PD-1抗体有望成为对抗肿瘤的一大杀器

2020
07/24

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镁信健康
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癌症治愈的新篇章——PD-1抗体的登场

未受损机体的免疫系统可以识别和杀伤恶性转变的细胞,达到清除肿瘤细胞或控制其生长 的目的。肿瘤的发生发展是一种微观的生物进化过程,优胜劣汰的自然选择在此同样适用,而肿瘤的免疫编辑在自然选择中扮演至关重要的角色。目前广为人知的免疫检查点包括:CTLA-4~CD80/CD86,PD1~PD-L1/PD-L2, GAL9~TIM3,TCR~LAG3,HVEM~BTLA.

其中PD-1/ PD-L1已成为近年来肿瘤免疫治疗的研究热点。肿瘤细胞通过高表达PD-1/PD-L1募集免疫抑制细胞及细胞因子,降低肿瘤细胞的抗原性,使免疫微环境的天平由稳态向免疫抑制倾斜,这个过程被称为免疫编辑(immunoediting)。

免疫编辑包括清除、均衡、逃逸三个过程。肿瘤细胞通过免疫编辑最终逃避机体免疫系统的抗肿瘤作用,形成临床可以检测的肿瘤。

近几年兴起和PD-1抗体有关研究,或可成为对抗肿瘤的大杀器。

癌症初见、爆发到治愈曙光

约公元前400年,古希腊医师希波克拉底(Hippocrates)就已开始检查并治疗癌症患者了。他给这种几乎无法治愈的病症起名为karkinos——希腊语中的螃蟹,随后在英语体系中,被称为cancer。

随着第二次工业革命的进行,现代医学蓬勃发展,全球人均寿命从不足40岁达到了超过70岁。随之而来的,就是癌症不再是一个罕见病(在40岁以下的人群中,肿瘤不易发生),随着年龄增长,癌症风险也在逐年增加。时至今日,癌症每年导致数百万人死亡,成为了大众眼中的“绝症之一”。

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(参考图1,世界人均期望寿命趋势)

恶性肿瘤的传统治疗方案包括手术、化疗、放疗等,早期的癌症使用以上的传统治疗手段一般具有良好效果,但对于中晚期癌症,疗效不尽人意。而且化疗和放疗在杀灭癌细胞的同时也会损伤健康细胞,使得患者生存状况在罹患癌症进行治疗后甚至反而会有所下降。

人类的免疫系统在识别病原体方面一直表现优秀,可以在不影响自身健康细胞的前提下攻击病原体。于是,有研究人员提出猜想,是否可以用自身的免疫系统来攻击肿瘤细胞,但是在历史上的无数次试验中科研人员发现,因为肿瘤细胞的表面用于免疫系统识别的蛋白与正常细胞同源,存在有高度一致性,免疫系统很难对异常的肿瘤细胞产生免疫应答。

后来的科研人员在免疫调节的基本机制、免疫系统如何识别癌细胞等基础研究领域中做出了很显著的进步,新型癌症治疗策略一直被搁浅,无法提出。

直到——PD-1的问世。

什么是PD1?

PD-1是一种程序性死亡蛋白 1,主要表达于活化的 T 细胞表面,与其配体相互作用参与抑制外周组织中持续的免疫应答,并阻止自身组织免疫损伤[1]。除 T 细胞外,PD-1 还可由B 细胞、自然杀伤(NK)细胞、树突状细胞以及活化的单核细胞表达产生。PD-1 的配体包括 PD-L1 和 PD-L2,主要表达于巨噬细胞、单核细胞以及炎性环境中其他多种细胞。

而非免疫细胞一般表达的 PD-1 配体主要是 PD-L1,肿瘤细胞上 PD-L1 的表达与 T 细胞表面的 PD-1 相互作用,使得本身用于消灭肿瘤的T细胞在诱导下凋亡,使肿瘤细胞逃避免疫攻击。

T细胞是一种在免疫系统中举足轻重的白细胞。多种蛋白质的均可作用于T细胞,与T细胞的激活调节机制息息相关,一些蛋白质促进T细胞激活,而另一些蛋白质则抑制T细胞的作用。PD-1疗法就是通过发展抗体药物,抑制这些阻止T细胞激活的蛋白质,让T细胞全力工作,消灭癌细胞。

