肿瘤新抗原(neoantigen)助力个性化癌症免疫治疗

史蒂芬 匈能贝格 科恩 (2017.04, the-scientist.com)

常规的癌症诊疗往往涉及后续大量的缺乏针对性的治疗手段,如手术切除,放化疗等等,这些治疗手段在摧毁肿瘤的时候也会连带伤及正常组织。为了特异常性消灭肿瘤同时避免损伤正常组织,研究人员开发了大量靶向特定肿瘤的疗法。尤其是最近有一些免疫疗法可以通过调节和操纵人体的免疫细胞来有效的遏制癌症。大量的证据表明这种免疫疗法可以让病人自身的免疫系统识别导致癌变的分子(蛋白质),使得其免疫细胞T淋巴细胞能够像导弹一样自主寻找和精准攻击肿瘤细胞。
这种免疫疗法的基本原理是,肿瘤细胞的持续突变会驱动肿瘤不断发生进化,同时会产生只在肿瘤细胞中表达的特定抗原。研究人员希望通过训练病人免疫系统特异识别这些肿瘤特异的抗原,称为肿瘤新抗原,来选择性的消灭癌细胞而保证正常细胞不受影响。
过去十年来随着基因组测序和生物信息技术的发展,人们对肿瘤免疫的理解逐渐清晰,也促使肿瘤免疫从实验室走出来进入临床。肿瘤免疫治疗由于其有别于非特异性副作用大的传统治疗手段,可以极大改进肿瘤治疗的特异性,其出现不亚于是肿瘤治疗领域的一次革命。继续推进这场革命的关键是深入了解肿瘤新抗原的特质。

一 肿瘤是基因突变导致的疾病

肿瘤通常由一个单细胞发展演化而来。当一个癌细胞不断分裂成一团细胞时会累积很多基因突变,这些突变能够改变细胞生长,生存和分化的。这个概念是我们理解和治疗肿瘤这种疾病所秉承的核心思想。一般认为,细胞累积能够影响控制其关键功能的基因突变是在正常细胞向癌细胞过渡的过程中发生的。与此观念相作证的是,研究人员经常发现在肿瘤发展的早期阶段有大量的DNA修复相关的基因发生了失活突变,进而为导致肿瘤中基因突变的加速。
由于近年来基因组测序成本大幅下降和数据产出的急剧增加以及计算和分析方法的迅猛发展,人们可以详细评估和清晰刻画归为不同组织形态类型的各种肿瘤的基因突变图谱。就不同肿瘤的突变负荷来讲,那些来源于更容易暴露在突变诱导物质前的组织如皮肤,肺和膀胱等的肿瘤的突变负荷最大,其次是那些DNA错配修饰系统或校读功能有缺陷的肿瘤(常见于某些结肠癌和子宫内膜癌的亚型)。肿瘤所携带的突变中只有很少一部分是驱动突变(driver),其他绝大部份的突变对建立和维持癌细胞的“癌症”特征没有明显影响,因而称之为搭便车的非驱动突变(passenger)。
不管是驱动突变还是非驱动突变都可以导致细胞产生肿瘤特异的肿瘤新抗原,从而被人体负责清楚外来入侵者的T淋巴细胞所识别。T淋巴细胞通常识别几乎位于所有人体细胞表面的MHC(主要组织相容复合物)所递呈的来自细胞内外的病原的短的线形多肽。虽然MHC也会递呈来自正常细胞的蛋白的抗原,由于免疫耐受而认为是自体;但是如果被递呈的抗原有哪怕一个氨基酸残基的差异,都有可能被T细胞识别为外源而被消灭。
虽然人们早就熟知当细胞受到病毒或细菌感染是会在其表面递呈外源肽段,研究人员直到最近才意识到肿瘤细胞也会以突变肽段的方式递呈外源抗原,该肿瘤特异的肿瘤新抗原可以用来治疗肿瘤。已有大量临床前动物实验表明无论诱导或自发的肿瘤都具有不同程度的固有的免疫原性,当再次接种该肿瘤时,动物体内的CD4阳性和CD8阳性的细胞可以抑制肿瘤的进展。早些时候的研究表明是用来诱导实验动物肿瘤发生的病毒来源的致癌基因是相关抗原的来源,但是后来在自发肿瘤动物模型上的实验表明发生突变的自体蛋白的确可以被T细胞所靶向。
肿瘤新抗原疗法被认为可能在免疫检查点疗法中更有效果。免疫检查点抑制剂可以解除免疫系统的“刹车”,使T细胞能够杀伤肿瘤细胞。临床前和人体试验都表明服用针对免疫检查点的抗体时(包括PD1/PD-L1/CTLA-4)可以激发T细胞强大的抗肿瘤作用。2015年好几个研究小组发现病人接受免疫检查点抑制剂疗法的响应和其肿瘤新抗原的负荷正相关。类似的,越来越多的临床试验证实T细胞回输,或称为过继细胞疗法之所以起作用是因为T细胞可以靶向突变的基因产物。这些奠基性的研究和基于单个病人的临床试验结果充分证明肿瘤新抗原疗法的广谱性。因此,下一步研发的重点是如何快速鉴定病人特异的肿瘤新抗原并训练免疫系统有效的靶向肿瘤细胞。

