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【超级科普文】肿瘤免疫细胞治疗(三)

【超级科普文】肿瘤免疫细胞治疗(三)

 恒瑞源正 2018-05-08

  


  来源| MDL科研助手

  编辑| yat

  Part 3ICIs耐药现象的解释

  为何有些肿瘤抵抗PD-1/PD-L1治疗,陈列平教授将耐药性肿瘤分为3类:

  Target-missingresistance:这些肿瘤不表达PD-L1,或者有PD-L1但没有T淋巴细胞(缺乏PD-1),因此属于靶子缺失型。这种肿瘤对PD-1/PD-L1抗体治疗不可能有效果。明显有其他逃逸机制在起作用。

  Primaryresistance:肿瘤微环境中有PD-L1,也有T细胞,但病人对PD-1/PD-L1抗体治疗没有反应。 这样的情况比较少见。

  Acquiredresistance:肿瘤微环境中有PD-L1,也有T细胞。病人对PD-1/PD-L1抗体治疗最初也有反应,但是后来肿瘤复发,用PD-1/PD-L1抗体再治疗也无效。这一种才是真正的耐药。

  MD安德森的Padmanee Sharma发表文章《Primary, Adaptive, andAcquired Resistance to Cancer Immunotherapy》讨论ICIs的耐药机制。

  肿瘤免疫疗法的一个显著特点是肿瘤响应的时间长,但是在使用anti-CTLA-4或anti-PD-1治疗黑色素瘤的患者中,大约有1/4-1/3的患者在经历初始响应后出现了肿瘤进展,即获得性耐药。获得性耐药的产生的主要是肿瘤细胞上特定基因或通路的表达或上调,从而导致肿瘤微环境中免疫细胞的浸润以及功能受到抑制。例如,T细胞功能的丧失,肿瘤抗原提呈出现缺陷以及其他一些新突变的产生。例如,在一类较晚获得anti-PD-1耐药性的病人中,发现了B2M的突变,从而导致抗原提呈机制缺陷。在另两例获得性耐药肿瘤中,发现了IFNγ通路中JAK1或JAK2发生了突变。PD-1抗体只是解除了“T细胞枷锁”,疾病的控制最终还是要通过T细胞实现,因此,凡是影响T细胞招募、激活等功能的,均能够最终影响PD-1抗体的临床收益。

  导致免疫疗法耐药的肿瘤内在原因

  MAPK通路的激活与或PTEN表达的缺失而引起的PI3K通路的增强:

  癌基因信号通过MAPK通路导致VEGF与IL-8的产生,从而抑制T细胞的招募与功能。肿瘤抑制基因PTEN表达缺失从而PI3K通路增强,这与IFNγ,颗粒酶B的基因表达量降低以及肿瘤浸润CD8+T细胞的数目减少是高度相关的。

  WNT/β-catenin信号通路的持续表达:

  癌基因信号通过稳定β-catenin导致WNT信号通路持续激活,从而将T细胞排除在肿瘤之外。在人Non-T-cell-inflamed的黑色素瘤中,肿瘤内在的β-catenin信号基因高度表达,且在肿瘤微环境中缺少T细胞与CD103+DC细胞。

  肿瘤上PD-L1的高表达:

  肿瘤上高表达的某些配体如PD-L1,会抑制抗肿瘤T细胞的应答。多种机制可能导致PD-L1高表达,包括PTEN的缺失或PI3K/AKT的突变,EGFR突变,MYC过表达,CDK5基因破坏以及PD-L1基因3’-UTR的截短。目前还不知道PD-L1的高表达是否会对anti-PD-1/PD-L1的响应有影响,但是它会影响其他的肿瘤免疫疗法。

  IFNγ信号通路的缺失:

  由肿瘤特异的T细胞产生的IFNγ,能够识别肿瘤细胞或抗原递呈细胞上的相应受体,从而发挥有效的抗肿瘤免疫响应。IFNγ能够增强MHC分子的表达,从而增强肿瘤抗原提呈作用。IFNγ也能够招募其他的免疫细胞,或者直接抑制肿瘤细胞的增殖,促进其凋亡。因此肿瘤细胞上IFNγ通路相关蛋白,如IFNγ受体IFNGR1与IFNGR2,IFNγ受体链JAK1与JAK2,STATs,IRF1等突变与缺失,都会导致对免疫检查点抑制剂的耐药。

