負負得正的癌癥免疫療法

陳辰 李斌

2018年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國免疫學家艾利森和日本免疫學家本庶佑.以表彰他們發(fā)現(xiàn)抑制免疫負調(diào)節(jié)的癌癥療法.從根本上改變了人們對癌癥冶療方式的看法。

2018年10月1日，2018年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎揭曉。美國免疫學家艾利森（J.P.Allison）教授與日本免疫學家本庶佑（T.Honjo）教授因在癌癥免疫治療領(lǐng)域的奠基性工作而摘得桂冠。艾利森是美國得克薩斯大學安德森癌癥中心免疫學研究負責人，是分離出T細胞抗原復(fù)合物蛋白的第一人，他同時發(fā)現(xiàn)，如果暫時抑制T細胞表面的CTLA-4這一免疫系統(tǒng)分子“制動器”的活性，就能提高免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的攻擊性，殺傷腫瘤，從而縮小腫瘤體積。他對T細胞的發(fā)育和激活，以及免疫系統(tǒng)“制動器”機理的卓越研究，為癌癥治療開創(chuàng)了全新思路。本庶佑現(xiàn)任京都大學高等研究院特別教授，他建立了免疫球蛋白類型轉(zhuǎn)換的基本概念框架，提出了一個解釋抗體基因在模式轉(zhuǎn)換中變化的模型，首先鑒定PD-1為活化T細胞上的誘導(dǎo)型基因，這一發(fā)現(xiàn)為PD-1阻斷建立癌癥免疫治療原理做出了重大貢獻。

癌癥的免疫治療

癌癥是由不受控制的細胞增殖和遷移所引起的一系列惡性病變的統(tǒng)稱，從器官開始浸潤相鄰組織開始，最終通過血液或淋巴轉(zhuǎn)移到其他器官，導(dǎo)致發(fā)病和死亡。癌癥的病因和發(fā)病機制很復(fù)雜，其特征有的與調(diào)節(jié)分裂、死亡、代謝和遷移等內(nèi)在的細胞過程有關(guān)，有的則體現(xiàn)為腫瘤微環(huán)境與形成血管、基質(zhì)或免疫系統(tǒng)的細胞之間的相互作用[1]。各種特征受多種因素的影響，這些因素會因癌細胞基因的變化而變化，其中一些變化通過種系DNA遺傳得到，而大部分變化則是在體細胞突變后發(fā)生。

目前治療癌癥有三大手段：手術(shù)切除，輻射消除，藥物攻擊。雖然在過去50多年里，癌癥治療有了很大的進展，但是平均來說，有超過2/3的癌癥患者無法痊愈，很多癌癥的治愈率維持在較低水平，全球每年有數(shù)百萬人死于癌癥。因此，對于新治療方法和策略的需求十分迫切。

早在19世紀末20世紀初，人們意識到激活免疫系統(tǒng)可能是一種攻擊腫瘤細胞的策略。紐約癌癥醫(yī)院（紀念斯隆一凱特琳癌癥中心的前身）的外科醫(yī)生科利（W.Coley）曾試圖用已高溫殺死的細菌刺激免疫系統(tǒng)來對抗惡性腫瘤。他發(fā)現(xiàn)一些在癌癥手術(shù)后發(fā)生感染的患者，其存活的時間似乎更長，由此推測病原體在機體內(nèi)激起的免疫反應(yīng)可能會影響腫瘤。之后，對免疫系統(tǒng)的深入研究揭示了人體防御系統(tǒng)的分子組成、化學介質(zhì)及精確控制該系統(tǒng)的分子開關(guān)，人們逐漸了解了免疫系統(tǒng)是如何動員起來的，進而發(fā)現(xiàn)可能引起嚴重感染的病原體，包括細菌和病毒。同樣重要的是，人們對調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)抗癌應(yīng)答機制和通路也有了深入了解，其中，免疫檢查點（immune checkpoints）是大量分布在免疫系統(tǒng)中的抑制性通路，對維持機體自身的耐受、免疫應(yīng)答的時間和強弱起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，它們在免疫激活后開始參與反應(yīng)，將免疫反應(yīng)對周圍組織可能造成的損傷減少到最小，避免正常組織受損。