二 崎岖的临床之路

肿瘤新抗原产生于肿瘤细胞的体细胞突变,这些变异导致肿瘤细胞所表达的蛋白中会存在一些变异的或全新的多肽序列。突变的种类包括蛋白层面的非同义突变,移码突变,异位(基因融合),mRNA剪接变异以及那些能够影响翻译后修饰如磷酸化,糖基化等等。所有的这些突变都可以导致分子层面的改变从而被相应的T细胞受体所识别。预测一个病人是否能够对某个特定的突变产生免疫反应是一件有挑战性的工作,因为这不仅仅取决于该病人的免疫细胞库里是否有合适的T细胞的存在,还决定于其它诸多因素,如影响突变蛋白被处理和运输到淋巴结从而被抗原提呈细胞所结合。不管怎样,研究人员在努力改进从肿瘤病人中鉴定肿瘤新抗原的方法,希望能够在此基础上开发个性化的疫苗和细胞治疗法。为了达到这个目的,人们开发了许多计算方法去分析决定一条肽段能否被T细胞所靶向所有可能相关的特征。这些特征包括突变肽段的氨基酸序列,其与野生型序列的相似性,被蛋白水解的能力以及与相应MHC分子的亲和力。目前基于体细胞突变预肿瘤新抗原靶标的成功率仍然不尽如人意,不过好在研究人员找到了一种替代方法就是利用灵敏的质谱技术鉴定肿瘤表明MHC分子所结合的多肽谱。这种方法在小鼠肿瘤实验中已经成功,在人类肿瘤中的适用性还需要进一步探索。第三条道路是结合第一种基于测序的计算方法和第二种纯实验的偏经验主义的筛查,研究人员在体外(ex vivo)测试病人外周血或肿瘤浸润T细胞对测序分析所预测的新抗原的识别。这种改进在鉴定相关新抗原和预测病人可能的应答的方面有着已被验证的而非设想中的优越性,效果明显胜过纯计算的分析方法。
随着我们从细胞和分子层面对肿瘤的深入研究和对肿瘤新抗原鉴定方法的不断改进,该疗法所遭遇到的各种挑战尤其是肿瘤的耐受性(适应性)越来越清晰的浮现出来。肿瘤细胞的适应性指的是,肿瘤如何快速增殖并对像新抗原个性化免疫治疗产生抵抗。肿瘤可以通过像利用正常的免疫抑制通路和其它众多免疫逃逸机制来对抗免疫系统的攻击和杀伤。肿瘤还可以通过消除抗原的提呈,使得免疫系统无法识别肿瘤细胞。此外,由于肿瘤细胞的快速突变和进化和导致的遗传异质性也是肿瘤新抗原疗法需要克服的一个重大障碍,因为并不是所有的肿瘤细胞都携带有被靶向的抗原。针对阻断免疫检查点的肿瘤免疫疗法的回溯性研究表明,只有病人在几乎所有或多数肿瘤细胞中都表达新抗原靶标时才会从该治疗中受益。而如果新抗原靶标只在部份肿瘤细胞中存在,则该病人的治疗效果很弱甚至完全没有效果。
随着基因组测序成本持续下降,以后的研究应该致力于在一个病人的全过程中去动态跟踪和捕捉其肿瘤体细胞突变的克隆多样性。只有这样,临床专家可以判断哪些突变时存在于多数肿瘤的主干突变,哪些突变是肿瘤发生的后期才出现而只在一部分克隆中存在的分支突变。试想,既然肿瘤驱动性突变具备强大的增强肿瘤细胞自我更新的效应,驱动性突变应该更大可能位于突变树的主干部位。而对于数量众多的非驱动性变异,他们的重大价值在于提供了可供挑选的潜在的新抗原靶标以保证对所有肿瘤细胞的充分覆盖。由于不同癌种不同病人的肿瘤突变负荷(即一个病人基因组里体细胞突变的总和)变化范围极大,使得新抗原疗法在处理突变负荷特别低和特别高的病人时很难进行有价值的测试。这是因为当突变负荷过低时,可供挑选称为新抗原靶标的突变太少;而突变负荷过高时又很难从数量庞大的突变中挑选出有效的新抗原。


三 早期的尝试

虽然肿瘤新抗原疗法仍然处在临床研究的早期阶段,相关研究人员已经利用负载多肽的树突状细胞和脂质体介导的mRNA进行了几项一期临床试验。通过产学研结合,更多的肿瘤新抗原疗法的临床试验正在计划之中。由于该肿瘤免疫疗法是高度个性化的,因此一个亟待解决的技术难题是如何能够及时和相对廉价的生产单个病人所需要的临床级别的试剂(如多肽等等)。显然这个问题的解决依赖于临床医生,生物药企和卫生监管部门的空前深入的合作和对接。
考虑到肿瘤新抗原疫苗的高度个性化特点,该疗法最佳的适用场景是经过常规治疗仍然有肿瘤残余的病人或者已经治愈的病人但有很高的复发风险。更加激进的治疗方法,如抗肿瘤的T细胞回输和使用免疫检查点抑制剂来接触免疫系统的“刹车”,可能更加适用于晚期肿瘤病人和肿瘤负荷比较高的病人。不管怎样,单一疗法都不太可能比组合疗法更有效用。因为多个治疗方法的联用被证实有协同作用,可以让多数肿瘤病人从联合治疗中持久受益。

参考文献

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3 thoughts on “肿瘤新抗原(neoantigen)助力个性化癌症免疫治疗”

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