  缺少肿瘤抗原:

  免疫疗法依赖于肿瘤抗原特异的T细胞。在人黑色素瘤,肾细胞癌,非小细胞肺癌中,DNA突变频率高,肿瘤免疫原性更强,因而对anti-PD-1疗法响应更好。而在胰腺癌以及前列腺癌中,DNA突变频率低,肿瘤免疫原性低,对anti-PD-1疗法响应差。

  抗原提呈机制存在缺陷:

  在某些情况下,由于抗原加工过程中的蛋白酶体成员,转运蛋白,MHC本身以及beta-2-微球蛋白(B2M)的功能缺陷,会导致抗原提呈机制不能有效地将肿瘤抗原提呈到细胞表面。B2M在HLAI家族的折叠与转运到细胞膜的过程中发挥关键作用,若其丧失功能,则CD8+T细胞失去了识别功能。

  存在一系列特定基因的表达:

  在对PD-1疗法没有响应的肿瘤中,有一些基因表达被富集,被称为innate anti-PD-1 resistance signature,或IPRES。这些基因与间叶细胞的转化,全能型以及伤口愈合相关,且更倾向于表达在胰腺癌等对PD-1不响应的肿瘤中。

  

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  导致原发性/继发性耐药的肿瘤外部原因

  这些原因是由于肿瘤微环境中一些成员发挥抗癌免疫响应的抑制作用,主要包括调节T细胞Tregs,髓样抑制细胞MDSCs,M2巨噬细胞,其他的抑制性免疫检查点与抑制性细胞因子等。

  Tregs:

  Tregs能通过分泌抑制性细胞因子或者通过直接的细胞接触来抑制效应T细胞Teffs的响应。许多人肿瘤中发现了浸润的Tregs,且鼠模型中去除肿瘤微环境中的Tregs能够显著提高免疫响应。由于CTLA-4在Tregs上高表达,anti-CTLA-4能够显著提高Teffs/Tregs的比例,从而提高肿瘤对免疫疗法的响应。

  Myeloid-derivedsuppressor cells (MDSCs):

  MDSCs在多种病理条件包括肿瘤,发挥着免疫响应调节因子的作用。人MDSCs表达CD11b+与CD33+,但是不表达HLA-DR以及系种特异的抗原CD3,CD19与CD57。MDSCs能够促进血管生长,肿瘤侵袭与转移。肿瘤微环境中MDSCs的存在与降低的生存率以及免疫检查点抑制剂疗法的响应率相关。目前实验中使用PI3Kγ抑制剂来调节巨噬细胞功能,在老鼠模型中,PI3Kγ抑制剂与anti-PD-1联用表现出了良好的肿瘤抑制效果。

  M2macrophages:

  肿瘤相关的巨噬细胞(Tumor-Associated Macrophages,TAMs)也能够影响免疫治疗的响应。TAMs包括M1巨噬细胞和M2巨噬细胞,在大多数情况下M2巨噬细胞占TAMs的大多数。其中M1巨噬细胞能够高表达IL-12,IL-23,MHC以及B7家族分子来促进抗原提呈与Th1细胞的激活,从而发挥抗肿瘤免疫作用;而M2巨噬细胞能够分泌抑制性细胞因子IL-10与TGF-β,从而抑制免疫响应与促进肿瘤生长与转移。临床上TAMs的数目越多,肿瘤预后就越差。临床前实验使用巨噬细胞集落刺激生长因子受体1(CSF-1R)的抑制剂,能够显著减少TAMs数目,抑制肿瘤生长。CSF-1R抑制剂与anti-CTLA4或anti-PD1再加上吉西他滨联用,能够有效缓解单独anti-CTLA-4或anti-PD1不响应的鼠胰腺癌模型。

