重磅!陈列平新观点《Cell》一文读懂肿瘤免疫治疗现状与趋势,
顶级期刊+领军人物+全文推荐

【字体: 时间:2018年11月02日 来源:生物通

编辑推荐:

  耶鲁大学医学院陈列平教授在Cell上发表综述,分析了目前已获FDA批准的各种肿瘤免疫治疗的现状和优缺点,从“免疫正常化”这一崭新角度介绍了抗PD疗法的关键之处,行业大牛在顶级期刊Cell发表的观点,很有借鉴意义,强烈推荐!

  

生物通报道:2018年诺贝尔生理医学奖花落肿瘤免疫治疗,而该领域领军人物之一、为PD-1做出主要贡献的华人学者陈列平遗憾地与诺奖失之交臂。10月4日,耶鲁大学医学院陈列平教授在Cell上发表了一篇题为“A Paradigm Shift of Cancer Immunotherapy: From Enhancement to Normalization”的综述,分析了目前已获FDA批准的各种肿瘤免疫治疗的现状和优缺点,从“免疫正常化”这一崭新角度介绍了抗PD疗法的关键之处,行业大牛在顶级期刊Cell发表的观点,很有借鉴意义,强烈推荐!

前言

近一个世纪以来,人们对抗癌症的努力主要集中在“强化/提高”免疫激活机制——根据已知的免疫分子机制开发各种类型的免疫疗法,通过调节控制免疫调节和免疫激活机制来“促进”免疫激活,以提高抗肿瘤免疫应答的数量和质量。这种通用方法旨在激活和增加免疫反应,我们将其称为“增强免疫疗法”。这种“免疫增强”策略消除病毒和细菌等入侵者行之有效,但是对抗癌症效果并不不理想——既达不到客观缓解,还往往会引发免疫相关副作用(irAE)。

因为癌症并不仅仅靠“快速生长”来对抗免疫反应的,而是积极地采用各种策略来延迟、改变甚至阻止抗肿瘤免疫——这些策略统称为“免疫逃避机制”,通常会破坏本身内在已形成的抗肿瘤免疫力,导致肿瘤生长失去控制。这些免疫逃避机制在癌症进展期间持续发展,并且在晚期癌症中变得更加多样化和复杂化。

改善针对癌症的免疫应答的新策略应该包括阻断这些免疫逃避机制。第一个也是研究得最深入的免疫逃避机制是细胞程序性死亡(PD)途径。当该途径在肿瘤微环境(TME)中被上调时,能抑制效应T细胞的抗肿瘤免疫应答。经多个实验表明:阻断该途径的疗法能够有效改善对多种肿瘤类型的抗肿瘤免疫应答。这种对抗癌症的新策略在概念上与先前的增强方法不同,旨在选择性地修复“由肿瘤诱导”而失去的抗肿瘤免疫力,我们将其称为“癌症免疫正常化疗法”。针对B7-H1/PD-1途径(抗PD疗法)的癌症免疫疗法利用了有关免疫逃避机制的新知识,在最近这十年中已经取得了可喜的进展——实现更高的客观缓解率同时显著降低了免疫相关副作用,如今已获得获得FDA批准应用于10多种癌症适应症,促进与其他不同疗法联合使用。本文希望突出免疫正常化的原理,并从中学习,以实现终极目标——为未来的癌症免疫疗法提供更好的设计。我们相信这种方法代表了癌症免疫学研究未来新兴战略中的首位,并将随着我们对免疫逃逸机制的理解进一步深入而更加有前景。

增强癌症免疫疗法

从一开始,主流癌症免疫疗法集中于“增强”免疫反应中的关键步骤。这些增强策略通常分为两类:

第一种方法是利用免疫系统的效应细胞/分子直接攻击肿瘤细胞,这被称为“被动”免疫疗法。此类别包括
1 抗体靶向疗法及其衍生物(如抗体-药物偶联物),
2 过继性免疫细胞疗法,
3 最新的基因工程T细胞(嵌合抗原受体[CAR] -T,T细胞受体[TCR] ] -T等)。

被动免疫疗法利用现代技术的力量,可将免疫系统提升到更高水平——有时非常高的水平。最著名的实例是用于乳腺癌的抗Her2/neu单克隆抗体(mAb),用于结肠直肠癌或头颈癌的抗EGFR mAb,以及用于B淋巴瘤的抗CD20 mAb等。

第二种方法是通过调控内源的免疫调节机制/免疫激活机制,来增强放大免疫系统的激活,这也称为“主动(active)”免疫疗法。根据免疫应答步骤,我们可以
(1)增强抗原呈递细胞(APC)对抗原的摄取,加工和呈递给T细胞,例如通过抗原/佐剂疫苗和树突细胞疫苗 ——这也可以扩展到细胞因子或药物促进APC活性,如I型干扰素(IFNs),Toll样受体(TLR)激动剂和干扰素基因(STINGs)激动剂;
(2)增强未分化幼稚T细胞(naive T cells)的活化和扩增:例如树突细胞疫苗和抗细胞毒性T淋巴细胞抗原-4(CTLA-4)单克隆抗体(CTLA-4和PD-1共享2018诺贝尔奖)(为何归入这里请看后面分析);
(3)强化免疫应答的效应阶段:例子是使用离体刺激和扩增的肿瘤浸润T细胞(TILs,能渗透肿瘤内的T细胞)输注回癌症患者的过继细胞疗法。

在本文中,我们将重点讨论和分析主动免疫疗法,以及CAR-T细胞疗法。对于抗体靶向治疗,请参考几篇优秀的综述文章(Scott等,2012,Weiner,2015,Weiner等,2010),这里不再深入讨论。

