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发布时间:2020-07-09

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15000字深度长文,详解人类癌症与免疫治疗发展史(上)

本文转载自干细胞者说(ID:stemceller),作者步步先生

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撰文:秦健勇

首发:有病千千结

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癌症是典型的多细胞增殖失控性疾病。一般认为,地球生命在6亿年前出现多细胞生命,现存的海绵类多孔动物门是最早出现的多细胞动物。人类的疾病多少与先天发育不足有关,另外一些与后天的损伤有关。人体内的主要系统只有2种:代谢和免疫,所有的疾病不外此2种。

1亿年前,鼠与人类的共同祖先出现。

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人与人之间的基因组相似度在99.99%。我们血缘关系最近的亲属——黑猩猩,在基因上与我们人类的相似度达到了96%。人类和猕猴共有93%DNA。猫的基因与我们人类有着90%的相似性。


当涉及到蛋白编码基因时,老鼠与我们有着85%的相似度,但是在非编码基因上,只有大约50%的相似度。国家人类基因研究所把这种相似性归咎于大约8千万年前的共同祖先。几乎所有的人类基因在老鼠身上都有个明确的对应基因,但是蛋白质编码基因只占据了各自基因组的1.5%,基于此,能治愈老鼠的化合药物通常对人类无效。
2009年《科学》杂志上的一篇报道,家牛与我们人类共享大约80%的基因。鸡与人类共享了大约60%的基因。果蝇与人类共享了61%的致病基因,这对于美国宇航局探索太空旅行可能对人类基因产生的影响非常重要。香蕉也与人类共享了大约60%的基因。

目录


一、免疫发展史

二、免疫学原理

三、主要抗癌免疫疗法

四、免疫状态评估

五、免疫治疗毒性和疗效评估

六、ICIs耐药现象的解释

七、临床应用

1

免疫治疗简史

免疫系统是多细胞动物特化的一个系统,用以维持多细胞动物在细胞层面和分子层面的稳定性。在单细胞动物中存在的原始基本机制是多细胞化后复杂机制的基础,类如在单细胞动物中的分子系统CRISPR-cas系统就是一个维护单细胞稳定性的免疫机制。

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1909Paul Ehrlich提出免疫监视学说,认为免疫系统可以遏制肿瘤的发生,免疫功能异常是肿瘤发生的基本原因之一。

1959Frank Macfarlane BurnetLewis Thomas(曾任MSK院长)提出了“免疫监视(tumor immune surveillance)”的假说,该假说认为免疫系统能够识别并清除恶性肿瘤,从而抑制了肿瘤的发生发展。
2002Gavin P DunnRobertD Schreiber等首次提出了肿瘤免疫编辑(Tumor Immunoediting)学说,系统阐述了癌症和免疫系统之间的三阶段关系。

2

抗癌免疫学的基本原理

100余年人类对免疫系统的不懈研究,目前已经对该领域的主要问题有了一些粗浅的认识。

陈列平教授将人类对抗癌免疫的认识过程总结为,三大基本问题:有没有?免疫原性的状态如何?启动抗癌免疫的相关因素。即:

(一)人类机体内是否存在清除癌细胞的免疫反应?

答案是肯定的!

1868年一位叫威廉.布什(WilhelmBusch)的医生第一次报道,有意使用丹毒感染癌症病人后肿瘤显著缩小。1891年,美国纽约纪念医院骨科医师威廉.科利(WilliamB.Coley,1862~1936)开始以注射细菌进入肿瘤的方法治疗癌症,创立“科利毒素”疗法。这种方法疗效并不稳定,而且可能死于感染;改进后混合加热过的细菌液变得安全,经这种方法确实有不少人恶性肿瘤在无药可医的情况下得到了缓解,甚至是长期缓解。曾经一睹被打压的早期免疫治疗探索今天已经得到世人的认可,并以其名字命名了免疫界最高奖项为威廉.科利奖。

如细胞因子疗法、过继免疫细胞疗法及免疫检查点抑制剂疗法的效果已经被证实,其中有广泛意义的是ICIs,在多数癌种均有一定比例的患者获得疗效,和既往的化疗及分子靶向治疗的机理完全不同

(二)是否存在特异性的抗原以引发清除癌细胞的特异性免疫反应?

