"里"应"外"合",全面恢复T细胞抗肿瘤活性|探微知著:PD-1作用机制以及临床表现的差异探讨

2021
01/10

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随着免疫检查点抑制剂临床试验的全面开展以及基础机制研究的日益深入,越来越多的证据指向一个结论:阻断胞外的PD-L1/PD-1结合仅使T细胞功能部分正常化,因此,对PD-1通路深入理解对免疫疗法的未来发展有着重要的指导意义。

人体的免疫系统就像一支高效的军队,能够随时集结不同职能的免疫“部队”执行复杂任务,昼夜不停地保护着我们的健康。

一百多年来,科学家一直试图利用人体免疫系统对抗肿瘤,直到诺贝尔生理学或医学奖获得者——美国免疫学家詹姆斯·艾利森和日本生物学家本庶佑发现了抑制负向免疫调节的新型疗法,全面革新了我们对肿瘤免疫治疗的认识。

但随着免疫检查点抑制剂临床试验的全面开展以及基础机制研究的日益深入,越来越多的证据指向一个结论:阻断胞外的PD-L1/PD-1结合仅使T细胞功能部分正常化,因此,对PD-1通路深入理解对免疫疗法的未来发展有着重要的指导意义。

免疫负向调节—PD-1蛋白与生俱来的“使命”

在细胞毒性T细胞相关抗原4(CTLA-4)被发现以前,科学界普遍认为,人体的免疫系统主要起正调控作用,只要加强它们的功能,就可以有效杀灭癌细胞和其他致病微生物。

1994年,詹姆斯·艾利森研究发现:在阻断CTLA-4后,免疫细胞活性不降低,反而显著增强,提示CTLA-4是免疫抑制分子,而非激活或增强分子。这一发现揭示机体内免疫系统是受正反两方面调控——既可以攻击癌细胞和外来入侵者,也可以受到抑制进而保护健康细胞免受攻击。

这种抑制免疫可以得到“负负得正”的结果,也被称为免疫负向调控。不久,本庶佑等人证实,阻断PD-1通路可以有效抗击肿瘤,PD-1也成为第二个被选作“通过抑制免疫负向调节而实现癌症治疗”策略的分子。

PD-1与配体结合后可诱导T细胞凋亡、失能、耗竭,进而抑制肿瘤抗原特异性CD8+T细胞的激活、增殖和抗肿瘤功能。

基于上述理论,很长时间内大家一致认为:只要阻断PD-1与PD- L1结合,即可阻断PD-1通路对T细胞的抑制作用,恢复T细胞杀伤肿瘤功能,这也是PD-1抑制剂发挥抗肿瘤疗效的主要机制。

然而,越来越多新证据显示,阻断PD-1与PD-L1结合只能使T细胞功能部分正常化,实现T细胞功能完全正常化还需要其他PD-1通路信号“闸门”的关闭。

逆转T细胞耗竭—肿瘤免疫疗法的“正确姿势”

T细胞耗竭是指慢性感染和肿瘤发生时出现的T细胞功能障碍状态,通常表现为T细胞功能减低,细胞表面抑制性受体持续表达,转录状态也不同于效应T细胞或记忆T细胞。“耗竭”的状态会让机体放任感染或肿瘤的发展(图)。

T细胞负性共刺激分子,又称免疫检查点,主要用于限制免疫系统的过度激活,PD-1是目前最重要的免疫检查点。随着PD-1信号通路被激活,T细胞会经历功能障碍的几个阶段,细胞因子的分泌下降、效应器功能和其他特性逐渐丧失。

值得注意的是,伴随着T细胞耗竭,其表面以PD-1为代表的抑制性受体表达会逐渐上调,肿瘤抗原诱导细胞表面PD-1表达上调是T细胞“耗竭”及发生肿瘤免疫逃逸重要“推手”。因此,逆转T细胞表面PD-1表达是解除T细胞抑制另一把“钥匙”。

▼ 图 T细胞的耗竭过程示意图

PD-1信号在胞内的传导—探寻“冰山下的世界”

目前,阻断T细胞外PD-L1/L2与PD-1的结合被广泛应用于多种肿瘤的治疗。然而,有关T细胞内PD-1信号转导机制的信息却非常少。目前,有证据显示同时在胞内、胞外解除PD-1对T细胞的抑制作用,将有可能实现T细胞功能全面正常化,提高肿瘤免疫治疗有效率。

PD-1及其配体是B7/CD28/CTLA-4受体家族的成员,该家族成员是I型跨膜糖蛋白,共享由1个“IgV胞外域”、1个“跨膜域”和1个“胞质尾区”组成的基础结构模型。PD-1的胞质尾区包含两个基于酪氨酸的结构基序:ITIM和ITSM。PD-1的抑制性功能依赖于ITSM中酪氨酸残基的磷酸化,后者优先招募磷酸酶SHP-2,SHP-2是在正常T细胞中负责调节PD-1抑制性信号的直接伙伴。

2020年10月21日,斯坦福大学霍华德·休斯医学研究所在Nature发表的一篇文章指出:免疫检查点抑制剂通过抑制PD-1与配体结合,减少PD-L1/2诱导的信号传导,从而逆转T细胞的耗竭状态。然而,虽然部分患者对免疫检查点的“封锁”有效,但相当一部分患者出现肿瘤生长短暂延迟,或对治疗无效。

在此背景下,研究人员建立敲除胞外结构域的细胞系并开展实验发现:仅存在胞内截短体的PD-1蛋白即对T细胞产生抑制作用,因此即使阻断T细胞外PD-L1与PD-1结合,仍无法解除T细胞内由PD-1带来的抑制信号。在此基础上,研究团队设计了一种可与CD45和PD-1胞外结构域结合的双特异性分子——RIPR-PD-1,CD45具有去磷酸化的作用,通过CD45和PD-1在T细胞表面顺式连接,使PD-1 胞内结构域去磷酸化进而阻断信号传递,恢复T细胞活性。体内实验显示同时抑制胞内、胞外PD-1信号转导能够显著抑制小细胞肺癌和结肠腺癌小鼠模型中的肿瘤生长、增加T细胞活性,疗效优于传统PD-1抗体。

小  结

机制研究的突破为肿瘤免疫治疗的未来方向,对于PD-1抑制剂而言,抑制PD-L1与PD-1结合只是其发挥抗肿瘤疗效的基础,真正体现实力的“战场”可能是在下调T细胞表面PD-1表达,阻断胞内信号转导,恢复T细胞正常功能等多个方面的比拼。

事实上,在新药研发领域,针对上述机制可能带来的疗效差异已早有布局,以我国批准上市的首个国产PD-1抑制剂为例,其早期公布的数据显示,特瑞普利单抗在阻断PD-1和其配体结合的同时,可诱导PD-1内吞,降低T细胞膜表面PD-1的表达,在机制上占领了一块“高地”。

随着人体免疫系统的奥秘被深入挖掘,增强自身防御功能的肿瘤免疫疗法不断成熟与强大,实现长期抑制、甚至治愈肿瘤的梦想,指日可待。

参考文献

1. Keir M, et al. Annu Rev Immunol. 2008;26:677-704.

2. Patsoukis N, et al. Commun Biol. 2020;3(1):128.

3. Nature. 2020 Oct; 586(7831):779-784.

4. Nat Immunol 12(6):492-499.

5. Front Immunol. 2020. 29; 11: 1088.

6. Front Immunol. 2018. 4; 8: 1751.

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关键词:
PD-,细胞,肿瘤,抑制,功能

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