腫瘤免疫中的“貓鼠游戲”
——淺析2018年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)

李 想

(西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，西安 710069)

惡性腫瘤是機(jī)體正常細(xì)胞惡變的產(chǎn)物，具有不斷增殖并有可能在體內(nèi)轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)。為了生存和生長，腫瘤細(xì)胞能夠采用不同策略抑制人體的免疫系統(tǒng)，使其不能正常地殺傷腫瘤細(xì)胞，從而在抗腫瘤免疫應(yīng)答的各階段得以幸存。人體免疫系統(tǒng)中負(fù)責(zé)監(jiān)督和殺傷腫瘤細(xì)胞的主要細(xì)胞亞群包括殺傷性T細(xì)胞和NK細(xì)胞，當(dāng)腫瘤細(xì)胞在人體內(nèi)無序分化并不受控制地增殖，而殺傷細(xì)胞活性減弱，不能有效地清除腫瘤細(xì)胞，重大疾病就發(fā)生了。

人類對(duì)付腫瘤的傳統(tǒng)手段包括手術(shù)切除、放射治療以及化學(xué)藥物治療。隨著生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)可以在細(xì)胞分子水平上針對(duì)已經(jīng)明確的致癌位點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)治療藥物，使腫瘤細(xì)胞特異性死亡。雖然利用靶向藥物可以對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行準(zhǔn)確殺傷，但腫瘤細(xì)胞一直在跟免疫系統(tǒng)玩“貓鼠游戲”，“狡猾”的癌細(xì)胞具有一定的適應(yīng)能力，以逃逸免疫監(jiān)視和攻擊。例如：免疫細(xì)胞表面表達(dá)PD-1蛋白，腫瘤細(xì)胞則會(huì)表達(dá)一個(gè)免疫球蛋白樣的分子PD-L1。這兩個(gè)分子相互結(jié)合后，產(chǎn)生的信號(hào)被免疫細(xì)胞接收，使免疫細(xì)胞的活性降低，從而使得癌細(xì)胞逃過免疫細(xì)胞的追捕(評(píng)論：對(duì)應(yīng)于貓鼠游戲的說法)。因此，調(diào)動(dòng)體內(nèi)免疫系統(tǒng)來殺傷腫瘤細(xì)胞是腫瘤治療的新手段，其機(jī)制是活化包括T細(xì)胞和NK細(xì)胞在內(nèi)的殺傷性淋巴細(xì)胞，靶向清除腫瘤細(xì)胞，激活患者體內(nèi)抗腫瘤免疫系統(tǒng)的應(yīng)答。腫瘤免疫治療能明顯減少毒副作用，顯著提高治療效率，在替代放化療藥物上具備明顯優(yōu)勢(shì)，將為治愈腫瘤提供新手段。2018年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給對(duì)腫瘤免疫治療有杰出貢獻(xiàn)的美國科學(xué)家詹姆斯·艾利森(James P.Allison)和日本科學(xué)家本庶佑(Tasuku Honjo)。其中Allison 教授因發(fā)現(xiàn)了CTLA-4可以作為免疫系統(tǒng)的“剎車分子”并將它應(yīng)用于治療腫瘤而獲獎(jiǎng)。Honjo教授因發(fā)現(xiàn)免疫檢驗(yàn)點(diǎn)PD-1及提出PD-1也可以作為免疫“剎車分子”而獲獎(jiǎng)。本文將對(duì)PD-1/PD-L1和CTLA-4的發(fā)現(xiàn)與作用機(jī)制進(jìn)行闡述，并簡要介紹PD-1/PD-L1相關(guān)抑制劑的研發(fā)及臨床應(yīng)用。

1 PD-1、PD-L1及CTLA-4的發(fā)現(xiàn)

早在1992年，Tasuku Honjo研究組首次從凋亡的小鼠B細(xì)胞系中克隆到PD-1基因，PD-1全稱是程序性細(xì)胞死亡因子1 (Programmed cell death 1,PD-1，又稱CD279)[1]。7年之后，該課題組發(fā)現(xiàn)PD-1是一種相對(duì)分子量為55 000～60 000的I型跨膜蛋白，主要表達(dá)于活化的CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、B細(xì)胞、NK細(xì)胞、單核細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等免疫細(xì)胞中，促進(jìn)T細(xì)胞的成熟[2]。正常情況下，PD-1通過調(diào)節(jié)外周組織中T 細(xì)胞的分化方向進(jìn)而調(diào)控機(jī)體對(duì)外來或自身抗原的免疫應(yīng)答反應(yīng)，防止免疫過激的發(fā)生[2]。PD-1基因敲除的小鼠會(huì)發(fā)生一些自身免疫疾病性狀，表明PD-1具有抑制免疫的功能[2]。