癌细胞来源于人体自身细胞,存在抗原,但是经历了免疫编辑后的癌细胞抗原性较弱,难以有效激发免疫反应。而且在肿瘤微环境局部存在复杂的免疫抑制或免疫逃逸,导致免疫反应不能有效完成。

抗原是激发免疫反应的起点,未来这个问题尚需要继续充分研究。比利时的Thierry Boon教授长期研究癌细胞抗原问题。对于一个已经进入临床阶段并进展的癌症病灶(原位持续增殖或者可转移的),有没有癌细胞独有的抗原?进展状态的病灶存不存在人体细胞在任何时期都没有表达过的抗原性质(免疫原性)的物质?

目前看癌症抗原领域有如下观点:

癌细胞存在独有的抗原吗?还是共享的?例如有些CEA/AFP是人类胎儿时期的蛋白质,且功能现在也不清楚。癌变后,这些本来应该沉没的基因重新激活并大量表达。不知道癌细胞是紊乱表达还是功能性表达。存在癌细胞专有表达的基因吗?目前看是有的,很少,要么表达少,要么已经被免疫掉,要么免疫原性不足。

比利时学者Thierry Boon长期研究抗癌免疫反应的核心问题癌症抗原,他说癌细胞的抗原性才是主要问题。抗原性不足是当前TME免疫抑制/逃逸的解除只能解决部分问题的一个重要原因。

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BOX癌症抗原问题:没有抗原性就没有免疫反应

抗原本身的因素 

异物性

抗原与机体的种系关系越远,其差异越大,免疫原性也就越强。

1)异种间的物质:病原微生物、动物免疫血清对人是良好抗原。

2)同种异体间的物质:人红细胞表面ABO血型抗原系统及同种异体皮肤和器官上的组织相容性抗原。

3)自身抗原:自身物质一般无抗原性。

a:与淋巴细胞从未接触过的自身物质(如晶状体蛋白)

b:自身物质理化性状发生改变(外伤、感染、药物、电离辐射等)

理化性状

1)分子大小 

一般说来分子量越大,抗原性越强。具有抗原性的物质,分子量一般在10.0kD以上,个别超过100.0kD,低于4.0kD者一般不具有抗原性。

2)化学结构的复杂性,

蛋白质,芳香族氨基酸为主者,尤其是含酪氨酸的蛋白质,抗原性强,非芳香族氨基酸为主者,抗原性较弱。

3)分子构象和易接近性

4)物理状态,

一般聚合状态的蛋白质较其单体免疫原性强,颗粒性抗原强于可溶性抗原。

免疫途径和抗原剂量

具备上述条件的抗原物质可因进入机体的途径和剂量的不同而免疫效果迥异。

人工免疫时,多数抗原是非经口进入(皮内、皮下、肌肉、静脉、腹腔注射)机体才具有抗原性。

机体方面的有关因素 

1)宿主与抗原来源的种系进化关系

2)宿主的遗传背景

3)机体的健康和营养状况

以上几方面因素在一定程度上是相互制约的。

如何激发抗癌免疫反应?

激发免疫反应涉及到很多复杂的方面,如果有时间精力也可以做一个像Daniel Chen的框架图,就现状而言,我们仍处在暗室之中,只是偶尔发现了几个分子开关,更加复杂的网络还没有被发现。

荷兰Christian U Blank在科学杂志撰文描述了影响抗癌免疫反应的7大因素,并用雷达图描绘出来。大概可分类为几类:

癌细胞本身的:如有氧酵解水平的LDH,细胞膜表面的抗原负荷、MHC表达,负反馈作用的PD-L1表达。

血液中的:CRPIL-6所反应的慢性炎症水平;这些标志物反映了人体内有不能清除的抗原异物。一如生理性自身免疫反应在于清除体内衰老的废物代谢物一样,使用的是IgM快速清除机制,而如果是病理性自身免疫反应就需要动用慢性炎症反应机制,IgG系统。还有一个是循环血液中的免疫细胞数,这个反应了宿主的免疫系统状态。

