Liệu pháp CAR-NK

Ung thư đang được xem là căn bệnh quái ác nhất của nhân loại bất chấp những tiến bộ đáng kể trong chẩn đoán và điều trị. Các phương pháp điều trị truyền thống như phẫu thuật, hóa trị và xạ trị tuy có hiệu quả nhất định nhưng thường mang lại nhiều tác động tiêu cực và không phải lúc nào cũng cho hiệu quả lâu dài. Trong những thập kỉ gần đây, liệu pháp miễn dịch đã nổi lên như một cuộc cách mạng trong điều trị ung thư. Liệu pháp miễn dịch khai thác sức mạnh hệ miễn dịch của chính bệnh nhân nhằm chống lại ung thư.

Một trong những bước đột phá quan trọng nhất là liệu pháp tế bào T mang thụ thể kháng nguyên dạng khảm (CAR-T). Tế bào T của bệnh nhân được thu thập rồi sửa đổi trong phòng thí nghiệm để chúng có thể nhận diện và tiêu diệt tế bào ung thư một cách đặc hiệu. CAR-T đã đạt được thành công ấn tượng trong điều trị một số loại ung thư máu. Tuy nhiên, liệu pháp này cũng đối mặt với những hạn chế không nhỏ:

• Tác dụng phụ nghiêm trọng: có thể gây ra hội chứng giải phóng cytokine (CRS – phản ứng viêm toàn thân) và gây độc hệ thần kinh.
• Nguy cơ thải ghép: sử dụng tế bào T từ người hiến tặng có nguy cơ gây ra mảnh ghép chống vật chủ (GVHD) khi tế bào miễn dịch của người cho tấn công cơ thể người nhận.
• Sản xuất phức tạp và tốn kém: tạo ra tế bào CAR-T từ chính tế bào của bệnh nhân mất thời gian, phức tạp và chi phí cao, gây khó khăn cho bệnh nhân nặng hoặc bệnh tiến triển nhanh.
• Hạn chế với khối u rắn: hiệu quả kém do tế bào T khó xâm nhập vào khối u và bị môi trường xung quanh khối u ngăn chặn.

Những thách thức này thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm các loại tế bào miễn dịch khác an toàn, dễ sản xuất và có tiềm năng hiệu quả rộng hơn. Trong bối cảnh này, liệu pháp tế bào CAR-NK (CAR-Natural Killer) đang nổi lên như ứng cử viên sáng giá. CAR-NK sử dụng tế bào diệt tự nhiên (NK)—thành phần quan trọng của hệ miễn dịch bẩm sinh—được biến đổi gen để biểu hiện thụ thể CAR.

Lịch sử phát triển

Nguồn gốc của liệu pháp miễn dịch tế bào có thể bắt nguồn từ những năm 1950 với sự khám phá ra phương pháp ghép tủy xương. Đây là lần đầu tiên các tế bào sống được truyền vào bệnh nhân ung thư máu. Vào cuối những năm 1980, Steven Rosenberg và các đồng nghiệp tại Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ đã tiên phong phát triển liệu pháp miễn dịch tế bào nuôi cấy (Adoptive Cell Therapy – ACT), tế bào lympho xâm nhập khối u (TIL) và sau đó là tế bào lympho được kích hoạt bởi cytokine (LAK). Các nhà khoa học Nhật Bản sau đó đã phát triển công nghệ sử dụng tế bào NK tự thân và tế bào T hoạt hóa để điều trị ung thư.

Bước ngoặt của liệu pháp miễn dịch điều trị ung thư đến khi công nghệ thụ thể kháng nguyên dạng khảm (CAR) ra đời. Thành công vang dội của liệu pháp CAR-T đã mở ra một kỉ nguyên mới cho điều trị ung thư.

Mặc dù CAR-T rất thành công, những hạn chế và độc tính của liệu pháp này thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm kiếm các loại tế bào hiệu ứng miễn dịch khác. Người ta nhanh chóng nhận ra rằng kết hợp tính đặc hiệu của công nghệ CAR với khả năng tiêu diệt tự nhiên mạnh mẽ của tế bào NK có thể tạo ra một liệu pháp miễn dịch tế bào mạnh mẽ và an toàn hơn. Nghiên cứu về CAR-NK bắt đầu phát triển nhanh chóng nhờ tận dụng những kiến thức và kinh nghiệm từ CAR-T. Các nhà nghiên cứu bắt đầu biến đổi gen tế bào NK nhằm biểu hiện CAR, từ đó tế bào NK tăng khả năng nhận diện và tiêu diệt tế bào ung thư một cách đặc hiệu, đồng thời vượt qua các cơ chế né tránh miễn dịch của khối u.