1999年，華裔科學(xué)家陳列平教授課題組首次報(bào)道了PD-1配體B7家族的第三個(gè)成員B7-H1(也就是PD-L1)，并發(fā)現(xiàn)B7-H1與B7家族的其他成員不同，B7-H1不能結(jié)合CTLA-4和CD28，但是可以促進(jìn)誘導(dǎo)白介素10 (IL-10)的分泌；由于IL-10具有免疫抑制作用，因此該報(bào)道明確提出B7-H1是一個(gè)對(duì)免疫系統(tǒng)起負(fù)調(diào)節(jié)作用的蛋白[3]。PD-L1是I型跨膜蛋白，主要表達(dá)于抗原遞呈細(xì)胞、B細(xì)胞、T細(xì)胞、上皮細(xì)胞、肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中，并參與腫瘤相關(guān)的免疫應(yīng)答反應(yīng)。更重要的是，2002年陳列平教授課題組證明PD-L1在人的正常組織中表達(dá)量很低，但是在肺癌、結(jié)直腸癌、卵巢癌等癌癥中表達(dá)量非常高，并且γ-干擾素能夠誘導(dǎo)PD-L1的表達(dá)[4]。與此同時(shí)，這篇文章明確提出將B7-H1抗體用于殺死腫瘤細(xì)胞的免疫治療方法具有光明的前景[4]。

CTLA-4的發(fā)現(xiàn)最早始于1987年法國免疫學(xué)家Pierre Golstein課題組，他們報(bào)道了小鼠T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4,CTLA-4)。CTLA-4又名CD152，該基因定位于小鼠1號(hào)染色體C帶，編碼233個(gè)氨基酸，屬于免疫球蛋白超家族成員[5]。1988年法國Marie-Paule Lefranc課題組克隆了人源CTLA-4基因[6]。隨后證實(shí)CTLA-4是一種白細(xì)胞分化抗原，是T細(xì)胞上的一種跨膜受體，與CD28共同享有B7分子配體，而CTLA-4與B7分子結(jié)合后誘導(dǎo)T細(xì)胞無反應(yīng)性，參與免疫反應(yīng)的負(fù)調(diào)節(jié)[7-9]。 1996年，James P.Allison課題組證明使用CTLA-4抗體可以增強(qiáng)免疫抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展[10]，這個(gè)發(fā)現(xiàn)為James P.Allison獲得2018年諾貝爾獎(jiǎng)奠定了重要基礎(chǔ)。

2 PD-1/PD-L1和CTLA-4的作用機(jī)理

腫瘤細(xì)胞表面 PD-L1 分子表達(dá)上調(diào)后能與T細(xì)胞和B 細(xì)胞上的PD-1 結(jié)合，使PD-1分子位于胞質(zhì)區(qū)的ITSM(Immunoreceptor tyrosine-based switch motif)被磷酸化，之后招募蛋白酪氨酸酶1(SHP-1)和蛋白酪氨酸酶 2(SHP-2)，從而阻斷磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的激活，隨之細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖代謝和Akt活性均被抑制，T細(xì)胞增殖和細(xì)胞因子分泌能力大大降低，造成腫瘤細(xì)胞周圍的T細(xì)胞丟失，最終導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞逃逸免疫防御和監(jiān)視[11-12]。還有研究顯示，PD-L1和PD-1的結(jié)合能引起E3泛素化酶CBL-b的表達(dá)升高，從而造成CD8+T細(xì)胞中T細(xì)胞受體(T-cell receptor，TCR)表達(dá)降低[13]。綜上，這一系列反應(yīng)打破了免疫細(xì)胞自身的免疫檢查，抑制了免疫T細(xì)胞的活化和增殖并誘導(dǎo)其凋亡，從而使免疫抑制性微環(huán)境形成，逃避免疫監(jiān)控和殺傷。

雖然CTLA-4也是通過抑制Akt磷酸化導(dǎo)致T細(xì)胞失活，但蛋白磷酸酶2A(PP2A)是主要的參與分子，這與PD-1/PD-L1的作用不同[11]。另外，PD-1抗體主要誘導(dǎo)耗竭型CD8+T細(xì)胞亞群的擴(kuò)增，而CTLA-4抗體在誘導(dǎo)耗竭型CD8+T細(xì)胞亞群擴(kuò)增的同時(shí)，還可誘導(dǎo)ICOS+Th1樣的CD4+T細(xì)胞亞群擴(kuò)增。此外，研究發(fā)現(xiàn)CTLA-4抗體還可以抑制調(diào)節(jié)型T細(xì)胞，促進(jìn)T細(xì)胞浸潤腫瘤組織，調(diào)節(jié)免疫記憶等[11,14]。