免疫系統(tǒng)中的“加速器”和“制動器”

機體免疫系統(tǒng)的基本屬性是能夠區(qū)分“自我”和“非自我”，從而可以攻擊和消除入侵的細菌、病毒等病原體及其他危險信號。第一道防線是機體的固有免疫系統(tǒng)，抗腫瘤免疫的“負負得正”的抗體療法作用機理示意（a）腫瘤微環(huán)境中T細胞表面因高表達CTL-4和PD-1等負向調(diào)節(jié)受體，阻止了T細胞的免疫激活和對腫瘤的殺傷清除。（h）使用PD-1或CTLA-4阻斷性抗體后，可解除CTL-4和PD-1等“制動器”的免疫抑制作用，從而激活T細胞抗腫瘤的免疫反應(yīng)由白細胞（如中性粒細胞和單核細胞）負責協(xié)調(diào)，進行對細菌和病毒的非特異性免疫反應(yīng)，專門識別細菌或病毒中常見的分子結(jié)構(gòu)，如部分表面結(jié)構(gòu)，或有別于高等生物的DNA和RNA分子，盡管這些白細胞并不能特異性地識別并攻擊某些蛋白結(jié)構(gòu)，卻能抵擋許多微生物的人侵，將其分解成小分子片段，即所謂的抗原。之后，免疫系統(tǒng)便會將抗原視為異物，予以消滅。第二道防線是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，專門識別抗原，繼而發(fā)動更精準的免疫攻擊。如果攻擊有效，機體就會產(chǎn)生對該種病原的“記憶”，一旦再遇相同的入侵病原體，便能輕易將其擊潰，T細胞和B細胞是適應(yīng)性免疫反應(yīng)的核心角色。T細胞發(fā)源于胸腺，有多種類型，B細胞來自骨髓，能制造抗體。抗體分子與T細胞上一些特定的分子結(jié)構(gòu)一樣，能夠附著在特定的抗原上，這樣就可鎖定目標，通過免疫反應(yīng)消滅細菌和表面帶有抗原的受感染細胞

腫瘤細胞是發(fā)生了遺傳變異等病理變化的自體細胞，會表達異常的分子，這些分子對T細胞或B細胞來說就是異物，所以免疫系統(tǒng)能識別出腫瘤細胞。但是，在多種因素的作用下，機體對于腫瘤的免疫攻擊并未產(chǎn)生顯著效果。不懈的努力之下，科學家發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞會與免疫系統(tǒng)的“制動器”協(xié)同作用，抑制機體針對腫瘤細胞的免疫反應(yīng)，逃避了免疫系統(tǒng)的攻擊，這一原理為癌癥的免疫治療開辟了一條新思路。

每個T細胞都有獨特的受體，它們類似免疫系統(tǒng)的“加速器”，可以與被識別出的非自身抗原結(jié)合，激活免疫反應(yīng)。但是，在腫瘤組織微環(huán)境下，由于殺傷性T細胞表面的負向調(diào)控受體蛋白（如PD-1）被腫瘤細胞表達的負向信號受體的配體蛋自（如PD-L1）結(jié)合，抑制了T細胞的激活，從而制動了抗腫瘤的免疫反應(yīng)?，F(xiàn)已確定了一批T細胞表達的具負向調(diào)控功能的表面受體蛋自，這些蛋白像“制動器”一樣抑制免疫激活。機體通過控制加速器蛋白和制動器蛋白之間微妙的平衡，確保免疫系統(tǒng)充分參與對外來微生物的攻擊，同時又避免過度激活帶來的自身免疫性破壞。

許多T細胞都能表達CTLA-4蛋白，在細胞靜息時它駐留在T細胞內(nèi)部，當特定的T細胞識別出作用目標，同時接收到來自其他分子的啟動信號時，該蛋白被激活。一旦激活，CTLA-4就與其他蛋白協(xié)同作用，于擾由T細胞受體和共刺激分子受體引發(fā)的正信號，成為一種T細胞活化的負調(diào)節(jié)因子，起到“制動器”的作用，防止過度活躍的免疫系統(tǒng)對機體自身造成破壞。如果CTLA-4蛋自永久性缺乏，將會引發(fā)災(zāi)難性的自身免疫反應(yīng)。