Thụ thể kháng nguyên dạng khảm (CAR)

Thụ thể kháng nguyên dạng khảm (Chimeric Antigen Receptor – CAR) thực chất là các protein thụ thể được các nhà khoa học thiết kế và tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các thụ thể không tồn tại tự nhiên mà được tạo ra bằng cách ghép nối các phần khác nhau của các protein khác nhau, do đó chúng được gọi là “khảm” (chimeric). Vai trò chính của CAR là trang bị cho các tế bào miễn dịch như tế bào T hoặc tế bào NK khả năng nhận diện và bám dính đặc hiệu vào một phân tử (kháng nguyên) thường biểu hiện nhiều trên bề mặt tế bào ung thư.

Cấu trúc điển hình của một thụ thể bao gồm ba phần chính:

• Miền nằm bên ngoài tế bào: thường là một đoạn kháng thể đơn chuỗi (scFv), có khả năng nhận diện và liên kết với kháng nguyên mục tiêu
• Miền xuyên màng: có tác dụng cố định thụ thể
• Một hoặc nhiều miền nằm bên trong tế bào: có vai trò truyền tín hiệu và kích hoạt tế bào miễn dịch tấn công khi CAR đã gắn vào mục tiêu

Quá trình đưa gen mã hóa CAR vào tế bào miễn dịch có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm sử dụng vector virus (retrovirus, lentivirus), hệ thống transposon, hoặc các phương pháp không dùng virus như xung điện chuyển gen mRNA (mRNA electroporation)10.

Cấu trúc của thụ thể kháng nguyên dạng khảm CAR Nguồn Journal of Translational Medicine – Bio

Tế bào NK

Tế bào giết tự nhiên (Natural killer – NK) là loại tế bào lympho thuộc hệ miễn dịch bẩm sinh; chúng giữ vai trò trọng yếu trong tuyến phòng thủ đầu tiên của cơ thể chống lại nhiễm trùng và các khối u ác tính. Các tế bào này chiếm khoảng 5–15% tổng số tế bào lympho trong máu ngoại vi. Khác với tế bào T cần được trình diện kháng nguyên và hoạt hóa, tế bào NK có khả năng nhận diện và tiêu diệt các tế bào bất thường (như tế bào ung thư hoặc tế bào nhiễm virus) trực tiếp mà không cần được kích hoạt trước đó. Khả năng này khiến NK trở thành ứng cử viên nổi bật cho liệu pháp miễn dịch tế bào.

Tế bào NK nhận diện và tiêu diệt tế bào đích thông qua sự cân bằng giữa các tín hiệu từ thụ thể kích hoạt và thụ thể ức chế trên bề mặt. Thụ thể kích hoạt nhận biết các phân tử đặc trưng xuất hiện trên bề mặt tế bào stress, nhiễm virus hoặc biến đổi thành ung thư. Khi gắn kết với các phân tử tương ứng, các thụ thể này tạo ra tín hiệu kích hoạt trong tế bào NK. Ngoài ra, tế bào NK cũng mang các thụ thể ức chế. Các thụ thể này nhận biết các phân tử MHC lớp I thường có mặt trên các tế bào bình thường của cơ thể. Sự gắn kết giữa thụ thể và MHC lớp I tạo ra tín hiệu ức chế nhằm ngăn tế bào NK tấn công các tế bào khỏe mạnh.

Tế bào T nhận diện tế bào ung thư thông qua các phân tử MHC lớp I trên bề mặt, vốn trình diện các kháng nguyên đặc hiệu để kích hoạt đáp ứng miễn dịch. Do đó, nhiều tế bào ung thư hoặc tế bào nhiễm virus thường giảm biểu hiện MHC lớp I để tránh bị tế bào T phát hiện. Tuy nhiên, điều này vô tình làm giảm tín hiệu ức chế. Khi tín hiệu kích hoạt mạnh hơn tín hiệu ức chế, tế bào NK được kích hoạt để tiêu diệt tế bào đích.

NK tiêu diệt tế bào mục tiêu chủ yếu thông qua giải phóng các hạt chứa perforin và granzymes. Perforin tạo ra các lỗ trên màng tế bào đích để granzyme xâm nhập vào bên trong và kích hoạt quá trình chết theo chương trình (apoptosis) của tế bào đích.

Cơ chế hoạt động của tế bào CAR-NK

Cơ chế phụ thuộc CAR

Cơ chế phụ thuộc CAR hoạt động khi thụ thể CAR trên bề mặt tế bào NK nhận diện và gắn kết với kháng nguyên đặc hiệu trên tế bào ung thư. Chẳng hạn, thụ thể CAR được thiết kế chuyên biệt nhằm nhận diện các kháng nguyên cụ thể như CD19, CD20 (đối với ung thư máu), HER2, EGFR (đối với khối u đặc).

