癌癥這個“大魔頭”似乎知道,James Allison是它的克星。
它先是在Allison十一歲的時候,派淋巴瘤奪走了Allison的母親[1]。隨后,Allison的一位兄弟和兩位叔叔也因癌癥死亡[2]。親人的離去,沒有擊垮Allison,反而促使他開始思考一個困擾了科學(xué)家很久的問題:免疫系統(tǒng)究竟為什么不能像消滅感冒那樣消滅癌癥?
歷經(jīng)30余年的探索,他帶領(lǐng)團隊破解了T細胞識別并殺死癌細胞的秘密,最終促成癌癥免疫治療的誕生。就在此時,癌癥對Allison起了殺心,在短短12年內(nèi),先后派出前列腺癌、黑色素瘤和膀胱癌暗殺Allison[3],結(jié)果卻慘遭反殺。
▲ 抗CTLA-4抗體和抗PD-1抗體治療癌癥獲得2018年諾獎(諾貝爾獎官網(wǎng))
2018年,Allison和Tasuku Honjo因開創(chuàng)癌癥免疫治療獲得諾獎,是免疫學(xué)混沌100年的終結(jié),也是免疫治療攻克癌癥時代的開始。
在免疫治療誕生之前,手術(shù)的使用已經(jīng)有3000年的歷史,放療有120余年的歷史,化療也有70余年的歷史。
這三種傳統(tǒng)治療方法被譽為癌癥治療的“三駕馬車”。但是這三種方法僅對不到一半的癌癥患者有效,還有另一大半患者不能上車。
逐漸地,科學(xué)家們認識到,散布于人體各處的、數(shù)以億計的免疫細胞,形成了一個高效的防御系統(tǒng)。它們搜尋并消滅侵入人體的病原體,以及人體內(nèi)衰老或其他異常的有害細胞。
直到1973年,也就是Allison博士畢業(yè)的那一年,科學(xué)家才終于認全了巨噬細胞、B細胞、T細胞、自然殺傷細胞和樹突狀細胞?,F(xiàn)代免疫學(xué)的新紀元自此拉開帷幕。今年9月10日,美國科學(xué)家Max Cooper和澳大利亞科學(xué)家Jacques Miller,也因為發(fā)現(xiàn)B淋巴細胞和T淋巴細胞,獲得有諾貝爾獎“風(fēng)向標(biāo)”之稱的拉斯克獎。
▲ 拉斯克獎官網(wǎng)
不過,在當(dāng)時科學(xué)家們?nèi)匀徊恢烂庖呒毎侨绾巫R別并殺死癌細胞的,更不知道為什么免疫細胞會對癌細胞視而不見。
后來,科學(xué)家在T細胞表面發(fā)現(xiàn)了T細胞獨有的抗原識別受體(TCR)[4-7]。T細胞識別癌細胞的的方式總算被找到了,但是決定T細胞是否殺死癌細胞的那個關(guān)鍵分子還沒找到。雖然后來發(fā)現(xiàn)了CD28分子[8],但是Allison等科學(xué)家發(fā)現(xiàn),CD28分子應(yīng)該也不是起關(guān)鍵作用的那個分子。
Allison的博士后Matthew Krummel很快就找到了頭緒。決定T細胞是否抗癌的關(guān)鍵分子可能是法國科學(xué)家團隊于1987年克隆的CTLA-4[9]。1991年,百時美施貴寶的Peter Linsley證實了這一發(fā)現(xiàn)[10]。而且,一年之后Linsley率先發(fā)表了抗CTLA-4抗體的研究成果,他認為CD28和CTLA-4協(xié)同作用,促進T細胞的增殖[11]。
盡管如此,Allison并不相信Linsley完全解決了T細胞的活化問題。在Allison看來,要想讓車跑起來,有兩種方法,一種是踩油門,一種是松剎車。大家都把CTLA-4當(dāng)油門研究,它有沒有可能是個剎車呢?
還真是。
經(jīng)過兩三年的苦戰(zhàn),到1995年Krummel終于證實了Allison的猜想:CTLA-4的作用與T細胞受體完全相反,它其實是個T細胞活性的抑制分子,也就是說CTLA-4是個“剎車”分子[12]。芝加哥大學(xué)的Jeffrey Bluestone團隊也發(fā)現(xiàn)了這一點[13,14]。
▲ 抗CTLA-4抗體松手剎(諾貝爾獎官網(wǎng))
這個發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家感到意外,畢竟之前幾乎沒人想過T細胞上還會有剎車分子。決定命運的關(guān)鍵時刻又到了:這個CTLA-4分子究竟能為人類的健康做點兒什么呢?
