR-T细胞对近端和远端肿瘤的细胞毒性分别为100%和99.8%；FUS-CAR-T细胞对近端肿瘤的有效性为95.7%，而对远端肿瘤的有效性仅为9.8%。这些结果表明，FUS-CAR-T细胞治疗更安全，与标准的CAR-T细胞治疗相比，靶向肿瘤外的细胞毒性显著降低。
开发一种临床相容性和可逆性的FUS-CAR-T细胞
为了在该技术中尽量减少使用外源性成分以获得更高的临床相容性，研究团队进一步设计了一种FUS-CAR-T细胞，其中CAR表达由Hsp（Hsp-CAR）直接驱动，没有Cre–lox开关。
在第一轮热诱导（43°C,15分钟）后6小时，43.9%的Hsp-CAR-T细胞表达CAR，在12小时的时候下降到10.5%，并在24小时后恢复到与未处理对照组相当的基础水平。当进行第二轮热诱导时，平均44.2%的细胞表达CAR表达，随后出现相同的降解动力学，表明Hsp-CAR系统的可逆性质。
双侧肿瘤模型治疗实验显示，与远端肿瘤相比，近端肿瘤的生长被显著抑制，表明可逆性FUS-CAR-T细胞具有足够的杀伤肿瘤的疗效和较小的副作用。这些结果证明了Hsp驱动的FUS-CAR-T细胞的可逆性、有效性和安全性，并且最大限度地减少了未经临床试验的外源性成分的使用。
总的来说，这项工作介绍了一种新的癌症免疫疗法--将超声波与经过特殊设计的CAR-T细胞相结合，以杀伤恶性肿瘤，同时减少对正常组织的伤害。
这项工作解决了癌症免疫治疗领域的一个长期问题：如何使CAR-T细胞疗法安全有效地治疗实体瘤。声遗传学控制将有助于设计更安全的细胞疗法。
利用远程细胞控制和基因传递技术，科学家们正在开发远程调节CAR-T细胞生物学功能的技术。其中的一项技术--光遗传学，能够对体内的细胞和分子功能加以控制。
2020年，王英晓团队在ScienceAdvances上发表了题为Engineeringlight-controllableCARTcellsforcancerimmunotherapy的论文，首次开发了一种光诱导核易位和二聚化(LINTAD)系统，用于基因调控以控制CART细胞的激活。然而，这种光遗传学存在一定局限性，它只能在数毫米的范围内发挥作用，难以抵达深层组织。
本次新研究联合声遗传学和CAR-T疗法成功杀死了光遗传学无法触及的深部肿瘤细胞，加之MRI定位和热诱导，使得临床医生可以精准控制CAR-T的局部激活，在一定程度上保证了肿瘤治疗的安全性。
End
参考资料：
[1]NatBiomedEng.2021Aug12.doi:10.1038/s41551-021-00779-w.
[2]SciAdv.2020Feb19;6(8):eaay9209.doi:10.1126/sciadv.aay9209.
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