  其他的抑制性免疫检查点:

  除了PD-1与CLTA-4,T细胞上还存在其他的抑制性免疫检查点,包括TIM-3,LAG-3,BTLA,TIGIT,和VISTA等。2016年《naturecommunication》上,有研究者发现anti-PD-1耐药性的产生与抑制性免疫检查点TIM-3的的表达量升高密切相关。在两个老鼠肿瘤模型中,耐药后与给药前相比,肿瘤浸润的T细胞而非外周血或脾脏T细胞上的TIM-3表达量显著上调,且TIM-3表达量上调的主要是那些结合了anti-PD-1抗体的T细胞。需注意的是TIM-3表达量升高是anti-PD-1疗法特异的,因为anti-CTLA-4中并未检测到类似现象。此外,肿瘤细胞上TIM-3配体Galectin-9的表达量也显著升高。当anti-PD-1疗法出现耐药后,联用anti-TIM-3,显著提高了生存率。有意思的是,当anti-PD-1和anti-TIM-3联用被耐药,肿瘤重新进展时,那些结合了anti-PD-1和anti-TIM-3抗体的T细胞上,其他的抑制性免疫检查点如CTLA-4,LAG-3的表达量明显升高。这说明了肿瘤浸润T细胞的抑制性免疫调节是动态变化的,存在着补偿效应。最后,在两例对anti-PD-1疗法获得性耐药的NSCLC病人肿瘤样本中,也观察到了TIM-3而非其他抑制性免疫检查点的表达量显著升高。这些结果说明了anti-PD-1和anti-TIM-3联用是对于那些anti-PD-1疗法获得性耐药病人的一个良好策略。

  免疫抑制细胞因子与免疫抑制分子:

  肿瘤或者巨噬细胞会释放一些免疫抑制细胞因子或者免疫抑制分子来减弱局部的抗肿瘤免疫反应。肿瘤微环境中的免疫因子或免疫细胞的异常表达

  某些免疫因子如激活型免疫因子(IL-12,IL-23),抑制性免疫因子(IL-10与TGF-β),免疫细胞如Tregs, Myeloid-derivedsuppressor cells 等能够显著影响抗体的临床治疗效果。

  TGF-β能够促进血管生成,刺激Tregs从而发挥免疫抑制作用。在多种肿瘤中,高水平的TGF-β都伴随着极差的预后。临床前实验使用TGF-β受体激酶抑制剂与anti-CTLA-4联用,或者放疗与TGF-β抑制剂都显示出了较好的肿瘤抑制效果。在细胞外,CD39能够将ATP水解成AMP,进一步被胞外核苷酶CD73加工为免疫抑制分子腺苷adenosine。Adenosine能够通过T细胞上的A2A受体抑制T细胞的增殖与细胞毒活性,也能通过肿瘤细胞上的A2B受体促进肿瘤转移。多种类型的肿瘤中,CD73的高表达伴随着较差的预后,且会影响anti-PD-1的效果。此外,IFNγ会促进免疫抑制分子IDO的表达,IDO能直接负调控效应T细胞的功能。

  趋化因子与趋化因子受体:

  某些特异的趋化因子与趋化因子受体在MDSCs和Tregs往肿瘤微环境的运输过程中起到重要作用。肿瘤细胞能够分泌配体CCL5,CCL7和CXCL8,通过结合MDSCs上表达的CCR1及CXCR2受体,从而将MDSCs吸引至肿瘤微环境中。CCR4在Tregs上高表达,anti-CCR4能够有效抑制T细胞的招募并通过ADCC效应减少Tregs的数目。此外CXCR4是CXCL12的受体,CXCL12能够通过影响Tregs定位等多种方式发挥免疫抑制作用。

  肿瘤浸润细胞上CD28的表达:

  CD28是T细胞的共刺激分子,对于T细胞的激活,增殖和存活起到关键作用。在人出生时,所有T细胞都会表达CD28,但是CD28的表达量会随着年龄的增加而下降,80岁时会有10-15%的CD4+T细胞以及50-60%的CD8+ T细胞缺失CD28表达。CD28-T细胞产生的主要原因是重复的抗原刺激。CD28表达的消失只存在与人和灵长动物中,在鼠中并没有被发现。