Allison把這個新研究課題交給了研究過腫瘤的博士后Dana Leach。
Leach按照Allison的試驗設(shè)計,把一批攜帶腫瘤的小鼠分成兩組,一組注射抗CTLA-4抗體,另一組作為對照。最終的結(jié)果讓Allison有點兒不敢相信:用了抗CTLA-4抗體的小鼠都活著,而且腫瘤都消失;而對照組小鼠,腫瘤一直瘋長,最終所有的小鼠都死亡。
為了保險起見,他們又重新做了一遍實驗。而且,這一次是Allison親自動手。由于知道這個研究的價值和意義,Allison每天都會去看看鼠籠里的小鼠,并認真記錄小鼠腫瘤的大小。
讓Allison感到失望的是,在接連好多天的時間里,所有小鼠的腫瘤都在瘋長,根本沒有被抑制的跡象。幾天之后,就在Allison打算放棄的時候,奇跡出現(xiàn)了:有兩籠小鼠的腫瘤體積在縮小,另外兩籠仍在長大。
原來阻斷CTLA-4可以抗癌。
1996年,Leach和Allison的這項重要研究成果被頂級期刊《科學(xué)》刊登[15]。
▲ 1996年的論文
有了這項研究成果,Allison結(jié)合其他研究團隊的發(fā)現(xiàn),對CTLA-4的作用機制做了個復(fù)盤。
Allison推測,CTLA-4作為一個免疫抑制因子,它可以阻止免疫系統(tǒng)攻擊正常的組織[16-18];而癌細胞恰恰利用了內(nèi)置于T細胞之中的這種免疫抑制機制,抑制了T細胞的活性,為自己的生存和發(fā)展壯大提供了機會。
這時Allison有了個大膽的猜想,既然抗CTLA-4抗體可以治愈小鼠的癌癥,或許在人身上也可以。
2000年,抗CTLA-4抗體終于在晚期黑色素瘤患者身上,向世人展示了免疫治療的抗癌實力。2004年,第一個抗CTLA-4抗體的安慰劑控制,隨機III期臨床研究拉開帷幕,證實了抗CTLA-4抗體的強大治療效果[19]。2011年,抗CTLA-4抗體成為全球第一個獲批上市的免疫檢查點抑制劑,標(biāo)志著癌癥的治療進入了嶄新的免疫治療時代。
抗CTLA-4抗體的成功,讓科研人員意識到,與CTLA-4類似的靶點肯定也有強大的抗癌潛力。
很快,日本京都大學(xué)Tasuku Honjo團隊在1992年克隆到的PD-1分子吸引無數(shù)科學(xué)家的目光[20]。華人免疫學(xué)家陳列平和Tasuku Honjo的研究都表明,這個PD-1分子一旦與腫瘤細胞上的PD-L1結(jié)合,T細胞的抗腫瘤活性就沒了[21-23]。這就意味著,PD-1和CTLA-4類似,也是T細胞的一種負調(diào)節(jié)因子。
▲ PD-1通路
2014年,兩款抗PD-1抗體先后獲得FDA的批準(zhǔn)上市,癌癥免疫治療的時代全面到來。
在這個嶄新而充滿希望的時代,我們一次次被免疫治療的神奇效果折服。
我們已經(jīng)看到,22%的晚期黑色素瘤患者,在接受抗CTLA-4抗體治療之后,存活時間超過10年[19,24]。靶向PD-1/PD-L1通路的抗體也取得了良好的治療效果[25-27]。尤其是在非小細胞肺癌中,在今年的世界肺癌大會上,CheckMate 017/057的5年隨訪數(shù)據(jù)發(fā)布,接受抗PD-1抗體治療的晚期非小細胞肺癌患者的5年生存率,是接受化療患者的5倍以上。
▲ CheckMate 017/057的5年隨訪數(shù)據(jù)
在興奮之余,科學(xué)家和醫(yī)生們都注意到,免疫治療的神奇效果,也只能拯救30%左右的晚期癌癥患者,仍有很大一部分患者不能從免疫治療中獲益。
有些科學(xué)家開始思考,如果把抗CTLA-4抗體和抗PD-1抗體聯(lián)合使用,會不會解決一部分問題呢?