Khi gắn kết với kháng nguyên mục tiêu, thụ thể CAR kích hoạt một chuỗi phản ứng bên trong tế bào NK, dẫn đến giải phóng các chất gây độc tế bào như perforin và granzyme. Các chất này tạo lỗ trên màng tế bào ung thư và kích hoạt quá trình tự hủy của tế bào ung thư.

Cơ chế này mang lại tính đặc hiệu cao, giúp tế bào CAR-NK nhận diện chính xác tế bào ung thư và không tấn công các tế bào khỏe mạnh.

Cơ chế không phụ thuộc CAR

Điểm đặc biệt của tế bào CAR-NK so với tế bào CAR-T là chúng vẫn giữ nguyên các thụ thể tự nhiên và khả năng gây độc tế bào bẩm sinh. Do đó, tế bào CAR-NK tiêu diệt tế bào ung thư thông qua cơ chế không phụ thuộc CAR.

Tế bào NK tự nhiên có khả năng nhận diện các dấu hiệu bất thường trên tế bào ung thư như:

• Các phân tử liên quan đến stress xuất hiện khi tế bào bị biến đổi thành ung thư.
• Sự giảm biểu hiện của phân tử MHC lớp I (một hiện tượng thường gặp trên tế bào ung thư để tránh bị tế bào T phát hiện). Do đó, khi giảm biểu hiện MHC lớp I, tế bào ung thư có thể tránh được sự tấn công của tế bào T, nhưng lại trở thành mục tiêu của tế bào NK.

Tổng quan về quá trình tạo ra và ứng dụng liệu pháp CAR-NK. Nguồn: https://www.nature.com/articles/s41420-024-02077-1/figures/1

Ứng dụng

Liệu pháp CAR-NK đang được nghiên cứu và phát triển mạnh cho cả ung thư huyết học và khối u rắn, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi.

Ung thư máu

Đây là lĩnh vực mà CAR-NK ban đầu tập trung phát triển, nối tiếp thành công của CAR-T. Các kháng nguyên mục tiêu phổ biến bao gồm CD19 (ung thư tế bào B như lymphoma, leukemia), CD20 (lymphoma tế bào B), CD33 (bệnh bạch cầu dòng tủy cấp tính – AML), BCMA (đa u tủy).

Nhiều thử nghiệm lâm sàng giai đoạn đầu đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn. Chẳng hạn, một nghiên cứu sử dụng tế bào CAR-NK kháng CD19 có nguồn gốc từ máu cuống rốn để điều trị 11 bệnh nhân mắc ung thư máu tế bào B tái phát hoặc kháng trị. Kết quả cho thấy 8 trong số 11 bệnh nhân (73%) đã đáp ứng với điều trị, trong đó 7 người đạt được sự thuyên giảm hoàn toàn. Điều này chứng minh tiềm năng về độ hiệu quả và tính an toàn của CAR-NK trong điều trị ung thư dương tính với CD10. CAR-NK cũng được xem là một lựa chọn tiềm năng cho những bệnh nhân không phù hợp hoặc đã thất bại với liệu pháp CAR-T trước đó.

Khối u rắn

Điều trị khối u rắn bằng liệu pháp tế bào miễn dịch gặp nhiều thách thức hơn so với ung thư huyết học, chủ yếu do vi môi trường khối u gây ức chế miễn dịch, tính không đồng nhất của kháng nguyên và khó khăn trong quá trình thâm nhập của tế bào miễn dịch vào khối u. Tuy nhiên, CAR-NK có những lợi thế tiềm năng so với CAR-T. Tế bào NK có khả năng tự nhiên di chuyển đến vị trí khối u và gây độc tế bào mà không cần tiếp xúc kháng nguyên trước đó. Các tế bào này cũng có thể kháng lại vi môi trường khối u tốt hơn trong một số trường hợp. Các nghiên cứu tiền lâm sàng đã chứng minh hiệu quả của CAR-NK chống lại nhiều loại khối u rắn khác nhau, nhắm vào các kháng nguyên như HER2 (ung thư vú, dạ dày), EpCAM (nhiều loại ung thư biểu mô), EGFR (ung thư phổi, đại trực tràng, đầu cổ), mesothelin (ung thư tụy, buồng trứng, phổi), và GPC3 (ung thư gan). Mặc dù dữ liệu lâm sàng trong điều trị khối u rắn còn hạn chế, các thử nghiệm đang diễn ra cho thấy tính khả thi và hiệu quả tiềm năng của liệu pháp CAR-NK.