腫瘤免疫檢查點阻斷技術(shù)

隨著對腫瘤細胞逃避免疫系統(tǒng)識別和清除的機制了解得越來越清晰，人們可以通過重新“關(guān)閉”一些被腫瘤細胞激活的、會對免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抑制功能的通路，釋放機體的免疫抑制，達到阻止腫瘤細胞發(fā)生免疫逃逸、調(diào)動自身免疫系統(tǒng)功能來消除腫瘤的目的。這種被稱為腫瘤免疫檢查點阻斷技術(shù)，已成為腫瘤免疫治療的主要研究方向，相應(yīng)的藥物研發(fā)也成為國內(nèi)外企業(yè)競相角逐的市場）

針對CTLA-4蛋白的阻斷

1994年底，艾利森提出假設(shè)：如果能暫時抑制CTLA-4這一分子“制動器”的活性，是否就能提高免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的攻擊性，從而縮小腫瘤的體積。他用抗CTLA-4的單克隆抗體處理患有腫瘤的小鼠，結(jié)果抑癌效果相當顯著。并發(fā)現(xiàn)這種針對免疫系統(tǒng)的療法具有完全治愈荷瘤小鼠的潛力，阻斷CTLA-4會增強T細胞的抗腫瘤反應(yīng)，排斥反應(yīng)后是持久的腫瘤免疫。這項工作象征了免疫療法的誕生，具有重新釋放機體對腫瘤反應(yīng)能力的單克隆抗體則被稱為免疫檢查點抑制劑。

當時的制藥業(yè)對于基于去除免疫應(yīng)答制動的腫瘤免疫治療并無太大興趣，因為不知道哪些特異性抗原能在腫瘤細胞上被識別，也不符合當時普遍認為的應(yīng)基于發(fā)現(xiàn)并激活腫瘤抗原的腫瘤治療策略。而且，缺乏CTLA-4的小鼠會產(chǎn)生嚴重的自身免疫反應(yīng)，這種不良反應(yīng)有很大風險，使人望而卻步。然而，通過堅持不懈的努力，艾利森與一家生物技術(shù)公司合作，成功地制備出可臨床使用的抗CTLA-4人源化單克隆抗體1999年他們開發(fā)出名為MDX-010的抗CTLA-4 IgG l單克隆抗體，也就是后來的伊匹單抗[ipilimumab），并招募那些對其他療法完全無應(yīng)答的晚期癌癥患者進行臨床試驗。第一次臨床試驗中就在一些黑色素瘤患者身上觀察到響應(yīng)。同年，在另一項黑色素瘤患者治療試驗中，結(jié)果顯示黑色素瘤可完全消退，同時也觀察到患者產(chǎn)生了嚴重的自身免疫反應(yīng)，這些反應(yīng)比采用化療方式之后出現(xiàn)的更頻繁。這種方法的療效很難通過測量腫瘤體積來判斷，因此，研究人員采用了一個既簡單又重要的標準來評判伊匹單抗的療效，這一標準就是“整體存活期”，即患者的生存時間。最新臨床試驗結(jié)果顯示，伊匹單抗治療后，20%以上的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的病情在較長時間內(nèi)得到了控制，治療后存活時間達3年以上。而之前的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的中位預(yù)期壽命僅為7～8個月。

針對PD-1蛋白的抑制

本庶佑小組在1990年代早期發(fā)現(xiàn)并克隆了PD-1，其功能多年來一直難以捉摸，通過十多年對缺乏這種分子的基因敲除小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，敲除了PD-1的小鼠類似于敲除了CTLA-4的小鼠，會發(fā)生T細胞驅(qū)動的自身免疫綜合征。本庶佑由此得出結(jié)論，PD-I與CTLA-4類似，對免疫反應(yīng)起負調(diào)節(jié)作用，并發(fā)現(xiàn)了它的配體PD-L1，不久又確定了PD-1的第二種配體PD-L2。