要解決這個問題,首先需要弄清楚的是抗CTLA-4抗體和抗PD-1抗體的作用部位和機制。
我們先來看看CTLA-4。通過前面的介紹,我們已經(jīng)知道CTLA-4它是個“剎車”分子。它發(fā)揮“剎車”作用的過程也并不復(fù)雜。
我們身體在遭遇病原物或者異常細胞侵襲時,抗原呈遞細胞會拿著它們的分子特征,進入淋巴結(jié),激活初始T細胞,讓T細胞開始擴充軍隊,抵抗外敵;在活化到一定程度之后,為了避免活化T細胞過多,而傷及健康的組織和細胞,初始T細胞就開始表達低水平的CTLA-4,剎車機制開始啟動,“擴軍”停止[31]。
此外,除了被激活的T細胞之外,有免疫抑制功能的調(diào)節(jié)T細胞也一直在大量表達CTLA-4。
▲ 抗PD-1抗體和抗CTLA-4抗體的作用機制并不相同[28]
再來看看PD-1。作為另一個“剎車”,PD-1與CTLA-4非常不同。首先,淋巴結(jié)里面的初始T細胞是不表達PD-1的,但是活化后的、殺傷力比較大的T細胞PD-1表達水平非常高。為了避免被這種T細胞誤傷,人體大多數(shù)健康組織細胞都表達PD-1的配體PD-L1,只要PD-1見到PD-L1就認作朋友。
另外,有很多免疫細胞也表達PD-1,例如有免疫抑制功能的調(diào)節(jié)T細胞。
總結(jié)一下就是,抗CTLA-4抗體起作用的部位主要是淋巴結(jié),它能解除CTLA-4對T細胞活化的抑制,增加外周血中活化T細胞的水平[29];它還能結(jié)合到調(diào)節(jié)T細胞表面。而抗PD-1抗體主要作用于外周血或者腫瘤中的被活化的T細胞,阻斷這些T細胞的PD-1與免疫細胞的PD-L1結(jié)合,解除癌細胞對T細胞抗癌活性的抑制;它也能活化調(diào)節(jié)性T細胞。
那么抗CTLA-4抗體和抗PD-1抗體的不同作用機制,如何相互配合,提高抗癌效果的呢?這個咱們從近兩年的研究成果說起。
▲ 抗CTLA-4抗體和抗PD-1抗體作用機制(wiki)
大約在一年前,來自新加坡SIgN的研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個讓人無奈的現(xiàn)實:腫瘤組織里面不僅有殺滅癌細胞殺傷性T細胞;還有大量與癌癥無關(guān)的、原本應(yīng)該是識別病毒的“旁觀者”殺傷性T細胞,而這些T細胞根本就“不認識”癌細胞[30]。荷蘭癌癥研究所的科學(xué)家證實了SIgN的發(fā)現(xiàn),而且進一步確認,腫瘤中具有識別癌細胞能力的殺傷性T細胞不足10%[31]。
更糟糕的是,即使是這10%的殺傷性T細胞,也不是抗PD-1抗體治療之后的抗癌主力。就在兩個月前,斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),那些在抗PD-1抗體治療之前進入腫瘤,而且已經(jīng)處于耗竭狀態(tài)的腫瘤浸潤T細胞,抗PD-1抗體拯救不了;而真正響應(yīng)抗PD-1抗體治療,最終起到抗癌作用的可能是治療后從外周血進入腫瘤的T細胞[32]。
如果事實確實如此的話,那么抗CTLA-4抗體治療提升外周血活化T細胞水平和記憶T細胞的能力,對抗PD-1抗體而言,是個非常大的助力。
二者聯(lián)合使用的優(yōu)勢互補作用遠不止這些。
疾病超進展也是影響抗PD-1抗體治療效果的重要原因之一。前不久,韓國科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在接受抗PD-1抗體治療的晚期非小細胞肺癌患者中,出現(xiàn)疾病超進展的患者占到18.9%[33];早在2017年的一項多癌種研究發(fā)現(xiàn),甚至有9%的患者在接受抗PD-1抗體治療之后,因疾病超進展死亡[34]。
▲ 圖片來自Pixabay
今年4月份,來自日本國立癌癥中心的科學(xué)家揭示了超進展背后的部分機制。他們發(fā)現(xiàn),抗PD-1抗體影響的不只是殺敵的細胞毒性T細胞,也有抑制免疫的調(diào)節(jié)T細胞[35]。抗PD-1抗體能提升調(diào)節(jié)T細胞的增殖能力和免疫抑制能力,進而抑制了殺傷性T細胞的抗腫瘤活性,最終導(dǎo)致了腫瘤超進展。
前面我們已經(jīng)介紹過,這個調(diào)節(jié)細胞非常特殊,它不僅能表達PD-1,還能表達CTLA-4。既然抗PD-1抗體激活了它,那抗CTLA-4抗體能不能消滅調(diào)節(jié)T細胞,抵消抗PD-1抗體對調(diào)節(jié)T細胞的激活作用呢?