Ưu điểm

Tính an toàn cao

Một trong những lợi thế lớn nhất của CAR-NK là nguy cơ và mức độ nghiêm trọng của hội chứng giải phóng cytokine (CRS) và hội chứng độc thần kinh (ICANS) thấp hơn đáng kể so với CAR-T. Nguyên nhân có thể do tế bào NK có ngưỡng kích hoạt cao hơn, không tăng sinh mạnh mẽ như tế bào T và cơ chế gây độc tế bào ít phụ thuộc vào quá trình giải phóng cytokine ồ ạt. Quan trọng hơn, sử dụng tế bào NK đồng loài (từ người hiến tặng không cùng huyết thống hoặc không hoàn toàn tương thích MHC) không gây ra hoặc chỉ gây ra tình trạng mảnh ghép chống vật chủ (Graft-versus-host disease – GVHD) mức độ nhẹ.

Sản xuất hàng loạt (Off-the-shelf)

Liệu pháp CAR-NK có thể sử dụng tế bào đến từ các nguồn đa dạng và sẵn có (chẳng hạn như máu ngoại vi của người hiến tặng khỏe mạnh, máu cuống rốn, hoặc tế bào NK được tạo ra từ tế bào gốc vạn năng cảm ứng). Khả năng này mở đường cho quá trình sản xuất hàng loạt các sản phẩm CAR-NK theo mô hình ‘sẵn có’ (off-the-shelf). Các sản phẩm này có thể được tiêu chuẩn hóa về chất lượng, sản xuất với số lượng lớn, đông lạnh để bảo quản và cung cấp nhanh chóng ngay khi bệnh nhân cần. Cách tiếp cận này giải quyết trực tiếp những nhược điểm cố hữu của qui trình sản xuất CAR-T tự thân, vốn là một quy trình cá nhân hóa, kéo dài, phức tạp về mặt kỹ thuật, tốn kém chi phí và đôi khi không thể thực hiện được.

Cơ chế tiêu diệt đa dạng

Tế bào CAR-NK giữ lại khả năng tiêu diệt tự nhiên thông qua các thụ thể nội sinh, bên cạnh cơ chế tiêu diệt qua CAR. Do đó, chúng có thể nhận diện và tiêu diệt các tế bào ung thư ngay cả khi kháng nguyên mục tiêu của CAR bị mất hoặc giảm biểu hiện (thoát kháng nguyên).

Nhược điểm và hạn chế

Tế bào CAR-NK có thời gian sống trong cơ thể ngắn hơn nhiều so với CAR-T. Đáng chú ý, dòng tế bào NK-92 dù dễ sản xuất nhưng cần chiếu xạ trước khi sử dụng để tránh nguy cơ ung thư, khiến các tế bào này chỉ tồn tại khoảng một tuần sau truyền. Do đó, hiệu quả điều trị lâu dài bị suy giảm.

Quá trình nuôi cấy, mở rộng và biến đổi gen tế bào NK từ máu ngoại vi/máu cuống rốn đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Chất lượng và số lượng tế bào NK cũng khác nhau giữa các người hiến tặng, gây khó khăn cho sản xuất hàng loạt.

Tế bào CAR-NK có thể gặp khó khăn trong quá trình di chuyển từ mạch máu vào các mô, chủ yếu đối với các khối u rắn. Mặt khác, các yếu tố trong vi môi trường khối u có thể làm suy giảm hoạt tính của tế bào NK.

Thời gian tiếp xúc lâu với kháng nguyên hoặc sự ức chế của vi môi trường khối u có thể khiến CAR-NK mất dần khả năng tiêu diệt ung thư.

Lời kết

Liệu pháp CAR-NK đang mở ra triển vọng lớn trong điều trị ung thư nhờ tính an toàn vượt trội, khả năng sản xuất hàng loạt và cơ chế tiêu diệt kép độc đáo. Không những nhắm mục tiêu đặc hiệu qua thụ thể CAR, CAR-NK còn duy trì khả năng diệt tự nhiên, nên hiện tượng thoát kháng nguyên bị hạn chế. Tuy nhiên, liệu pháp này vẫn đối mặt với nhiều thách thức như thời gian tồn tại ngắn trong cơ thể và hiệu quả hạn chế trên khối u rắn do rào cản từ môi trường vi mô khối u. Với những tiến bộ không ngừng và kết quả lâm sàng ban đầu đầy hứa hẹn, CAR-NK mang lại hi vọng mới cho bệnh nhân ung thư, nhất là những người không phù hợp hoặc thất bại với CAR-T.