PD-I/PD-L1途徑可能參與腫瘤免疫反應(yīng)的假設(shè)，最早在2002年發(fā)表的兩項研究中得以測試證實，該配體（PD-L1）的表達可保護轉(zhuǎn)化細胞免受體內(nèi)免疫系統(tǒng)攻擊，并可通過針對PD-L1的抗體逆轉(zhuǎn)結(jié)果[2，3]?，F(xiàn)在已經(jīng)了解PD-1 /PD-L1途徑在腫瘤免疫過程中的作用。

2005年本庶佑發(fā)表了用于治療小鼠腫瘤模型的PD-1抗體的工作，提出現(xiàn)今仍可用來預(yù)測臨床療效的結(jié)論：抗PD-1治療可誘導(dǎo)免疫反應(yīng)，甚至對不表達PD-L1或PD-L2的腫瘤也能誘導(dǎo)出免疫反應(yīng);在腫瘤治療上比CTLA-4更有效;產(chǎn)生的自身免疫不良反應(yīng)沒有CTLA-4的嚴重。這一進展促進了基于PD-1抑制的臨床研究，已開發(fā)出針對PD-1的臨床級抗體，2006年開始的第一階段臨床研究表明，該藥具良好的耐受性[4]。兩年后報道在一期臨床研究中，296名患者使用抗PD-I抗體的結(jié)果顯示，該抗體在治療黑色素瘤等多種實體瘤方面效果顯著。

癌癥免疫療法的愿景

免疫檢查點治療法從根本上改變了某些晚期癌癥患者的生存狀況。雖然與其他癌癥療法相比，不良反應(yīng)依然可見，有些甚至會嚴重到危及生命，但是，它已經(jīng)從根本上改變了人類對癌癥治療方式的看法，科學家將會不懈地研究，去改善治療方法和減少不良反應(yīng)。

腫瘤免疫檢查點阻斷技術(shù)的研究主要集中在CTLA-4、PD1、PD-L1只個分子上。CTLA-4阻斷療法的主要弱點在于免疫毒性作用的高速率，接受抗CTLA-4治療的患者會發(fā)生許多不良反應(yīng)，從而限制了它的廣泛應(yīng)用。而PDl/PD-L1這一對免疫檢查點的表達更具選擇性，不會在正常炎性組織中過度表達，應(yīng)用更安全，不良反應(yīng)更小。

在臨床治療策略方面，針對PD-1檢查點治療被證明更為有效，它在包括肺癌、腎癌、淋巴瘤和黑色素瘤在內(nèi)的多種癌癥治療中都有顯著效果。更進一步，新的臨床研究表明，針對CTLA-4和PD-I的聯(lián)合治療可能更為有效。艾利森和本庶佑也鼓勵人們努力結(jié)合不同的策略來激發(fā)免疫系統(tǒng)的反應(yīng)，以便更有效地消除腫瘤細胞。期待在科學家、醫(yī)生、患者及其家庭、制藥企業(yè)和政府管理者等各方面的密切合作下，抗腫瘤免疫療法將會不斷得到改進，從而治愈更多癌癥患者，造福社會大眾。

[1]Bailey M H，Tokheim C，Porta-Pardo E，et al.Comprehensivecharacterization of cancer driver genes and mutations.Cell，2018，173（2）：371-385.e18.

[2]Agata Y，Kawasaki A，Nishimura H，et al.Expression of the PD-1antigen on the surface of stimulated mouse T and B lymphocytes.IntImmunol，1996，8（5）：765-72.

[3]Ansell S M，Lesokhin A M，Borrello I，et al.PD-I blockade withnivolumab in relapsed or refractory Hodgkin's lymphoma.N Engl JMed，2015，372（4）：311-9

[4]Brahmer J R，Drake C G，Wollner I，et al.Phase I study of single-agent anti-programmed death-1（MDX-1106） in refractory solidtumors：safety，clinical activity，pharmacodynamics，and immunologiccorrelates.J Clin Oncol，2010，28（19）：3167-75.

關(guān)鍵詞：諾貝爾生理學或醫(yī)學獎 癌癥 免疫療法 CTLA-4PD-1