重点是要理解,增强策略目的不是要纠正或克服在抗肿瘤免疫应答的过程中现有的或已知的免疫缺陷。例如,对于白细胞介素-2(IL-2)及其受体缺陷的癌症患者不选择IL-2疗法。在用抗-CTLA-4mAb治疗患者时并不知道患者是否存在CTLA-4过表达或改变的B7-1/B7-2表达,是否会构成由肿瘤诱导的免疫缺陷。同样地,给予患者癌症疫苗或过继治疗的时候,并不知道患者是否存在或者会引发某种免疫缺陷。

在一些患者中,这些增强策略确实为患者的免疫激活过程提供了所需的补充。因此,这些患者可以从这种治疗中大大获益。然而,在多数病例中,这些策略可能仅仅是免疫系统的激活剂,它们增加对肿瘤的免疫反应的同时,也会将免疫系统推向超生理水平,随后增加免疫相关副作用的风险( irAEs)。

尽管存在这些概念上的限制,这些早期免疫增强策略确实产生了一定的客观肿瘤缓解案例,随后获得FDA批准用于治疗个别几种肿瘤(Grupp等人,2013,Kantoff等人,2010,Parkinson等人,1990,Porter等人,2011,Rosenberg等,1987)。

然而,成功治疗往往只是少数例外(只有一小部分患者表现出客观缓解),而且这些免疫增强策略往往未能表现出对多种肿瘤类型有效。在大多数情况下,由于缓解/毒性比(response/toxicity ratio)不佳——例如IL-2和抗-CTLA-4mAb——这些疗法一直没法将所获得的FDA批准从特定肿瘤扩展应用到其他肿瘤。我们将讨论重点放在为什么要将这些疗法视为“免疫增强”,以及免疫增强策略实际的缓解/毒性比率不理想的原因。由于不可能回顾所有的免疫疗法,我们选择仅将重点集中在FDA批准的癌症免疫疗法中——这些疗法已经证明在至少一种肿瘤类型中具有显著的抗肿瘤活性。


图1:FDA批准的癌症免疫疗法及其在免疫增强与免疫正常化的适应症


1.癌症疫苗

根据传染病疫苗接种的想法,癌症疫苗的想法是通过不同方法用肿瘤抗原来使患者获得免疫——各种方法包括基于细胞的,基于DNA的和基于蛋白质/肽的制剂等等。可惜的是,在多种肿瘤类型中进行了数千次癌症疫苗试验并进行了测试后,只有一种癌症疫苗具有中等效果而获得批准(前列腺癌中的sipuleucel)(Kantoff等,2010)。许多这类疫苗接种策略能够诱导外周肿瘤特异性T细胞应答,但不能显示出客观的抗肿瘤活性(Melero等,2014,Rosenberg等,2004)。

这些发现表明,这些癌症患者的主要障碍可能不在于肿瘤特异性T细胞引发。此外,一些黑色素瘤患者接种癌症疫苗后出现了与客观肿瘤缓解相关的白癜风症状(自体免疫的标志),表明肿瘤缓解和自体免疫往往是相关联的(Overwijk和Restifo,2000)。随着新抗原肿瘤疫苗的出现,这种策略又重新获得关注,催生了对具有更高T细胞亲和力且不产生中心耐受性(central tolerance)的新抗原的需求(Ott等,2017,Sahin等,2017)。

2.细胞因子

“增强癌症免疫疗法”的最具说明性的例子之一是使用IL-2。 IL-2是抗原特异性T细胞和自然杀伤(NK)细胞的生长因子。 IL-2首次在1976年鉴定(Morgan等,1976),1983年cDNA克隆的分离(Taniguchi等,1983),随后,重组IL-2在许多鼠肿瘤模型中显示出具有抗肿瘤活性(Rosenberg等,1985)。根据动物模型数据,IL-2在癌症患者中进行了测试,并获得FDA批准,以5%-15%的客观缓解率治疗肾细胞癌(1992)和黑色素瘤(1998)(Rosenberg,2014)。IL-2在少数情况下能诱导有效的抗肿瘤免疫应答,但在多数患者中,IL-2在多个器官和组织中表现显著的诱导毒性——主要是常规毛细血管渗漏综合征有关(Atkins等,1999)。IL-2的抗肿瘤作用看起来似乎是特例,而对免疫系统的广泛刺激似乎是普遍现象。随着新版IL-2受体激动剂的到来,其效果和毒性将有望得到改善——其一是基于基因工程化设计的IL-2可优先结合CD8和NK的IL-2受体,而不是Treg IL-2受体(Charych)等人,2016),其二是针对肿瘤抗原的双特异性构建体,将IL-2的大部分作用重新聚焦到肿瘤微环境中(Klein等,2017)。

3.抗CTLA-4单克隆抗体

CTLA-4(细胞毒T淋巴细胞相关抗原4)是T细胞细胞表面跨膜受体,受T细胞受体(TCR)结合诱导,可作为未分化T细胞和效应抗原特异性T细胞活化的调节剂(Leach等,1996,Walunas等,1994)。CTLA-4在调节T细胞Tregs中高度表达,并且已证明对诱导的Tregs的发育和功能至关重要(Takahashi等,2000)。缺乏CTLA-4的小鼠出现早期发作的总体T细胞活化,导致在3周龄左右出现炎症浸润和死亡,这突出表明了CTLA-4在控制自体反应性T细胞应答的重要性(Waterhouse等,1995) 。在临床中,抗-CTLA-4 mAb常常诱导产生自体免疫反应,同样证实了CTLA-4通路在控制自体反应性T细胞中的重要性。这些自体免疫反应到底是由于常规T细胞中的CTLA-4功能丧失而发生,还是因为调节性T细胞的CTLA-4功能丧失而发生,亦或是两者同时作用,仍然存在争议。