如今,相关的抗体药物在临床上已经有所应用,在治疗癌症方面表现喜人,甚至可以在许多传统疗法作用有限的中晚期甚至是终末期癌症中都能显著延长患者生命并减轻他们的痛苦。

属于免疫疗法的诺贝尔奖

2018年10月1日下午5点30分的瑞典卡罗林斯卡医学院宣,2018年的诺贝尔生理学/医学奖揭幕,该奖项授予了70岁的美国免疫学家詹姆斯·P·艾利森以及76岁的日本免疫学家本庶佑,他们在癌症疗法以及免疫负调控的抑制领域所作出的贡献彻底改变了人类对抗癌症的格局,使得癌症彻底治愈不再是天方夜谭。

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(参考图2,2018年诺贝尔奖获得者Allison教授与本庶佑教授)

1992年的冬天,一篇发表EMBO Journal的研究问世,该研究通过消减杂交技术首次发现,一种免疫球蛋白超家族中的新基因PD-1的活化可能参与经典的程序性细胞死亡,并认为PD-1基因是细胞死亡的诱导者。

在这篇文章中,本庶佑认为属于免疫球蛋白超家族的PD-1的活化会导致T细胞的凋亡,这也是PD-1蛋白的命名由来(Programmed Death-1)。

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(参考图3,PD-1/PD-L1作用机制)

PD-1(programmed death-1)是从凋亡的小鼠T细胞杂交瘤2B4.11中利用削减杂交的方法首次获得的,由于与细胞凋亡相关而被命名为程序性死亡- 1受体。PD-1基因编码一个相对分子质量为50~55 KD的免疫球蛋白超家族Ⅰ型跨膜糖蛋白,其胞浆区尾部有2个酪氨酸残基,氮端的酪氨酸残基参与构成一个免疫受体酪氨酸抑制基序(immunoreceptor tyrosinebased inhibitorymotif,ITIM),碳端酪氨酸残基则参与构成一个免疫受体酪氨酸转换基序(immunoreceptor tyrosinebased switch motif,ITSM)。PD-1与其配体结合后,碳端ITSM发生磷酸化,募集蛋白酪氨酸磷酸酶Src同源蛋白2(SHP2),使下游的脾酪氨酸激酶(spleen tyrosine kinase,Syk)和磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidyl inositol 3 kinase)发生去磷酸化,从而传递抑制性信号,发挥负性调节作用。PD-1主要在肿瘤浸润淋巴细胞TIL (tumor-infiltratinglymphocytes,通常是CD4+ T淋巴细胞)、B淋巴细胞、NK细胞、单核细胞以及树突细胞中表达。

本庶佑在这篇文章中公布了PD-1蛋白的序列,随后几年接连发表了一系列研究PD-1的成果。这一发现为肿瘤的治疗开启了新的思路,使用免疫疗法是否可以使得肿瘤细胞凋亡呢?

后续研究中,给出了肯定的答案。

PD-1抗体抗癌的序幕

2000年,丹娜法伯癌症研究院,Gordon Freeman和本庶佑共同阐述了PD-1/PD-L1对人体T细胞的调控作用,免疫治疗肿瘤的领域才逐渐引起重视。

Freeman等人不仅发现了属于B7蛋白家族的PD-L1蛋白是PD-1的配体,还首先证明了 PD-L1通过结合PD-1,抑制了T细胞的增殖和分泌细胞因子功能。他们先前就通过生物信息学的办法找到了很多和B7蛋白基因相似的B7蛋白家族成员。根据CTLA-4蛋白会和B7家族的B7-1、B7-2蛋白结合, PD-1蛋白又和CTLA-4结构有类似片段,同属一个蛋白家族等已知信息,Freeman推测自己发现的B7蛋白家族中,可能有PD-1的配体。

