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生命科学,有意思!

癌症这个“大魔头”似乎知道,James Allison是它的克星。

它先是在Allison十一岁的时候,派淋巴瘤夺走了Allison的母亲[1]。随后,Allison的一位兄弟和两位叔叔也因癌症死亡[2]。亲人的离去,没有击垮Allison,反而促使他开始思考一个困扰了科学家很久的问题:免疫系统究竟为什么不能像消灭感冒那样消灭癌症?

历经30余年的探索,他带领团队破解了T细胞识别并杀死癌细胞的秘密,最终促成癌症免疫治疗的诞生。就在此时,癌症对Allison起了杀心,在短短12年内,先后派出前列腺癌、黑色素瘤和膀胱癌暗杀Allison[3],结果却惨遭反杀。

▲ 抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体治疗癌症获得2018年诺奖(诺贝尔奖官网)
▲ 抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体治疗癌症获得2018年诺奖(诺贝尔奖官网)

2018年,Allison和Tasuku Honjo因开创癌症免疫治疗获得诺奖,是免疫学混沌100年的终结,也是免疫治疗攻克癌症时代的开始

百年谜题终获破解,免疫治疗时代来临

在免疫治疗诞生之前,手术的使用已经有3000年的历史,放疗有120余年的历史,化疗也有70余年的历史。

这三种传统治疗方法被誉为癌症治疗的“三驾马车”。但是这三种方法仅对不到一半的癌症患者有效,还有另一大半患者不能上车。

逐渐地,科学家们认识到,散布于人体各处的、数以亿计的免疫细胞,形成了一个高效的防御系统。它们搜寻并消灭侵入人体的病原体,以及人体内衰老或其他异常的有害细胞。

直到1973年,也就是Allison博士毕业的那一年,科学家才终于认全了巨噬细胞、B细胞、T细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞。现代免疫学的新纪元自此拉开帷幕。今年9月10日,美国科学家Max Cooper和澳大利亚科学家Jacques Miller,也因为发现B淋巴细胞和T淋巴细胞,获得有诺贝尔奖“风向标”之称的拉斯克奖

▲ 拉斯克奖官网
▲ 拉斯克奖官网

不过,在当时科学家们仍然不知道免疫细胞是如何识别并杀死癌细胞的,更不知道为什么免疫细胞会对癌细胞视而不见

后来,科学家在T细胞表面发现了T细胞独有的抗原识别受体(TCR)[4-7]。T细胞识别癌细胞的的方式总算被找到了,但是决定T细胞是否杀死癌细胞的那个关键分子还没找到。虽然后来发现了CD28分子[8],但是Allison等科学家发现,CD28分子应该也不是起关键作用的那个分子

Allison的博士后Matthew Krummel很快就找到了头绪。决定T细胞是否抗癌的关键分子可能是法国科学家团队于1987年克隆的CTLA-4[9]。1991年,百时美施贵宝的Peter Linsley证实了这一发现[10]。而且,一年之后Linsley率先发表了抗CTLA-4抗体的研究成果,他认为CD28和CTLA-4协同作用,促进T细胞的增殖[11]。

尽管如此,Allison并不相信Linsley完全解决了T细胞的活化问题。在Allison看来,要想让车跑起来,有两种方法,一种是踩油门,一种是松刹车。大家都把CTLA-4当油门研究,它有没有可能是个刹车呢

还真是。

经过两三年的苦战,到1995年Krummel终于证实了Allison的猜想:CTLA-4的作用与T细胞受体完全相反,它其实是个T细胞活性的抑制分子,也就是说CTLA-4是个“刹车”分子[12]。芝加哥大学的Jeffrey Bluestone团队也发现了这一点[13,14]。

▲ 抗CTLA-4抗体松手刹(诺贝尔奖官网)
▲ 抗CTLA-4抗体松手刹(诺贝尔奖官网)

这个发现让科学家感到意外,毕竟之前几乎没人想过T细胞上还会有刹车分子。决定命运的关键时刻又到了:这个CTLA-4分子究竟能为人类的健康做点儿什么呢

Allison把这个新研究课题交给了研究过肿瘤的博士后Dana Leach。

Leach按照Allison的试验设计,把一批携带肿瘤的小鼠分成两组,一组注射抗CTLA-4抗体,另一组作为对照。最终的结果让Allison有点儿不敢相信:用了抗CTLA-4抗体的小鼠都活着,而且肿瘤都消失;而对照组小鼠,肿瘤一直疯长,最终所有的小鼠都死亡

为了保险起见,他们又重新做了一遍实验。而且,这一次是Allison亲自动手。由于知道这个研究的价值和意义,Allison每天都会去看看鼠笼里的小鼠,并认真记录小鼠肿瘤的大小。

让Allison感到失望的是,在接连好多天的时间里,所有小鼠的肿瘤都在疯长,根本没有被抑制的迹象。几天之后,就在Allison打算放弃的时候,奇迹出现了:有两笼小鼠的肿瘤体积在缩小,另外两笼仍在长大。