最近一项使用人源化CTLA-4小鼠模型的研究中,对使用临床级抗CTLA-4单克隆抗体(ipilimumab)是否能阻断B7s/CTLA-4相互作用产生了怀疑(Du et al。,2018),并且在近年来越来越多的研究工作提示,抗CTLA-4单克隆抗体的主要作用可能是由调节T细胞耗竭(Treg depletion)介导的(Bulliard等,2013,Selby等,2013,Simpson等,2013,Arce Vargas等,2018)。因此,这些结果提示需要重新评估抗CTLA-4疗法的“免疫检查点阻断”概念。

另一方面,虽然一小部分黑色素瘤患者(15%-20%)达到了肿瘤客观缓解(objective tumor response),但出现严重毒性(3-5级)的比例更高(30%),提示该药物激活自体反应效率更高于激活肿瘤特异性T细胞。从作用机制来看,CTLA-4阻断策略可能是另一种类型的增强型癌症免疫治疗,因为没有证据表明这一通路是由肿瘤诱导的免疫逃避机制,而且,我们没有证据表明抗-CTLA-4单抗能够优先激活肿瘤特异性T细胞(相对于患者的自体反应性T细胞)。相反,临床数据表明,免疫相关副作用比肿瘤客观缓解率(ORR)更高,就像使用非特异性T细胞生长因子IL-2的结果一样(表1)。这种缓解/毒性比率(response/toxicity ratio)不佳,很可能就是ipilimumab被批准用于治疗转移性黑色素瘤(Hodi等,2010),但未能作为单药治疗在其他肿瘤类型中显示出临床效果(Bilusic) et al。,2017,Lynch et al。,2012)的原因。


表1:经FDA批准的免疫疗法治疗转移性黑色素瘤患者的ORR和从严治疗相关AE

4.嵌合抗原受体CAR-T

CAR-T细胞是基因工程T细胞,包含有抗原结合结构域(通常是单链可变区片段[scFv])和来自受体的细胞内共刺激结构域,例如CD28和/或CD137。这些工程化T细胞的优点在于CAR-T对抗原的识别不受主要组织相容性复合物(MHC)表达的限制。该设计是使用基因工程改造效应免疫细胞使之更有效地攻击肿瘤细胞的最典型的例子之一,(向患者)大量输入这种改造T细胞正是增强策略的典型例子。

这种策略的主要限制是:它需要肿瘤细胞外表面上能表达靶标蛋白,这限制了CAR-T细胞的特异性和应用的广泛性。自杂交瘤技术发明以来,已经产生了许多针对肿瘤细胞的单抗,希望从中发现专一对付肿瘤的“魔法子弹”——但是,现在很清楚,很少有这种真正的肿瘤特异性细胞表面抗原。 CAR-T细胞在识别和破坏靶细胞方面非常有效。在这方面,当肿瘤和非肿瘤组织共有靶抗原时,这种过继细胞疗法有效地清除肿瘤的同时也同样有效地清除正常细胞。例如,靶向CD19蛋白的CAR-T细胞在识别和破坏B细胞淋巴瘤和白血病细胞方面非常有效,但也破坏了患者体内的所有正常CD19 + B细胞。虽然这种脱靶效应是可接受的——由于患者中的B细胞耗竭可以通过给予多克隆人免疫球蛋白(IgG)能够在功能上进行补偿,但是当靶标在正常上皮细胞中表达时,这种脱靶后果可能更加严重。除了这种脱靶毒性之外,与CAR-T细胞相关的最重要的免疫相关副作用是急性细胞因子释放综合征(CRS),这是在CAR-T细胞经抗原识别后产生超生理细胞因子水平的结果(Brudno和Kochenderfer,2016) ,Namuduri和Brentjens,2016年)。所有这些问题的存在严重限制了这种疗法延伸至实体瘤,如HER2特异性CAR-T细胞的初步结果所示(Ahmed等,2015,Morgan等,2010)。

总而言之,使用增强型癌症免疫疗法的常见经验是免疫系统的总体激活导致比客观肿瘤缓解率更高的免疫相关副作用——血液恶性肿瘤中的CAR-T疗法是例外。这种缓解/毒性比率不佳限制了大多数这些疗法的应用,迄今为止这些药物都没有广泛的适应症。


癌症免疫正常化疗法

在过去十年中,一项重要的临床观察表明:系统性免疫激活不一定能导致癌症消退,特别是在实体瘤中。事实上,有充分的证据表明,外周血中完全激活的肿瘤特异性T细胞的存在,并不一定与癌症患者的肿瘤消退或预后良好相关(Melero等,2014,Rosenberg等,2005)。这种矛盾通过近年的研究发现已经获得了更深入的理解:由肿瘤产生的免疫逃逸机制导致局部免疫抑制(Taube等,2012,Chen和Han,2015)而非全身系统免疫抑制。已经充分证明,人类癌症可以发展出各种机制来逃避特异性和非特异性免疫攻击(Vinay等,2015)。这些机制能够防止免疫攻击,抑制肿瘤微环境中的T细胞活性。可惜的是,到目前为止发现的肿瘤免疫逃逸机制通常与控制自体耐受性的机制相似(Phan et al。,2001),因此难以由此开发出一种能产生抗肿瘤反应、但又能避免免疫相关副作用的治疗策略。