微环境中的:TME中的TIL反应了免疫细胞是否能够进入最后阶段,这一阶段停止于局部的免疫抑制或免疫逃逸。

值得注意的是Blank没有讨论微生态在抗癌免疫中的价值,或许是缺乏可检测标准吧。微生态是一个重要的方向,科学杂志的癌症免疫治疗专辑曾专门发文讨论。

3

主要抗癌免疫疗法

抗癌免疫疗法的历史悠久,最早是1868年一位叫威廉.布什(Wilhelm Busch)的医生第一次报道,有意使用丹毒感染癌症病人后肿瘤显著缩小。丹毒(erysipelas)是一种累及真皮浅层淋巴管的感染,主要致病菌为Aβ溶血性链球菌。诱发因素为手术伤口或鼻孔、外耳道、耳垂下方、肛门、阴茎和趾间的裂隙。

1891年,美国纽约纪念医院骨科医师威廉.科利(William B.Coley,1862~1936)开始以注射细菌进入肿瘤的方法治疗癌症,创立“科利毒素”疗法。这种方法疗效并不稳定,而且可能死于感染;改进后混合加热过的细菌液变得安全,经这种方法确实有不少人恶性肿瘤在无药可医的情况下得到了缓解,甚至是长期缓解。由于20世纪初更加安全有效的放射疗法已经开始普及,科利毒素疗法开始被MSK医院禁止,直至后来被ASCO禁止,虽然ASCO最终撤销了禁令。后来科利的女儿继承了父亲的遗志,曾出巨资资助癌症免疫治疗研究。曾经一睹被打压的早期免疫治疗探索今天已经得到世人的认可,并以其名字命名了免疫界最高奖项为威廉.科利奖。

根据已知的免疫学原理,推测这种利用细菌感染治疗癌症的机制是以细菌抗原调高机体对肿瘤的反应性,是先天免疫和后天免疫均处于激活状态。细菌和自身衰老损伤细胞即癌变细胞均为同一种免疫机制清除,之间并无严格的界限,甚至有相当部分功能处于重叠状态。

然而由于人类对自身小宇宙中的这个神秘系统认知的局限性,很长时间以来人类并没有找到可靠的免疫治疗方法。直到两种免疫治疗手段出现:

1、针对癌细胞的抗体治疗

癌细胞上有一些特殊的抗原,人类使用免疫学抗体原理清除他们以达到治疗癌症的目的,这些治疗取得了一定疗效。

赫赛汀单抗:针对癌细胞的生长刺激因子,即人类表皮生长因子受体2(human epidermal growth factor receptor-2,HER2)。该基因,即c-erbB-2基因,定位于染色体17q12-21.32上,编码相对分子质量为185000的跨膜受体样蛋白,具有酪氨酸激酶活性。这个受体被阻滞后,癌细胞的生长转移特性受到抑制。但是由于癌细胞不止一种生长刺激因子,所以即使癌细胞初始表达这种受体,但是初始仅有50%左右的病人对这种治疗有效,几乎所有病人会在一年内对该抗体治疗耐药。

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2.细胞间质如血管是癌症病灶必须的,针对癌症病灶中的细胞间质治疗。

AVASTIN(贝伐单抗):针对VEGF这种细胞因子的抗体,可以引发抗体反应清除这种细胞因子,阻断体内新生血管的形成来阻滞癌症的进展,代价是人体正常的血管新生的生理过程也受到干扰。

3.免疫检测点抑制剂(ICIs

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免疫检测点是指位于效应T细胞上的一些激活性和抑制性受体调节开关,使用激活性抗体可以启动该受体下游的功能(激活或者抑制),激活可以使得T细胞处于攻击状态,抑制可以使得T细胞处于安静状态。人体内有100万亿个种类各异的真核细胞,如何精准地调节T细胞的免疫攻击性能是一个受到多种机制调节的过程,其中免疫检测点是其中的一种调节机制。