  2017年03月09号,science期刊发表了来自Emory疫苗中心的研究工作,他们发现CD28对于耗尽的CD8+T细胞(ExhaustedCD8+ T Cell)的再激活是必须的。在老鼠模型中,阻断CD28-B7共刺激通路,会影响肿瘤特异CD8+T细胞的增殖和激活,降低对anti-PD-1/PD-L1疗法的响应。在经过anti-PD-1治疗的NSCLC病人中,增殖的CD8+T细胞(高Ki-67表达)大都为PD-1阳性,且被激活(高HLA-DR,CD38表达)。和鼠模型中一样,这些增殖的CD8+T细胞大都是CD28阳性的,说明了CD28共刺激对于肿瘤浸润的PD-1+CD8+T细胞的增殖与再激活是至关重要的。因此,CD28可以用作预测anti-PD-1疗法响应程度的分子标记。

  抗体药物失效的可能原因是巨噬细胞“吃掉”了它:

  MGH研究人员将PD-1抗体opdivo、肿瘤细胞、T细胞、巨噬细胞等分别染色,发现PD-1抗体能够与巨噬细胞表面的Fcγ受体结合,从而被巨噬细胞“吃掉”,这在体外细胞实验和小鼠体内均得到证实,同时研究人员发现酶PNGaseF能过抑制该吞噬过程,这给PD-1抗体临床治疗方案的优化提供思路。

  

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  ICIs抗体药物耐药对策

  ① 联合用药:多个免疫检查点抑制剂药物的联合使用(opdivo联合yerovy)。

  ② 抗体药物和化疗药物的联合使用:如keytruda+培美曲塞+卡铂联合治疗方案。

  ③ 在生物标志物的指导下采取个性化治疗方案,以获得更高的临床收益。

  临床应用

  

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  人类对癌症的认知经历了细胞与分子生物学水平的演进,目前对癌的解释可以概括为:自身体细胞在基因组突变积累的基础上出现失控增殖表型和迁移失控表型并可能表达异常信号分子,通过占位效应和分子毒性效应导致原宿主多细胞系统代谢奔溃的生命现象。这种现象见于各种动物,但不同物种发病率不同,在人类60岁以后癌症是常见致死致残性疾病,如果一个人活到80岁有50%可能性出现癌症类现象,癌症的异质性很大,有些即使很大也未必致死,有些即使转移也能较长时间存活。

  人类在癌症免疫疗法取得突破性进展之前主要的局部治疗有:外科式手术刀或者物理化学消融性微创外科、放射线治疗、化学药物、分子靶向药物(各种抗体或者小分子酪氨酸激酶抑制剂)。

  当前比较成功的抗癌免疫治疗方法是CART-T过继免疫治疗和免疫检测点抑制剂。

  前者在血液肿瘤取得了很大的成功,后者在血液肿瘤及实体肿瘤均显示了疗效。

  传统的抗癌疗法与免疫治疗具有协同效应,而且传统的抗癌疗法也对免疫系统或免疫反应有一定影响:

  化疗药物吉西他滨、卡培他滨及环磷酰胺在破坏癌细胞的同时释放的癌细胞坏死物比其它化疗或分子靶向内分泌药物更具有抗原性。

  物理如放射线或者物理化学消融如热冷及酒精等消融技术杀死的癌细胞裂解物也具有一定免疫原性,甚至可导致残余肿瘤消退。

  外科大手术创伤大具有免疫抑制效应,切除过程中的癌细胞破碎可导致癌细胞脱落转移,当然也可能会导致免疫原性反应。

  未来的方向

  ① 解原发和继发耐药的机制。

  原发耐药:微环境中缺乏靶点,或者存在另外的免疫抑制机制。

  继发耐药:TME发展出一些针对ICIs的新机制,如直接吞噬抗体

  ② 了解TME免疫抑制的整体框架。

  

