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测序百家丨耶鲁大学樊荣教授:做单细胞测序技术临床转化的拓荒者

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近年来,基于患者的自身免疫系统的CAR-T疗法,以其出众的疗效,已然成为抗癌领域中一颗耀眼的新星。随之而来的问题是,如何通过进一步的细胞分型,使患者获益率更高、承受的副作用更小?在细胞分型、基因表达中有着广泛应用的单细胞测序技术为解决这一问题提供了选择。那么,单细胞测序技术在CAR-T疗法中的应用现状怎样?国内外该研究领域发展到何种程度?两种技术的结合在精准医疗领域又有着怎样的应用前景?为此,测序中国专访了耶鲁大学生物医学工程系终身教授樊荣。樊荣教授是利用单细胞分析解析CAR-T细胞活性的专家,采访中,樊荣教授带我们重走了单细胞测序与CAR-T疗法的强强联合之路。

单细胞测序助攻CAR-T疗法

2017年12月,《科学家》杂志(The Scientist)评选出了2017年度的十大医疗技术发明,其中位列榜首的是IsoPlexis公司的IsoCode芯片和IsoLight平台。一个星期之后,FierceBiotech也授予其“2017年技术创新奖”。这套系统能够同时捕获成千上万个单细胞的完整生物分子和功能信息,包括动态监测免疫T细胞以及分析患者个体的整体免疫功能特征,能够更好地分析癌症患者对免疫疗法的治疗反应,提早预测包括细胞免疫疗法在内的抗癌免疫疗效。凭借这项独一无二的技术,IsoPlexis在2017年获得了B轮1350万美元融资。

樊荣教授,正是这项技术的发明者,同时他也是IsoPlexis的联合创始人。

早在单细胞测序和免疫治疗远不似如今红火时,樊荣教授便投身于此。2006年,在加州大学伯克利分校取得化学博士学位后,他来到加州理工学院进行博士后的深造。在与众多合作者的交流探讨中,他得知,肿瘤异质性正是该领域科研成果在临床诊疗应用转化中的一大阻碍。为了深入探究肿瘤细胞与微环境、免疫细胞之间交流的模式,樊荣教授全身新投入到研发新的单细胞分析技术中。“通过单细胞水平的检测,预测肿瘤的发展趋势,我们就有机会从整体水平上为患者制定更好的治疗方案。”樊荣教授谈道。

在2017年4月的AACR年会上,IsoPlexis公布了与Kite Pharma公司合作研究的数据。该研究利用IsoPlexis公司的IsoCode芯片检测技术平台,检测到CAR-T细胞产品治疗前的效力与治疗后癌症患者的客观反应具有显著相关性。研究人员利用该平台分析了20例利用CAR-T细胞产品治疗的非霍奇金淋巴瘤病例,并捕获了确定每种产品的PSI或细胞功能特征和强度数据。

谈及单细胞测序为精准医疗带来的贡献,樊荣教授认为主要体现在两个方面:一方面单细胞测序能够帮助患者“量身定制”治疗方案。由于肿瘤异质性的存在,目前并没有对所有肿瘤治疗效果俱佳的药物。而单细胞测序能够鉴别出每一个肿瘤个体的特征,从而为患者找到最适合的治疗方法。另一方面,单细胞测序的高分辨率能够在早期找到低丰度的突变,使患者能够在早期接受联合用药,以改善生存、延缓复发。这也是单细胞测序区别于其他测序技术的一大优势。

产业化进程逐步推进

除了带领IsoPlexis公司的团队,樊荣教授在国内的另一个身份是新格元生物科技有限公司的联合创始人和首席科学家。这家位于南京的公司成立于2018年1月,现已获得数千万元天使轮融资。如今,新格元生物正致力于将樊荣的原创海量单细胞微流控测序技术商业化,并开发一系列海量单细胞测序在临床诊断和肿瘤免疫方面的应用。