原来阻断CTLA-4可以抗癌

1996年,Leach和Allison的这项重要研究成果被顶级期刊《科学》刊登[15]。

▲ 1996年的论文
▲ 1996年的论文

有了这项研究成果,Allison结合其他研究团队的发现,对CTLA-4的作用机制做了个复盘。

Allison推测,CTLA-4作为一个免疫抑制因子,它可以阻止免疫系统攻击正常的组织[16-18];而癌细胞恰恰利用了内置于T细胞之中的这种免疫抑制机制,抑制了T细胞的活性,为自己的生存和发展壮大提供了机会

这时Allison有了个大胆的猜想,既然抗CTLA-4抗体可以治愈小鼠的癌症,或许在人身上也可以。

2000年,抗CTLA-4抗体终于在晚期黑色素瘤患者身上,向世人展示了免疫治疗的抗癌实力。2004年,第一个抗CTLA-4抗体的安慰剂控制,随机III期临床研究拉开帷幕,证实了抗CTLA-4抗体的强大治疗效果[19]。2011年,CTLA-4抗体成为全球第一个获批上市的免疫检查点抑制剂,标志着癌症的治疗进入了崭新的免疫治疗时代

抗CTLA-4抗体的成功,让科研人员意识到,与CTLA-4类似的靶点肯定也有强大的抗癌潜力。

很快,日本京都大学Tasuku Honjo团队在1992年克隆到的PD-1分子吸引无数科学家的目光[20]。华人免疫学家陈列平和Tasuku Honjo的研究都表明,这个PD-1分子一旦与肿瘤细胞上的PD-L1结合,T细胞的抗肿瘤活性就没了[21-23]。这就意味着,PD-1和CTLA-4类似,也是T细胞的一种负调节因子。

▲ PD-1通路
▲ PD-1通路

2014年,两款抗PD-1抗体先后获得FDA的批准上市,癌症免疫治疗的时代全面到来。

独立通路强强联合,免疫治疗再攀高峰

在这个崭新而充满希望的时代,我们一次次被免疫治疗的神奇效果折服。

我们已经看到,22%的晚期黑色素瘤患者,在接受抗CTLA-4抗体治疗之后,存活时间超过10年[19,24]。靶向PD-1/PD-L1通路的抗体也取得了良好的治疗效果[25-27]。尤其是在非小细胞肺癌中,在今年的世界肺癌大会上,CheckMate 017/057的5年随访数据发布,接受抗PD-1抗体治疗的晚期非小细胞肺癌患者的5年生存率,是接受化疗患者的5倍以上

▲ CheckMate 017/057的5年随访数据
▲ CheckMate 017/057的5年随访数据

在兴奋之余,科学家和医生们都注意到,免疫治疗的神奇效果,也只能拯救30%左右的晚期癌症患者,仍有很大一部分患者不能从免疫治疗中获益。

有些科学家开始思考,如果把抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体联合使用,会不会解决一部分问题呢?

要解决这个问题,首先需要弄清楚的是抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体的作用部位和机制。

我们先来看看CTLA-4。通过前面的介绍,我们已经知道CTLA-4它是个“刹车”分子。它发挥“刹车”作用的过程也并不复杂。

我们身体在遭遇病原物或者异常细胞侵袭时,抗原呈递细胞会拿着它们的分子特征,进入淋巴结,激活初始T细胞,让T细胞开始扩充军队,抵抗外敌;在活化到一定程度之后,为了避免活化T细胞过多,而伤及健康的组织和细胞,初始T细胞就开始表达低水平的CTLA-4,刹车机制开始启动,“扩军”停止[31]。

此外,除了被激活的T细胞之外,有免疫抑制功能的调节T细胞也一直在大量表达CTLA-4

▲ 抗PD-1抗体和抗CTLA-4抗体的作用机制并不相同[28]
▲ 抗PD-1抗体和抗CTLA-4抗体的作用机制并不相同[28]
再来看看PD-1。作为另一个“刹车”,PD-1与CTLA-4非常不同。首先,淋巴结里面的初始T细胞是不表达PD-1的,但是活化后的、杀伤力比较大的T细胞PD-1表达水平非常高。为了避免被这种T细胞误伤,人体大多数健康组织细胞都表达PD-1的配体PD-L1,只要PD-1见到PD-L1就认作朋友。

另外,有很多免疫细胞也表达PD-1,例如有免疫抑制功能的调节T细胞

总结一下就是,抗CTLA-4抗体起作用的部位主要是淋巴结,它能解除CTLA-4对T细胞活化的抑制,增加外周血中活化T细胞的水平[29];它还能结合到调节T细胞表面。而抗PD-1抗体主要作用于外周血或者肿瘤中的被活化的T细胞,阻断这些T细胞的PD-1与免疫细胞的PD-L1结合,解除癌细胞对T细胞抗癌活性的抑制;它也能活化调节性T细胞。

那么抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体的不同作用机制,如何相互配合,提高抗癌效果的呢?这个咱们从近两年的研究成果说起。