幸而这种限制已经受到了挑战——使用单抗阻断B7-H1和PD-1相互作用(统称为抗PD疗法)在基础研究和临床上的新发现令人鼓舞(Chen和Han,2015)。实际上,抗PD疗法是FDA批准的第一种免疫疗法,在癌症患者中显示出更高的客观肿瘤缓解率和较少的严重的治疗相关副作用,这说明可以在不增加毒性的情况下提高疗效。通过比较使用FDA批准的IL-2,抗-CTLA-4和抗PD-1单克隆抗体作为治疗转移性黑色素瘤患者的单一药物的临床试验结果——客观缓解率和治疗相关副作用,可以了解这一成果(表1)。

最近在晚期和局部黑素瘤患者中进行的nivolumab(抗PD-1单抗)和ipilimumab(抗CTLA-4单抗)的并行随机临床试验结果表明,nivolumab的活性比ipilimumab高3倍,毒性低3倍(Larkin等,2015,Robert等,2015a,Weber等,2017)。

此外,临床结果反复证明,该策略可以在广泛的播散性晚期人类恶性肿瘤中诱导持久反应,将免疫疗法扩展到传统分类的免疫原性肿瘤(如黑色素瘤)以外(Callahan等。,2016,Zou et al。,2016)。目前,抗PD治疗已被FDA批准用于治疗转移性黑素瘤,肺癌,头颈癌,肾细胞癌,尿路上皮癌,肝癌,胃癌,霍奇金淋巴瘤,Merkel细胞癌,大B细胞淋巴瘤,宫颈癌和任何MSI +肿瘤(Ribas和Wolchok,2018)(图1)。此外,抗PD疗法在超过25种不同类型的实体瘤和几种造血系统恶性肿瘤中有效,这很可能在将来获得FDA批准(Ribas和Wolchok,2018)。这种前所未有的成功原因之一是其缓解/毒性比率更为有利——在多种肿瘤类型中具有40%的客观肿瘤缓解率和7%-12%的3-5级免疫相关副作用(Naidoo等, 2015年,Ribas和Wolchok,2018年)。这种全新的肿瘤缓解/毒性比率特征,以及能跨越多种肿瘤类型(超出那些经典认为的“免疫原性肿瘤”)的抗肿瘤活性,反映了一种不同的作用机制,这里称为免疫正常化,我们将在下一节中详细讨论。我们相信还有其他潜在的免疫正常化疗法,并且从抗PD疗法的原理中学习,我们将有可能选择出能够重现抗PD疗法成功的新的免疫疗法。

癌症免疫正常化疗法的原则

免疫正常化的概念特别强调了这一重要性:鉴别出在肿瘤进展期间产生的特定免疫应答缺陷或功能障碍,从而开发出特异性校正这些缺陷以恢复天然抗肿瘤免疫能力的策略。尽管免疫正常化策略的最终结果可能导致免疫应答升高,但应在有限范围内瞬时波动,并且理论上不应对正常器官/组织造成永久性损伤。在免疫正常化疗法期间这种“受控的”免疫应答升高可能是由于在正常反馈调节下的免疫应答。虽然在某些情况下,接受抗PD治疗的患者也会出现严重的免疫相关副作用,但这些患者可能属于易感人群或处于炎症或自体免疫性疾病的“亚临床”状态,抗PD治疗成为“压垮骆驼的最后一根稻草”。

免疫正常化策略旨在解除被阻断的免疫应答,从而增加抗肿瘤应答;这与旨在总体激活免疫系统以改善抗肿瘤应答的增强剂形成对比。为了说明这个概念,我们可以将免疫反应的过程想象成一条带有水流的大管道,其中正常的免疫反好比正常水流。如果管道被堵塞,水流量将受损,管道将不能有效流通。在这种情况下,“增强器”方法可以类比增加管道压力以克服水流不足,如果我们过度增加压力,则会导致管道破裂的相关风险。相比之下,免疫正常化方法就好比通过旨在识别和解除阻塞以恢复正常流动而不会冒管道壁的风险(图2)。


图2:免疫正常化与免疫增强方法的关系图

迄今为止,抗PD疗法是这种方法的最明显的例子。免疫抑制性B7-H1蛋白在肿瘤微环境中过度表达,导致肿瘤特异性效应T细胞的过度调节(被抑制),从而产生局部缺陷的免疫应答,阻止了对肿瘤细胞的破坏。阻断B7-H1/PD-1途径导致该缺陷的选择性修复,并恢复对肿瘤的免疫能力,而不会导致总体免疫激活。以B7-H1/PD-1途径为例,我们可以说明三个主要原则,解释为什么免疫正常化方法更能够达到恢复抗肿瘤免疫力,同时减少不良反应。

1.靶向肿瘤诱导的免疫逃逸机制

大量证据表明,B7-H1 / PD-1是一种主要的反受体相互作用,可导致临床前和临床环境中免疫反应的抑制(Chen和Han,2015,Ribas和Wolchok,2018,Zou等,2016)。虽然B7-H1或PD-1也可以与其他蛋白质(B7-H1/B7-1,PD-1/PD-L2)相互作用,但这些相互作用在人体中的生物学意义尚不完全清楚。虽然T细胞是抑制的主要目标,如大多数研究所示,PD途径也可能损害树突状细胞(Yao等,2009)、巨噬细胞(Yao等,2009)和NK细胞(Benson等,2010,Huang等,2015,Vari等,2018)的功能。 PD-1介导的抑制机制似乎是复杂的,包括细胞凋亡,抑制性细胞因子的诱导、失能、耗竭和Treg诱导(Chen和Han,2015,Zou和Chen,2008,Zou等,2016)。同样明显的是,B7-H1也可以作为一种受体,将抗细胞凋亡信号传递给各种类型的细胞——这可能是肿瘤细胞抵抗T细胞介导细胞裂解的原因(Azuma等,2008,Chin等,2018)。这些潜在机制如何促进人类癌症进展正在深入研究中。B7-H1/PD-1途径代表了原生肿瘤适应性免疫逃逸机制。在识别肿瘤抗原后,肿瘤特异性效应T细胞上调PD-1并释放IFN-γ,在肿瘤微环境中诱导肿瘤和骨髓细胞中的B7-H1。 B7-H1通过PD-1参与抑制T细胞,中断抗肿瘤T细胞的攻击。抗肿瘤T细胞应答的这种中断代表了一种局部免疫缺陷形式,允许肿瘤逃逸并且被称为“适应性免疫抗性”(Dong等人,2002,Taube等人,2012)。这种抗肿瘤免疫应答的中断可以通过终止B7-H1 /PD-1途径信号传导来恢复,这最先是在临症前期肿瘤模型中发现的(Dong等,2002)。