“测序其实不再是难点,制备单细胞才是。测序可以在各种各样的测序仪上完成,现在国产二代、三代测序仪也已经研发并生产使用。困难在于如何制备单细胞并实现海量单细胞的测序。如果是一个一个地挑选细胞进行测序,显然是不现实的。我们采取的办法是构建一个芯片,使其包含成千上万甚至数十万个只能容纳单细胞的微型腔室。利用这种芯片,可以达到单细胞分离制备的目标。目前,这种单细胞分离方法还有更多的潜力可以开发。尤其是在降低价格方面的潜力还很巨大,如今这项服务的收费是1700美元,如果成本能降一个数量级,基本上就可以往临床推广了。”樊荣教授告诉测序中国。而通过产业化降低成本也是新格元公司正在进行的开发目标。同时,新格元也在进行试剂的研发,以期掌控所有技术细节。

樊荣教授认为,这项技术在产业化之后,会比其他检测产品更容易临床推广。他说道:“在分散的临床测试点或者乡镇医院的条件下,单细胞测序难以实现。而新格元芯片操作简单,用户可以在无需经过大量训练的情况下使用。采集样品后封冻,即可带回检测中心完成测序。此外,统一进行检测,也有利于质量控制。”

目前,樊荣教授的实验室正在利用该单细胞测序技术进行单细胞蛋白组和转录组的分析工作。鉴于单细胞测序可以为改进甚至重新设计CAR-T疗法提供更多知识,目前已有多家制药公司将该单细胞测序技术用于CAR-T疗法中单细胞蛋白的分析,尝试在单细胞基因表达谱分析上拓宽应用,以期更好地理解不同个体的肿瘤,对治疗进行全程监测。

临床转化的机遇与挑战

在单细胞测序与CAR-T疗法结合的过程中,樊荣教授表示,CAR-T细胞的质量控制非常重要。樊荣教授告诉测序中国:“制定行业规范是推动整个行业发展进步的必要条件,也是当务之急。在新的时代,面对新的疗法,我们需要积累大量数据,多开展新的临床试验,规范质量控制,规范患者治疗过程,帮助患者设计新的有效的免疫治疗方案,帮助建立新的质量控制标准。以前的药物研发已经有了很成熟的质量控制体系,但CAR-T细胞的质检对于国内外监管部门仍是一个新的挑战。因为CAR-T细胞是活的,怎样对一‘活的药’进行质量控制?更重要的是CAR-T细胞是针对患者个人设计的,存在较大的个体差异,这也是质量控制的一个难点。”

除质量控制外,团队合作也很重要。樊荣教授强调:“从医院的角度来看,CAR-T免疫治疗要由多个团队合作完成,多部门协同合作对于确保患者接受最高质量的护理,对于整个治疗过程而言也很重要。”樊荣教授透露,目前其研究团队与国外研究机构和临床已经开展了相关合作,尽管尚未与国内医学界开展实质性合作,但近年来国内在CAR-T疗法领域的发展非常迅速,因此他对未来的国内合作抱以期待。

精准医疗的顺利进行还需要整合信息的支撑,同样,樊荣教授认为未来单细胞测序的工业化发展,基于中心法则的整合是关键。“中心法则有多个层面,每个层面都有无数信息需要在单细胞水平上测量分析。目前单细胞研究的火热基本还是在科研领域,工业化和商业化只是刚刚开始,现有产品多是围绕单细胞转录开发。未来,能否延伸到蛋白功能以及细胞代谢,能否将各个层面的数据整合起来,形成一套各个领域都可以使用的解决方案,将是单细胞测序技术商品化的关键。”

在完成工业化之后,临床需求最为迫切的肿瘤应该会成为单细胞测序技术最先突破的领域。樊荣教授期望单细胞测序技术能够成为像PCR一样日常使用的测序工具,能够从科研工具成为早期筛查或临床伴随诊断方案工具,实现真正的临床转化。

十二年前,为了让科学切实救治生命,樊荣教授从化学研究领域跨入到生物学领域。为使单细胞测序技术与CAR-T疗法真正实现临床转化付出了巨大的努力,如今,他初心不忘,告诫学生:“在精准医疗领域想要创立一个成功的公司,个人利益只是一小部分,真正应该做的是为患者谋取最大利益。”

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