目前，國內(nèi)PD-1/PD-L1的研究也是如火如荼。Zhang課題組調(diào)查了104個(gè)肺癌病人中PD-L1的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)PD-L1的表達(dá)與預(yù)后成負(fù)相關(guān)，提示在肺癌中可針對(duì)PD-1/PD-L1通路進(jìn)行免疫治療[15]。Chu課題組在小鼠膠質(zhì)瘤模型和人膠質(zhì)瘤樣本中發(fā)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的IFN-γ是引起PD-L1表達(dá)的關(guān)鍵因素，提示在進(jìn)行PD-1/PD-L1抗體治療膠質(zhì)瘤時(shí)應(yīng)同時(shí)檢查IFN-γ的表達(dá)情況[16]。

3 PD-1/PD-L1及CTLA-4抑制性抗體的現(xiàn)狀

近年來，已有多種PD-1/PD-L1單克隆抗體應(yīng)用于腫瘤免疫治療的臨床研究，且發(fā)展迅猛，它們的作用原理如圖1所示。目前PD-1抑制劑Pembrolizumab和Nivolumab已被FDA批準(zhǔn)用于晚期黑色素瘤、非小細(xì)胞肺癌、霍奇金淋巴瘤和頭頸鱗癌等，Nivolumab還被FDA批準(zhǔn)可用于治療腎癌和尿路上皮癌等。Nivolumab是一種完全人源化的 IgG4 單克隆抗體，通過阻斷PD-1與其配體PD-L1或PD - L2的結(jié)合，逆轉(zhuǎn)腫瘤免疫逃逸的狀態(tài)，恢復(fù)T細(xì)胞殺傷腫瘤的活性，達(dá)到抑制腫瘤生長的目的[17]。Nivolumab是最早進(jìn)入Ⅰ期臨床試驗(yàn)的抗 PD -1 的抗體藥物，目前應(yīng)用較為廣泛，在多種惡性腫瘤的治療中也已顯示較好的治療效果。Pembrolizumab是美國FDA 批準(zhǔn)用于治療晚期黑色素瘤的藥物之一，這是一種抑制PD-1 的人源化單克隆 IgG4 抗體，與PD-1有著高親和力，幾乎去除了免疫原性和毒副作用[18]。單獨(dú)使用Pembrolizumab治療非小細(xì)胞肺癌，證實(shí)其毒副反應(yīng)較輕，腫瘤晚期患者的耐受性良好[18]，Pembrolizumab也被應(yīng)用于其他類型腫瘤的治療研究。

A：PD-1/PD-L1的作用原理;B、C和D: PD-1、PD-L1 和CTLA-4抑制劑的作用原理

圖1 PD-1/PD-L1作用原理及PD-1 、PD-L1和CTLA-4抑制劑的工作原理示意圖
Figure 1 Mechanism of action of PD-1/PD-L1 and PD-1，PD-L1 and CTLA-4 inhibitors

此外，開發(fā)識(shí)別和結(jié)合 PD-L1的單抗，也能取得與PD-1單抗類似的效果。這些單克隆抗體包括了Atezolizumab、Durvalumab、MPDL3280A(RG7446)、AMP-514 和 AMP-22等，也多已進(jìn)入III期臨床研究中，覆蓋了非小細(xì)胞肺癌、黑色素瘤、膀胱癌等多個(gè)病種。其中，Atezolizumab是一個(gè)單克隆抗體，可結(jié)合至PD-L1，阻斷與PD-1/PD-L1兩者的相互作用。在小鼠腫瘤模型中，Atezolizumab可以阻斷PD-L1活性導(dǎo)致腫瘤生長減慢[19]。Atezolizumab由Genentech公司生產(chǎn)，現(xiàn)用于治療局部晚期或轉(zhuǎn)移性尿路上皮癌。2017年7月由阿斯利康發(fā)布的Durvalumab也是以 PD-1/PD-L1 通路為靶向目標(biāo)，通過阻斷蛋白質(zhì)之間的相互作用，促進(jìn)自身免疫系統(tǒng)殺死癌細(xì)胞[20]。這兩種免疫療法的作用機(jī)制并不重疊，所以治療腫瘤時(shí)，這二者聯(lián)合治療比單藥治療更為有效。迄今為止，PD-1和PD-L1抗體獲得的適應(yīng)證包括晚期黑色素瘤、頭頸鱗癌、非小細(xì)胞肺癌、尿路上皮癌、霍奇金淋巴瘤、默克爾細(xì)胞癌和微衛(wèi)星不穩(wěn)定實(shí)體瘤。