▲ 抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体作用机制(wiki)
▲ 抗CTLA-4抗体和抗PD-1抗体作用机制(wiki)

大约在一年前,来自新加坡SIgN的研究团队发现了一个让人无奈的现实:肿瘤组织里面不仅有杀灭癌细胞杀伤性T细胞;还有大量与癌症无关的、原本应该是识别病毒的“旁观者”杀伤性T细胞,而这些T细胞根本就“不认识”癌细胞[30]。荷兰癌症研究所的科学家证实了SIgN的发现,而且进一步确认,肿瘤中具有识别癌细胞能力的杀伤性T细胞不足10%[31]。

更糟糕的是,即使是这10%的杀伤性T细胞,也不是抗PD-1抗体治疗之后的抗癌主力。就在两个月前,斯坦福大学医学院的科学家发现,那些在抗PD-1抗体治疗之前进入肿瘤,而且已经处于耗竭状态的肿瘤浸润T细胞,抗PD-1抗体拯救不了;而真正响应抗PD-1抗体治疗,最终起到抗癌作用的可能是治疗后从外周血进入肿瘤的T细胞[32]。

如果事实确实如此的话,那么CTLA-4抗体治疗提升外周血活化T细胞水平和记忆T细胞的能力,对抗PD-1抗体而言,是个非常大的助力

二者联合使用的优势互补作用远不止这些。

疾病超进展也是影响抗PD-1抗体治疗效果的重要原因之一。前不久,韩国科学家发现,在接受抗PD-1抗体治疗的晚期非小细胞肺癌患者中,出现疾病超进展的患者占到18.9%[33];早在2017年的一项多癌种研究发现,甚至有9%的患者在接受抗PD-1抗体治疗之后,因疾病超进展死亡[34]。

▲ 图片来自Pixabay
▲ 图片来自Pixabay

今年4月份,来自日本国立癌症中心的科学家揭示了超进展背后的部分机制。他们发现,抗PD-1抗体影响的不只是杀敌的细胞毒性T细胞,也有抑制免疫的调节T细胞[35]。PD-1抗体能提升调节T细胞的增殖能力和免疫抑制能力,进而抑制了杀伤性T细胞的抗肿瘤活性,最终导致了肿瘤超进展。

前面我们已经介绍过,这个调节细胞非常特殊,它不仅能表达PD-1,还能表达CTLA-4。既然抗PD-1抗体激活了它,那抗CTLA-4抗体能不能消灭调节T细胞,抵消抗PD-1抗体对调节T细胞的激活作用呢?

还真可以,至少抗CTLA-4抗体ipilimumab可以。这主要是因为Ipilimumab的设计非常特殊,它是IgG1型抗体,具有很强的抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用(ADCC)作用[36]。这就意味着,这个CTLA-4抗体是可以杀死与它结合的调节T细胞的;由于初始T细胞的CTLA-4表达水平远远低于调节T细胞,所以能免遭杀身之祸[37,38]。也就是说,CTLA-4抗体有望降低抗PD-1抗体的负面作用

▲ 免疫细胞(该图片由David Mark在Pixabay上发布)
▲ 免疫细胞(该图片由David Mark在Pixabay上发布)

实际上来,从临床数据来看,PD-1抗体联合有ADCC功能的抗CTLA-4抗体,确实能降低肿瘤超进展患者的比例[39]。

而且,有ADCC功能的抗CTLA-4抗体联合抗PD-1抗体,已经在黑色素瘤[40]、肾细胞癌[41]和非小细胞肺癌[42]中获得成功

总的来说,以上这些出自顶级研究机构的研究都表明,抗CTLA-4抗体可以诱导新生抗肿瘤T细胞反应,抗PD-1抗体主要是恢复T细胞的抗肿瘤作用,这是这两种抗体作用机制之间的不同。

不过,二者的这种不同之中还有协同。具体来说,抗CTLA-4抗体可以让外周血中有更多的活化T细胞和记忆T细胞,抗PD-1抗体则可以解除肿瘤对这些T细胞抗癌活性的抑制;抗PD-1抗体有可能会激活调节性T细胞,而具有ADCC活性的抗CTLA-4抗体可以清除调节性T细胞;抗CTLA-4抗体还能导致肿瘤PD-L1代偿性过表达,抗PD-1抗体则能阻断PD-L1与PD-1的结合。正是这种协同作用,增强了免疫系统的抗癌效果。

最后,还有个不得不提的好消息是,就在今天,抗CTLA-4抗体联合抗PD-1抗体的CheckMate 227数据发表在《新英格兰医学期刊》上再次证实两个单抗一线联合治疗非小细胞肺癌,可以让患者获得更长的总生存时间,而且这种获益与PD-L1表达水平无关[43]

目前还有很多抗CTLA-4抗体联合抗PD-1抗体的临床研究正在进行之中。有了上述基础研究的支撑,以及已获成功的临床研究的证实。抗CTLA-4抗体联合抗PD-1抗体有望将免疫治疗推上另一个高峰。

* ipilimumab尚未在中国大陆上市

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