此外,慢性病毒感染模型(如乙型肝炎病毒[HBV]或淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒[LCMV])表明,B7-H1的长期表达与T细胞功能障碍有关,当B7-H1/PD-1途径被阻断,T细胞功能障碍能够被修复(Barber等,2006)。这个发现也在人类慢性病毒感染中进行了研究(Gardiner等,2013,Gay等,2017)。尽管有充分的证据表明慢性病毒感染也利用B7-H1/PD-1途径来抑制抗病毒免疫,但从这些研究中汲取的教训并不总是适用于理解B7-H1/PD-1介导的肿瘤逃逸机制。与病毒感染期间经常出现的外周器官和淋巴器官的系统性免疫抑制相反,肿瘤逃逸机制经常发生在肿瘤部位,而外周器官以及淋巴器官的免疫反应相对正常。这或许可以部分地解释在血液中肿瘤免疫力升高同时出现肿瘤进行性生长的矛盾,表明引发T细胞免疫应答并不一定破坏肿瘤生长。这就引出了癌症免疫正常化治疗的第二个重要原则:选择性地调节肿瘤微环境中的免疫力。

2.选择性调节肿瘤微环境中的免疫

B7-H1/PD-1途径与其他免疫抑制途径的主要差异在于:B7-H1/PD-1在正常生理条件下的非淋巴组织中活性最低。尽管B7-H1的mRNA是广泛存在于各种正常组织/细胞中,B7-H1蛋白在稳定状态的正常人组织中不表达(除了胎盘,扁桃体和肺和肝中的一小部分巨噬细胞样细胞)(Chen和Flies,2013,Dong等,2002,Petroff等,2002)。相反,这种膜受体可以被I型和II型干扰素IFN广泛诱导(Lee等人,2006,Sanmamed和Chen,2014)并且在包括肿瘤和病毒感染组织在内的炎性组织中的造血细胞和非造血细胞的细胞膜上表达(Chen和Han,2015)。因为PD-1广泛存在于效应记忆T细胞上(外周血和肿瘤和非肿瘤淋巴器官中的)(Gros等,2014),所以抗PD治疗的肿瘤微环境特异性效果来自于肿瘤微环境选择性表达B7-H1。

在非炎症组织中的B7-H1最小表达能防止抗PD治疗对正常组织的损伤,保证抗PD治疗的肿瘤微环境特异性效果,并且能实现更集中和精确的免疫应答,同时减少全身性免疫激活(Sanmamed和Chen,2014) )。在抗PD治疗的早期I期临床试验中抗-PD-1或抗-B7-H1单抗剂量递增未达到最大耐受剂量时,证实了这种全身毒性最小(Brahmer等,2010,Brahmer等,2012,Topalian等,2012)。同样的,也不存在剂量依赖性毒性增加——与1mg/kg剂量相比,10mg/kg剂量未出现严重不良反应发生频率的显著增加(Brahmer等,2010, Brahmer等,2012,Topalian等,2012)。

因此,该通路的肿瘤位点特异性主要由IFN-γ对B7-H1的局部诱导决定。B7-H1表达通常是局部持续但受损的抗肿瘤免疫应答的标志。组织学分析证实了这一概念,因为大多数人类肿瘤显示B7-H1表达的模式,其是局灶性的或聚集的而不是扩散的并且通常与T细胞浸润共定位(Taube等人,2012)。为什么像IFN-γ这样的可溶性细胞因子不会扩散到大面积的组织中以产生更深远的影响,仍然未能得到很好地理解。一种潜在的解释可能是肿瘤微环境中各种类型细胞上IFN-γ受体的广泛分布(Bach等,1997)阻止IFN-γ进一步扩散。在抗PD治疗期间T细胞的选择性扩增和功能改善主要是在肿瘤部位,并且肿瘤消退和外周血中检测到的免疫细胞活化标记之间缺乏相关性( Das等,2015,Herbst等,2014),这进一步支持了免疫应答的肿瘤选择性。增强免疫疗法通常有效激活全身免疫应答但在肿瘤部位显示弱免疫激活,与这种策略形成鲜明对比。

3.重置/恢复肿瘤微环境中的免疫力

在抗PD治疗的基础和临床研究中,最有趣但尚未得以解释的现象是在肿瘤微环境中重置/重新编程抗肿瘤免疫的能力。B7-H1/PD-1通路似乎是一个“主开关”,决定了一些癌症患者整个肿瘤微环境的命运,因为操纵单一途径——阻断B7-H1/PD-1相互作用——在某些情况下甚至使用单剂量的抗PD治疗——就可以从最初高度受抑制的肿瘤微环境转变为高度活化的炎症部位。在使用抗PD治疗的1期临床试验期间,一些患者经过单剂量的抗PD治疗就显示出客观肿瘤缩减(Gainor等,2016)。由于肿瘤微环境中的免疫功能紊乱或缺乏在细胞水平还是分子水平上通常都是多层面的(Zou,2005,Zou和Chen,2008,Zou等,2016),这些观察结果令人鼓舞,并且至少在部分患者中,单个主要通路的正常化就足以触发重置/恢复免疫力的过程,而不必纠正肿瘤微环境中的所有缺陷。