還真可以,至少抗CTLA-4抗體ipilimumab可以。這主要是因為Ipilimumab的設(shè)計非常特殊,它是IgG1型抗體,具有很強的抗體依賴的細胞介導(dǎo)的細胞毒性作用(ADCC)作用[36]。這就意味著,這個抗CTLA-4抗體是可以殺死與它結(jié)合的調(diào)節(jié)T細胞的;由于初始T細胞的CTLA-4表達水平遠遠低于調(diào)節(jié)T細胞,所以能免遭殺身之禍[37,38]。也就是說,抗CTLA-4抗體有望降低抗PD-1抗體的負面作用。
▲ 免疫細胞(該圖片由David Mark在Pixabay上發(fā)布)
實際上來,從臨床數(shù)據(jù)來看,抗PD-1抗體聯(lián)合有ADCC功能的抗CTLA-4抗體,確實能降低腫瘤超進展患者的比例[39]。
而且,有ADCC功能的抗CTLA-4抗體聯(lián)合抗PD-1抗體,已經(jīng)在黑色素瘤[40]、腎細胞癌[41]和非小細胞肺癌[42]中獲得成功。
總的來說,以上這些出自頂級研究機構(gòu)的研究都表明,抗CTLA-4抗體可以誘導(dǎo)新生抗腫瘤T細胞反應(yīng),抗PD-1抗體主要是恢復(fù)T細胞的抗腫瘤作用,這是這兩種抗體作用機制之間的不同。
不過,二者的這種不同之中還有協(xié)同。具體來說,抗CTLA-4抗體可以讓外周血中有更多的活化T細胞和記憶T細胞,抗PD-1抗體則可以解除腫瘤對這些T細胞抗癌活性的抑制;抗PD-1抗體有可能會激活調(diào)節(jié)性T細胞,而具有ADCC活性的抗CTLA-4抗體可以清除調(diào)節(jié)性T細胞;抗CTLA-4抗體還能導(dǎo)致腫瘤PD-L1代償性過表達,抗PD-1抗體則能阻斷PD-L1與PD-1的結(jié)合。正是這種協(xié)同作用,增強了免疫系統(tǒng)的抗癌效果。
最后,還有個不得不提的好消息是,就在今天,抗CTLA-4抗體聯(lián)合抗PD-1抗體的CheckMate 227數(shù)據(jù)發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)學(xué)期刊》上,再次證實兩個單抗一線聯(lián)合治療非小細胞肺癌,可以讓患者獲得更長的總生存時間,而且這種獲益與PD-L1表達水平無關(guān)[43]。
目前還有很多抗CTLA-4抗體聯(lián)合抗PD-1抗體的臨床研究正在進行之中。有了上述基礎(chǔ)研究的支撐,以及已獲成功的臨床研究的證實??笴TLA-4抗體聯(lián)合抗PD-1抗體有望將免疫治療推上另一個高峰。
* ipilimumab尚未在中國大陸上市
編輯神叨叨
免疫系統(tǒng)真是神設(shè)計~
最后,奇點糕想問問大家,你對抗CTLA-4抗體+抗PD-1抗體這種聯(lián)合治療方式的期待是什么?
參考資料:
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[2].https://www.washingtonpost.com/national/health-science/cancer-fighting-power-couple-tackles-mysteries-of-the-immune-system/2017/09/29/db52e514-810e-11e7-ab27-1a21a8e006ab_story.html
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