当时PD-1尚未成为热门研究领域,没有商业化的PD-1蛋白供实验用,Freeman于是和本庶佑合作,就此发现了PD-L1和PD-1在免疫系统里的负调控功能。

在动物实验中,本庶佑团队证明了抑制PD-1是一种有前景的抗癌策略,这为利用PD-1作为癌症治疗的靶标铺平了道路。

随后的是临床开发,2012年的一项研究表明,PD-1阻断策略可用于治疗不同类型的癌症,疗效明显。在一些患有转移性癌症的患者中,PD-1阻断策略可带来长期缓解甚至可能的治愈。

治愈癌症,这在曾经的抗癌历史中是完全无法想象的。

第一款PD1上市

2002年,华人科学家陈列平指出“大多数肿瘤细胞通过表达PD-L1实现免疫逃逸”, 2001年初,王常玉离开Chiron,作为研发科学家加入Medarex,在王常玉的主导下研究目标集中在PD-1/PD-L1上。当时PD-1并不是一个研究热点,项目研发条件还不充分,研发需要摸着石头过河,甚至因为资源的匮乏,这个“石头”还得自己造。

在此之后的动物实验中,他的团队也面临诸多困难,当时主流的小鼠肿瘤模型对PD-1抗体基本无应答,直到2004年底才在MC38肿瘤模型上观察到了一定疗效。至此之后,终于进一步明确了研发方向,而后全球大部分PD-1/PD-L1抗体开发均以MC38肿瘤模型为基础。

2014年,第一篇关于Nivolumab的文章发表,第一作者是王常玉。按照文中提及的团队分工,王常玉负责这个项目的概念设计、试验方法的开发等等工作以及项目的监督,是Nivolumab(O药)毫无争议的第一发明人。不过因专利问题,Medarex不得不与小野制药妥协。 (任何物质,只要特异性与人PD-1蛋白结合,就侵犯了本庶佑和小野制药在2001年申请的一项国际专利专利)

2014年6月Nivolumab以商品名Opdivo的名字于日本获得批准用于治疗黑色素瘤,成为全球第一个被批准的PD-1药物,随后于2014年12月在美国获得批准。

2015年3月Opdivo以创纪录的速度在申报后四天内得到美国FDA批准,用于治疗铂化疗后依然进展的转移性鳞状非小细胞肺癌

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未来,治愈可期

现如今,正在进行的关于PD-1抗体的研究

从2006年至2019年,针对PD-1/PD-L1单克隆抗体单独或联合其他药物共开展了3362项试验,其中约3000项试验时至今日仍在进行,这些试验总共招募超过50万名患者,覆盖大多数肿瘤类型,跨越所有的治疗方法。

在正在进行的临床试验中,有76%的试验正在与PD-1/PD-L1单克隆抗体与其他肿瘤治疗的联合方案相关,如免疫肿瘤治疗、靶向治疗、化疗或放疗。两种新的联合治疗策略也得到了FDA批准——针对肾癌和子宫内膜癌的PD-1单克隆抗体和靶向治疗,以及针对肺癌的PD-1单克隆抗体、靶向治疗和化疗。此外有295个其他药物靶点正在与PD-1/PD-L1抑制剂进行联合试验,近几年相关靶点已经增加了136个。

虽然目前PD-1抑制剂主要以治疗肺癌为主的癌症,其对肿瘤的治疗是否存在癌症类型的局限性也未可知。但总的来说,免疫疗法的应用将开启肿瘤治疗的新途径,无论是动物研究还是临床试验结果均将会为这类治疗方法在临床的应用提供基础和依据。

参考文献:

马薇, 罗殿中, 陈源, 等. PD-L1和PD-1在非小细胞肺癌中的表达及其临床意义[ J]. 实用医学杂志, 2011, 27(9): 1551-1554.

林城, 陈雄, 刘静南, 等. PD-1/PD-L1信号通路在非小细胞肺癌免疫逃逸及其治疗中的研究进展[ J]. 中国肺癌杂志, 2014, 17(10): 734-740.

Nurieva R, omas S, Nguyen T, et al. T-cell tolerance or function is determined by combinatorial costimulatory signals[ J]. EMBO J, 2006, 25(11): 2623-2633

高蓓蓓 , 李代强 . PD-1/PD-L1 在非小细胞肺癌中 的研究进展及展望[J]. 临床与病理杂志, 2015, 35(6): 1189-1194.

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关键词:
免疫系统,抗体,肿瘤

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