根据目前可获得的数据,我们推测大多数(如果不是全部)晚期癌症患者并没有出现全身免疫缺陷,他们的免疫系统仍然能够工作,持续地将新产生的效应T细胞提供到肿瘤微环境中。这就足以构成免疫正常化疗法的重要免疫学基础。晚期癌症患者中的肿瘤微环境可被认为是“恶劣的工作环境”——在肿瘤进展期间这里已经形成了基于各种各样的免疫逃避机制的策略。抗PD治疗的作用机制可能是多方面的,包括恢复已经功能失调的T细胞功能,以及防止新来的效应T细胞在肿瘤微环境中失去功能。在PD途径阻断后这些重新激活的T细胞,加上新抵达的、受到保护免受PD途径抑制的免疫细胞,很可能同时表现为针对肿瘤细胞的效应细胞,实现肿瘤微环境中免疫应答的重置修复。

免疫正常化过程中一个重要但尚未得到解释的结果是记忆T细胞的产生,这种细胞被认为能实现抗PD疗法的持久抗肿瘤效果。目前,我们不知道肿瘤抗原特异性记忆T细胞的起源,它们如何以及为何成为记忆T细胞,以及如何调节它们。了解这些问题将决定我们如何以及何时能够精确地使用这些疗法。


癌症免疫正常化治疗

除了B7-H1之外,还有一系列分子通路可以在抗肿瘤免疫反应中引发免疫缺陷,这些分子也可以作为靶标用于恢复免疫反应的能力。这些潜在的免疫缺陷机制和效应分子一旦得到鉴定和表征,就可能成为免疫正常化疗法的潜在靶标,应该能为那些在抗PD疗法中无效的患者提供替代方案。

TIME分类(微环境的肿瘤免疫tumor immunity in the microenvironment)就是基于肿瘤浸润淋巴细胞(TILs,能渗透进入肿瘤内部的免疫细胞)水平和肿瘤微环境中的B7-H1表达水平,作为路线图来寻找那些需要修正的潜在的免疫缺陷(Sznol和Chen,2013,Taube等,2012,Zhang和Chen,2016)。根据TIME可以将癌症患者大致分为三类:

(1)免疫细胞无法进入肿瘤微环境或无法增殖,肿瘤微环境中缺乏大量TIL淋巴细胞,如TIME类型I和IV,
(2)活化TIL淋巴细胞被过度下调,主要是由于B7-H1/PD-1通路和其他潜在的T细胞调节途径的影响,表明为II型,
(3)肿瘤微环境中功能失调的TIL淋巴细胞,主要由于某些分子通路抑制(非B7-H1/PD-1),表示为III型。

确定每个患者中哪种抗肿瘤免疫缺陷占主导地位至关重要,因为对所有患者使用相同的策略显然是低效,昂贵和浪费的。例如,在患有缺乏免疫细胞渗透的癌症患者中靶向局部免疫抑制途径(如B7-H1/PD-1途径)作为单一疗法可能是毫无意义的。

由于我们刚刚开始了解肿瘤微环境在免疫应答调节中的复杂性,很明显,这种人类癌症的TIME分类是初步的,这也可能引发更多的问题而不是答案。例如,在II型和III型TIME中,我们不知道哪种TIL成分和其他调节细胞将决定免疫疗法的结果和反应。除了IFN,还有其他细胞因子和分子途径可以调节B7-H1的表达吗?在类型I和IV中,是什么使肿瘤微环境阻止了免疫细胞TIL的进入,阻止免疫细胞TIL扩散的机制又是什么?这些人类癌症类型没有产生足够的抗原——显然不太可能,因为我们以前的数据显示,在几乎所有人类癌症中具有最高突变负荷的黑色素瘤中,高达45%属于这一类别(Taube等, 2012)。对分子途径的鉴定和表征以及肿瘤微环境的详细分子谱分析的广泛研究,或许可以帮助解决这些问题,并为将来的癌症免疫正常化疗法提供靶标。


图3:不同肿瘤微环境分类的肿瘤免疫

开发新的癌症免疫正常化疗法的挑战

随着抗PD治疗的成功,免疫正常化作为癌症免疫治疗的方法已经显示出巨大的希望。然而,仍存在相当多的障碍阻碍新的正常化疗法发展。其中一些限制是概念性的,而另一些则可能更具技术性。

1.鉴别主要的抗肿瘤免疫缺陷

免疫正常化疗法的发展依赖于鉴别患者抗肿瘤免疫应答中的特定缺陷。然而,肿瘤诱导的免疫缺陷是高度异质的(Schalper等,2017)。这种免疫缺陷的异质性不仅发生在不同的患者之间,而且还延伸到单个肿瘤病变的不同区域。这些观察结果表明:识别哪种免疫缺陷是最终促进肿瘤逃逸的主要或关键开关是非常重要的。然而,主开关的定义可以是因患者而异,可能应当根据调节肿瘤微环境时重置肿瘤微环境的能力来从功能性上证明。在每位患者中选择正确的主开关是真正的挑战。目前,在肿瘤微环境的所有免疫缺陷中鉴别哪个因子是显性的,唯一方法是凭经验。我们需要更好的体内模型来表征患者肿瘤微环境中不同免疫途径的优势以及它们的调节效果。人源化小鼠模型或外植体3D培养模型或许有用(Jenkins等,2018,Sanmamed等,2016,Zitvogel等,2016)。