CTLA-4抑制劑Ipilimumab是一種抗 CTLA-4 的全人源單克隆抗體，首先被用于黑色素瘤治療，由于其具有較好的療效，已于 2011 年 3 月被 FDA 批準(zhǔn)用于治療晚期黑色素瘤[21]。但由于單獨(dú)使用Ipilimumab的療效有限，現(xiàn)在多使用Ipilimumab聯(lián)合其他治療方案，治療效果更為突出[22-23]。其他 CTLA-4 抑制劑，如 Tremelimumab的臨床試驗(yàn)也正在積極開展中[24]。其中，Tremelimumab用于治療黑色素瘤的臨床試驗(yàn)已處于Ⅱ期[25]。 另外，CTLA-4的聯(lián)合治療展現(xiàn)出比單獨(dú)使用更好的效果。比如，Ipilimumab聯(lián)合BRAF激酶抑制劑，二者同時(shí)使用能明顯提高轉(zhuǎn)移性黑色素瘤的生存期[26]。

目前，中國企業(yè)開發(fā)的PD-1/PD-L1項(xiàng)目共計(jì)42個(gè)，包括20個(gè)PD-1單抗，14個(gè)PD-L1單抗和8個(gè)PD-1/PD-L1雙抗項(xiàng)目。信達(dá)生物在2017年12月提交了PD-1單抗藥物(IBI-308)上市的申請(qǐng)，并于2018年獲得許可，現(xiàn)已進(jìn)入臨床研發(fā)后期階段[27]。國內(nèi)其余PD-1項(xiàng)目基本處于II期階段；值得注意的是，Xu和Hu課題組檢測(cè)了36名接受IBI-308治療的晚期消化道腫瘤患者用藥前后的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTC)，并評(píng)估了CTC 上PD-L1蛋白的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)用藥前PD-L1high的CTCs可以預(yù)測(cè)PD-1藥物的效果，PD-L1high的CTCs比例對(duì)免疫治療的效果極具參考價(jià)值[28]。而在眾多的PD-L1項(xiàng)目中，康寧瑞杰/思路迪公司研發(fā)的PD-L1抗體KN035已進(jìn)入臨床后期開發(fā)階段，其中針對(duì)膽管癌的III期臨床試驗(yàn)和MSI-H實(shí)體瘤的II期臨床試驗(yàn)已經(jīng)在中國展開；而與PD-1/PD-L1有關(guān)的雙向特異阻斷的藥物開發(fā)在我國還處于早期階段。

4 展望

自2011年美國FDA批準(zhǔn)了全球第一個(gè)真正意義上的腫瘤免疫治療藥物——百時(shí)美施貴寶ipilimumab(抗CTLA-4單抗)上市，已有多種免疫檢測(cè)點(diǎn)阻斷劑和靶向性免疫細(xì)胞藥物在惡性腫瘤治療中取得了較好的臨床療效，極大地推動(dòng)了腫瘤免疫治療的臨床前研究和臨床應(yīng)用。與常規(guī)化療和放療相比，阻斷PD-1/PD-L1的免疫治療在部分患者中產(chǎn)生了明顯的療效，現(xiàn)已成為腫瘤綜合治療的一個(gè)重要部分，腫瘤免疫治療也從輔助性治療方式發(fā)展成為最有潛力治愈惡性腫瘤的手段。但在臨床實(shí)踐中，PD-1/PD-L1 抑制劑的應(yīng)用尚存在一系列亟待解決的問題，譬如如何確定最佳的治療模式，如何降低抑制劑的不良反應(yīng)，如何明確耐藥機(jī)制等。為了取得更好的臨床療效，研究人員應(yīng)深入探索PD-1/PD-L1是否還存在其他作用機(jī)制，從而明確腫瘤逃逸的原理并加以阻斷。另外，還要探索PD-1/PD-L1 的聯(lián)合治療模式，把原來不合適PD-1抑制劑治療的病人轉(zhuǎn)化成為可以從中獲益的人群。比如，PD-1抑制劑聯(lián)合放療，PD-1 抑制劑聯(lián)合靶項(xiàng)藥物或聯(lián)合溶瘤病毒，PD-1抑制劑聯(lián)合個(gè)性化腫瘤疫苗等。隨著二代測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)的不斷進(jìn)步，研究人員還應(yīng)重視個(gè)體化治療，這將有助于臨床醫(yī)生有效地篩選抗PD-1/PD-L1治療的潛在獲益患者?？傊?，PD-1/PD-L1阻斷療法已經(jīng)為治療癌癥打開了一扇大門，而開發(fā)出具有個(gè)體化的治療方案才是通往這扇門的最佳途徑。