第一个被应用于医疗实践的免疫检测点是CTLA-4,由美国学者James Allison发现并花了10年左右证实其功能。

第二个被发现的该类分子是PD1/PD-L1PD1首先被日本学者本庶佑发现,并被证实其效用;而PD-L1是被美籍华人学者陈列平发现的,后也被证实其效用。

当前的主要ICIs就是基于这几个靶点设计的。免疫检测点很多,其它分子也有潜在的开发价值,相关药物正在研发中。

4. 过继细胞疗法CART-T细胞疗法

过继细胞治疗经历了漫长的探索过程,早期的过继细胞治疗一般是指:第1LAK细胞。第2CIK细胞,第3TIL细胞,第4代抗原特异性的CTL细胞。

早期的过继细胞疗法有效率低下,而且制备过程难以标准化评估,已经被基本淘汰。目前流行的是第5代过继细胞治疗法,技术有2种,除了CART-T细胞,还有一种叫TCR-T细胞。

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4

免疫评估

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ICIs制剂的疗效主要和以下几个因素相关:

1.新抗原数量:突变负荷mutationload,是指正常等位基因(A)突变成有害等位基因(a)形成在选择上不利的纯合体(aa)所引起群体适应度下降的现象。如:人类的一些代谢遗传病,黑尿症、半乳糖血症等。

用肿瘤突变负荷(TMB)来定量:被定义为每百万碱基中被检测出的,体细胞基因编码错误、碱基替换、基因插入或缺失错误的总数。具体操作就是测量某种肿瘤体细胞内编码蛋白的碱基突变数量,包括替换、插入/缺失等各种形式的突变;

量化的描述TMB,可分为4类:

1)TMB-High=>20mutations/Mb;

2)TMB-Intermediate, 6-19 Muts/Mb;

3)TMB-Low <= 5 Muts/Mb;

体细胞突变可能受到外源性诱变因素的影响,比如肺癌中烟草(吸烟)诱导的C→A的突变。恶性黑色素瘤中,紫外线照射引起的C→T的突变。内源性因素引起的突变可以是DNA错配修复突变,比如结直肠癌和食管癌中的MSI(微卫星不稳定)。在实体肿瘤中,95%的突变为单个碱基的替换,造成的非同义突变(一个核苷酸突变改变一个蛋白的氨基酸顺序),错义突变(非同义点突变,单个核苷酸改变导致一个密码子编码一个不同的氨基酸)和无义突变(非同义点突变使一个密码子变为终止密码子引起多肽链合成提前终止),共同构成了体细胞非同义突变的基本要素。

2.TMB相关因素:肿瘤突变负荷(tumormutation burden,TMB)、微卫星高度不稳定(microsatellite instability-high, MSI-H)和错配基因修复缺失(mismatch-repairdeficiency,MMR),这些潜在的bio-marker又指向一个共同点突变相关新抗原(mutation-associated neoantigen)。

3.肿瘤微环境中的PD-L1表达丰度及TIL数量(具体见荷兰Christian U Blank在科学杂志撰文并画出的影响抗癌免疫反应的7大因素雷达图。)

4.微生态:《科学》杂志发表的五篇肠道微生物影响肿瘤免疫治疗的研究文章,来阐述免疫疗法疗效与肠道微生物的关系。

20151127日,《科学》杂志发表了两篇研究,首次指出癌症患者肠道微生物的组成,决定了以检查点抑制剂(CTLA-4、PD-L1)为代表的癌症免疫疗法的有效性。

由法国GustaveRoussy 癌症中心的免疫学家Laurence Zivogel博士领导的研究小组发现,肠道中具有多形拟杆菌和脆弱类杆菌的小鼠,在接受CTLA-4抗体治疗时,会表现出更好的治疗效果;而无菌小鼠的肿瘤则对该治疗几乎没有响应;在给无菌小鼠移植特定菌株后,可以增强CTLA-4抗体疗法的有效性。