2.研究肿瘤微环境中免疫缺陷的技术难点

与B7-H1/PD-1途径类似,许多其他辅助肿瘤进展的免疫抑制机制发生在局部肿瘤微环境中。研究这些机制的一个主要困难是:如何评估肿瘤微环境下的免疫应答的能力,这可能需要连续的肿瘤组织采集和分析。增强免疫疗法可以通过血液分析更容易地监测其全身作用但是这里却不行。肿瘤组织分析意味着巨大的技术挑战——因为癌症患者的连续活组织检查并非总是可行,并且取样体积很小还往往具有大面积的坏死。

对这些免疫缺陷的研究需要使用能够具有高表型分辨率的单细胞分析技术。诸如单细胞测序,细胞质谱流式细胞术,活体成像技术(例如,PET成像)的等新技术平台有助于揭示肿瘤微环境的复杂性(Burel等人,2016)。随着肿瘤微环境中各种免疫缺陷的鉴定和表征研究的快速进展,未来的挑战将是如何在在特定患者的多种免疫抑制途径中鉴定出占主导地位的一种或几种免疫抑制途径,以决定最佳治疗方法。

抗PD治疗与其他疗法相结合的原则

作为免疫正常化疗法的代表,抗PD疗法具有广泛的治疗效果和较小的毒性,自带显著优势,很适合与其他疗法联合治疗。虽然联合治疗是治疗癌症的一种流行的当前策略,但这种策略很大程度上是由临床癌症护理,企业融资和市场竞争的需求组合推动的,基于科学理由的有限。目前正在进行的超过1,500项临床试验将抗PD疗法与几乎所有可用的癌症疗法相结合,包括化学疗法,放射疗法,溶瘤病毒,靶向疗法和其他免疫疗法(Tang等,2018)。然而,许多这些临床试验并非根据抗PD治疗的基本原则设计,其中一些甚至可能损害抗PD治疗的效果。癌症联合免疫治疗的未来发展方向应主要以科学为指导。例如,与抗PD疗法成功联合治疗的最基本要求是根据途径的生物学性质选择。重要的是要记住,我们的主要驱动力是免疫细胞——特异性效应T细胞和记忆T细胞,其中肿瘤微环境中效应T细胞的存活和活化以及记忆T细胞的长期效应的产生需要认真考虑和加强。我们不会在这里讨论所有正在进行的组合方法,因为它超出了我们的观点范围,但我们将提到一些需要考虑的例子。

1.结合放疗和化疗

放射疗法可能会破坏肿瘤组织中存在的有价值的肿瘤特异性T细胞,在开始放射治疗时选择没有肿瘤渗入的T细胞的那些肿瘤中进行局部放疗会更安全(TIME分类I和IV)。类似地,一些化学治疗药物也可能损害肿瘤微环境中效应T细胞的功能,这可能导致联合治疗的效果低于加和作用。在这种情况下,分先后顺序治疗而不是联合治疗可能是更好的方法,因为免疫疗法治疗可以促进肿瘤特异性T细胞增殖,同时又给予靶向细胞分裂关键过程的细胞毒性剂,并非良方。此外,目前尚不清楚放疗或化疗是否会影响记忆性T细胞的产生,记忆性T细胞是适应性免疫的终极目标,可直接决定免疫疗法的耐久性。这个问题将来也应该得到解决。在这个背景下评估肿瘤特异性记忆形成的影响,总体生存率可能是比肿瘤缓解率更好的指标。

令人鼓舞的是,抗PD治疗加化疗在短时间内(1 - 2年)显示出总体存活率提高(相比单独化疗)(Gandhi等,2018)。更重要的是应将这种联合疗法与单独的抗PD疗法进行比较,同时评估记忆T细胞的产生——这才是持久免疫反应的主要力量。

2.结合肿瘤局域疗法

直接将各种生物和化学试剂直接注射到肿瘤中作为癌症治疗的方法,已有悠久的历史(Aznar等,2017,Marabelle等,2017)。这些药物包括但不限于TLR,RIG-I样受体(RLR)激动剂,STING途径调节剂(Corrales等,2016,Li等,2017)和溶瘤病毒(Lawler等,2017 )。局域疗法被认为(1)触发先天免疫以启动适应性免疫,(2)诱导肿瘤细胞死亡,这可使更多肿瘤抗原可用于免疫系统,(3)产生炎症程度更高的环境,可能支持更好的T细胞反应。这些疗法可以诱导实验模型中注射肿瘤和远端肿瘤的消退。在黑色素瘤病变(Tang等,2018)和脑肿瘤(Desjardins等,2018,Lang等,2018)中局部注射溶瘤病毒的临床试验中报道了非常令人期待的结果。局域治疗在长期存活和远端肿瘤转移消退中的作用仍有待临床研究。此外,关于这些方法在患者肿瘤微环境中的免疫学效应的一些基本问题仍有待研究。在正常组织中,局域疗法可以产生潜在的自然免疫,这有助于启动抗原特异性反应。

然而,在肿瘤微环境中,各种肿瘤逃逸机制可能损害抗原特异性应答,这或许可以解释为何单独使用这些疗法在临床中观察到的客观缓解率低下。在这些观察结果的背景下,如果B7-H1/PD-1途径是主要的免疫抑制机制之一,那么将局域疗法与与抗PD疗法结合,以中和肿瘤微环境中产生的免疫抑制机制,似乎是合理可行的。但是,这种组合也可能偏离预期方向:由于抗PD治疗可能使T细胞主要对病毒抗原而不是肿瘤抗原而导致结果偏离(Martínez-Usatorre等,2018,Chen等,2018)。另一方面,局域疗法已显示出作为增加T细胞渗透到肿瘤中的有效方法。最近发表的一些令人期待的结果,表明局部病毒疗法作为增加肿瘤内T细胞渗透的方法,与抗PD疗法具协同作用(Ribas等,2017)。