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  现在看来,在癌症病灶中肯定存在着一种类似保护罩似的局部结构,我觉得可以从以下几方面理解:

  全身性的:癌症细胞群可以释放全身性的代谢和免疫抑制剂,以调节全身全身的代谢与营养、免疫状态。

  局部可溶性分子(来自癌巢中的癌细胞和间质细胞):在局部微环境形成高浓度的抑制溶剂。

  局部不可溶解性的(来自癌巢中的癌细胞和间质细胞):间质里的胶原蛋白纤维间隔等组织骨架。其实感觉组织骨架就是植物细胞的细胞壁似的物质,或者类似于植物的纤维素,构建组织微环境并支持多细胞系统的基本形态。

  癌细胞表面的:典型的如PD-L1。

  间质细胞层次的:如MDSC、癌性相关纤维母细胞和癌性巨噬细胞。

  

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  ③ 阐明转移癌细胞离开肿瘤微环境为啥可以存活的机制。理解转移前和转移后微环境的免疫学性质变化。

  癌细胞离开创始根据地去宿主的其它地盘上开疆拓土是一件风险极大的事情。进入血液中的癌细胞存活下来的机率非常低,多数被杀死或者自己死亡。能够粘附血管壁并进入周围组织存活下来的又低了许多。不过有证据表明,即使血液中可以检测到存活癌细胞,但最终的解决有以下几种:

  全挂在血液中或在建设新的根据地的过程中。

  到了某根据地,但是不适合发展,长期潜伏,甚至终身无用;也有可能,在N年后的某一天,获得合适机会再发展起来。临床上可以观察到很多年后复发的乳腺癌之类。

  到了根据地,迅速发展起来。

  ④ 阐明构建癌症免疫和代谢之间的关系。

  代谢是生命的基本特征,所有有生命系统的根本特征。本质上所有的生命都是由基本粒子组成的,基本粒子组成了原子,原子组成了分子,这种不断的系统化后使得系统有了超级复杂性和有序性。为了维持超级系统,系统必须要代谢物质并摄入能量。

  免疫是广义的代谢概念的一种,代谢包含了免疫机能在内。多细胞化后的动物代谢负荷加大,为了供应所有的细胞尽可能获得营养物质,多细胞体系特化了循环系统;为了提高摄食效率,发展了运动系统;为了协调运动系统和内在运动系统循环系统的效率,发展了神经系统。神经系统是一种高级精准的协调系统,后来居上地位于内分泌和免疫系统之上,免疫系统是消化系统的补充系统。内分泌系统负责各功能细胞群的远距离近距离通讯,媒介为化学分子。

  ⑤ 阐明癌症免疫与细胞行为调控的关系。

  人体细胞在过去的35亿年里一直在变化,直至成为今天的细胞形态与功能之前它经历了复杂的演化过程。最近6亿年的演化过程中,人体细胞的祖先是一个开放的系统,接受一切有利于自己的整合。人类基因组中的基因规模目前尚不是很清楚,推测由3万条基因单位。

  这些基因是长时间和地球外界自然环境相互作用的结果,经历了残酷的自然选择过程和对外界的同化过程,才建立起了今天的规模。人类基因组呈现丰富的多态性,既与演化的分支有关,如6万年前就与欧洲人分开的亚洲人与欧洲人之间存在显著的表型差异;也与外界环境有关,如病毒基因组序列对人类基因组的转染与整合,外界自然有利有害突变的积累,以及生活方式和生殖方式对现有基因组体系构建的影响。

  免疫系统的基本架构早在单细胞阶段就已构建了起来。例如免疫球蛋白的结构在人体内是一个巨大的家族,包括了细胞上的受体(TCR)、MHC等,根据FC段的不同又分类为5种免疫球蛋白。到了多细胞阶段后,免疫系统已经分化为一个庞杂巨大的网络系统,虽然经常出错:如不能完全遏制由于人类基因组不稳定性带来的异常增殖性突变,本来细胞的增殖是统一于宏观的神经内分泌调控的。这种增殖可能会伴有移动性病灶扩散,即所谓的恶性增殖、毒性增殖。


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