来自芝加哥大学的Thomas Gajewski团队,也通过类似的方法,证明了双歧杆菌属有利于PD-L1抑制剂的抗肿瘤效果。

2017112日,《科学》杂志再次同时在线发表了两篇重磅论文。其中一篇《Gut microbiomeinfluences efficacy of PD-1–based immunotherapy against epithelial tumors》还是由两年前的Laurence Zivogel博士团队研究撰写,这次的研究对象从老鼠转移到了人类。该团队对接受过PD-1抑制剂治疗的249例癌症患者进行了分析,其中69例患者因常规原因(如牙科治疗或尿路感染),在接受PD-1治疗前后服用了抗生素。那些服用抗生素的癌症患者,因为抗生素导致肠道菌群紊乱,在接受PD-1抑制剂治疗之后,癌症很快就复发,总体生存期(OS)竟然比未服用抗生素的患者缩短了近45%

研究人员还将人类患者的肠道微生物移植到无菌小鼠身上,结果发现移植那些治疗有效患者肠道微生物的小鼠,接受PD-1/L1抑制剂治疗同样会有效,而移植无效患者的肠道微生物,治疗也就无效。具体试验过程如下:

  • 分析249名患肺癌、肾癌等肿瘤并接受抗PD-1免疫抑制剂治疗的患者,69名同时接受广谱抗生素(ATB);

  • ATB患者平均总生存期为8.3个月,远远低于非ATB患者的15.3个月;

  • 患者体内Akkermansia muciniphilaAkk菌)的相对丰度与对免疫检查点抑制剂(ICI)的响应显著相关;

  • 将对ICI响应的患者的粪菌移植给无菌小鼠,可以改善PD-1抑制剂对小鼠肿瘤的效果;

  • 移植对ICI不响应的患者粪菌的无菌小鼠,在口服Akk菌后,也能恢复对PD-1抑制剂的响应。 

同时刊发的另一篇论文中,来自美国德克萨斯州大学安德森癌症中心的研究人员,对112名接受PD-1抑制剂治疗的癌症患者进行了口腔和肠道微生物的分析。结果发现免疫疗法有效与无效患者的肠道菌群存在显著差异,证实肠道微生物在免疫疗法中扮演了极其关键角色。

201815日,ThomasGajewski团队登顶《科学》封面,肠道微生物影响人类癌症患者免疫治疗效果再次得到证实!

研究人员通过对42名转移性黑色素瘤患者的粪菌构成进行分析,结果证明患者肠道菌群与PD-1免疫疗法的效果之间存在显著关联,并在对治疗响应明显的患者肠道菌群中,鉴定出高丰度的长双歧杆菌、产气柯林斯菌和屎肠球菌,并发现在给无菌小鼠移植这些人类患者的肠道微生物后,能够显著增强小鼠的肿瘤免疫应答和肿瘤控制。

有人会问,为什么不同的研究团队鉴定出的菌群种类不完全一致,North Carolina大学Scott Bultman教授表示:“研究对象所处地理位置和饮食习惯不同,肠道菌群不同是正常的,而且不同研究之间也存在一定的重合度。”

另外一些因素:

疗效好的:吸烟、近期放疗;疗效差的:EGFR基因突变。

KRAS突变,似乎不影响疗效:总体人群的临床获益率为29%,携带KRAS突变的患者临床获益率是36%,两者无统计学差异。关于这一点,要做一下额外的补充:事实上,KRAS突变的非小细胞肺癌可以分为三类。

1)同时携带KRASP53突变的患者,这类患者对PD-1治疗敏感;

2)同时携带KRASSTK11突变的患者,这类患者对PD-1治疗抵抗;

3)其他患者,对PD-1治疗的有效率居中。

在本次研究中,携带STK11突变的患者,接受PD-1抑制剂治疗,的确是有效率更差的。

  • JAK突变、B2M突变的患者,要当心。

  • PD-L1表达和TMB高低无关。

  • MDM2MDM4扩增的患者,是否会发生超进展,有待进一步研究。