3.与靶向治疗相结合

抗PD疗法和靶向治疗(抗体或小分子)联合治疗已经在动物模型中广泛研究,最近已进入临床中(Hughes等,2016,Vanneman和Dranoff,2012)。虽然这些疗法不能作为单一药剂实现持久而完全的反应,但在大多数情况下,它们可用于抑制肿瘤生长和改变甚至重置肿瘤微环境。通过靶向治疗快速裂解肿瘤细胞产生的急性炎症环境可能提高肿瘤免疫力。不排除在这种情况下,B7-H1可能会被上调。如果是这种情况,靶向疗法和抗PD疗法的组合看起来是合理的,预期至少会产生累加效应。然而,应谨慎选择靶向治疗,以避免影响TILs增殖和存活所需的内在代谢和激活途径。此外,应考虑肿瘤特异性T细胞记忆形成所需的途径。

4.与过继细胞疗法相结合

在一些患者中过继性细胞疗法失败的原因之一可能是:转移的活化T细胞在进入肿瘤微环境时受到了抑制。在过继转移之前,T细胞在体外被激活,导致PD-1表达。在肿瘤微环境中,肿瘤抗原识别后激活的效应T细胞可以快速释放IFN-γ,因此,预计B7-H1会上调,但这需要在诊所进行验证。因此,只要体外活化的T细胞可以到达肿瘤微环境,TIL和抗PD疗法可能代表未来癌症免疫治疗的一个引人注目的方向。

5.与其他免疫疗法结合使用

目前,正在开发的多种免疫疗法可以与抗PD疗法组合。这些潜力组合已在其他地方进行了评估(Melero等,2015,Smyth等,2016)。想要选择与抗PD疗法相结合的最有可能成功的免疫疗法策略,需要考虑一些方面。首先,如上文原则部分所解释的,抗PD疗法的缓解-毒性比率高是归因于肿瘤微环境中B7-H1的选择性表达,而在稳态下正常组织中表达最少。然而,促进正常组织炎症的疗法可能引发肿瘤微环境外的抗PD治疗效果,从而失去这种高的缓解-毒性比率。一个例子是与抗-CTLA-4单抗的组合。如我们之前所述,CTLA-4单克隆抗体作为单一疗法表现出比客观肿瘤缓解率更高的免疫相关副作用率。非肿瘤组织中的这些免疫相关副作用可能在抗PD疗法下进一步升级(Larkin等,2015),这可以解释为什么抗-CTLA-4加抗PD疗法显示出协同毒性作用而不是叠加的抗肿瘤作用。在肿瘤微环境中具有不同作用机制(例如,靶向骨髓细胞或其他免疫逃逸机制)的免疫疗法可能是抗PD疗法更好的组合伴侣。重要的是,要更好地了解T细胞记忆形成是如何发展和协作的,不仅可以实现强效T细胞反应,还可以构建强大的T细胞记忆,确保持久的免疫反应。

联合治疗的理想情况是协同作用,简单表述为“1+1> 2”。如果两种药物没有这种协同作用,那么按一定顺序使用这些药物或许也可以实现相同的目标。通过了解抗PD治疗的机制和局限性,理想的方法是对TIME分类的I型,III型和IV型肿瘤进行不同的治疗,目标是将它们转化为II型肿瘤。这样的话,这些治疗可能与抗PD治疗协同作用,因为抗PD治疗最有可能在TIL和B7-H1表达的存在下有效。因此,未来的努力方向将是用一组生物标记物仔细分析每个患者的抗肿瘤免疫应答的缺陷,并设计有效组合治疗的理论基础,以实现潜在的协同功效。例如,I型和IV型将需要一种策略增加T细胞向肿瘤微环境的运输渗透,而III型将需要策略来打破TIL耐受性或逆转TIL功能障碍。

结束语

癌症免疫疗法正在经历重要转变:传统的免疫增强疗法根据免疫激活过程的常识来激活全身性免疫应答,新的免疫正常化疗法根据肿瘤诱导的免疫逃逸机制靶向肿瘤微环境,更有效且毒性更低。抗PD疗法已经树立了一个例子,即可以在最小化免疫相关副作用的同时增加抗肿瘤效果。这为癌症免疫治疗领域树立了新的标准,我们相信未来的癌症免疫治疗不仅应该旨在提高抗肿瘤免疫力,还要了解肿瘤免疫的特定缺陷,然后将其正常化,从而在合适的地点选择性地修正特定类型的抗肿瘤反应,而不是加剧全身免疫反应,增加免疫相关副作用的风险。我们的分析揭示了多种原则,这些原则对于抗PD治疗的成功至关重要。因此,将B7-H1/PD-1途径简单描述为另一个“免疫检查点”可能会使我们的努力偏离目标而集中在那些具有低治疗价值的途径。我们从B7-H1/PD-1途径的免疫学和抗PD治疗的发展中学到的原则将使我们设计出更有效的癌症免疫正常化疗法,从而实现最佳的组合疗法和更成功的癌症治疗。

(生物通)

原文链接:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31247-9




我来说两句
0  条评论    0 人次参与
登录 注册发布
最新评论刷新
查看更多评论 > >
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

新闻专题

生物通首页 | 今日动态 | 生物通商城 | 人才市场 | 核心刊物 | 特价专栏 | 仪器龙虎榜

版权所有 生物通

Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

联系信箱:

粤ICP备09063491号