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肿瘤—免疫系统相互作用图

May 23, 2016 1 Comment

肿瘤—免疫系统相互作用图

肿瘤—免疫系统相互作用图。这幅雷达图一共向我们展示了肿瘤—免疫系统相互作用的七个方面,以及相关的一些生物标志物(其中有一些是已经确定的标志物,有一些是非常有前途的潜在标志物,这些以斜体标示)。图中蓝色标示的是我们希望看到的状态,红色标示的是我们越来越不希望看到的状态。黑色线条表示了某一个患者的具体状况。以图中这个患者为例,他比较适合单独使用PD-1抑制剂,而不是PD-1联合CTLA-4抑制剂疗法。

 


全面了解肿瘤与人体免疫系统之间的相互作用,非常有助于我们开展个体化抗癌治疗。

肿瘤免疫治疗(cancer immunotherapy)对临床抗癌治疗工作的影响越来越大了。不过,各种免疫疗法还处在各自为政的状态,只针对肿瘤与机体免疫系统相互作用中的某一个方面在发挥作用。那么对于一名癌症患者而言,什么样的治疗才是最好、最有效的治疗呢?接下来,我们将通过几个病例,全面地介绍肿瘤与人体免疫系统之间的相互作用,并且将重点介绍相关的生物标志物,以帮助大家为每一位癌症患者选择最合适的治疗方案。

我们在描绘这幅“肿瘤—免疫系统相互作用图”时主要考虑两点。肿瘤与机体免疫系统相互作用的结果是以大量无关参数为基础的,比如肿瘤的异质性(foreignness)和T细胞抑制机制(T cell–inhibitory mechanisms)等参数。而且,这些参数的价值是因人而异的。比如,对于某些患者而言,肿瘤特异性T细胞免疫反应的肿瘤内抑制问题就是唯一需要解决的问题,可是还有一部分患者的最大问题却是肿瘤的异质性不足,无法引出机体T细胞抗肿瘤免疫反应,而不是T细胞反应被抑制。由于肿瘤与机体的免疫系统之间存在着千丝万缕的相互作用,所以在抗癌个体化治疗的工作中,一定要综合评价各个生物标志物指标。

在我们这幅图里,T细胞的活性决定了最终的抗癌效果,但这决不是说肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages)及微生物组(microbiome)调控等其它因素就没有价值。而且,其它这些相关的干预措施最终也会起到增强T细胞活性的作用。我们将开展更进一步的研究来证实它们彼此之间的相互作用。目前,我们对肿瘤与机体免疫系统之间相互作用的理解还不够全面,还处在静态的、片面化认识的阶段。因此,我们急需新的生物标志物来指导下一步的工作,同时有一些价值不大的生物标志物也应该被淘汰了。依靠七种不同的参数就可以构建出一幅肿瘤—免疫系统相互作用图的框架,接下来,我们将对这些参数进行详细的介绍。

 

肿瘤的异质性问题

抗原呈递细胞(antigen-presenting cells)诱导T细胞免疫反应需要先呈递出MHC连接的(异源)肽段。这些MHC复合物中的肽段可能是来自肿瘤的自体肽段(即表达异常的蛋白质),也可能是来自病毒或突变基因的编码产物(即一种新型的抗原)。T细胞活化之后会引发什么样的免疫反应取决于细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(cytotoxic T lymphocyte–associated protein4, CTLA-4)和细胞程序死亡蛋白1(programmed cell death protein 1, PD-1)等T细胞检查点(T cell checkpoints)蛋白的调控作用。

最近的研究数据表明,人体肿瘤的异质性主要是由新型抗原的表达情况来决定的。在对黑色素瘤(melanoma)和非小细胞肺癌(non–small cell lung cancer)的研究中发现,肿瘤突变的情况(代表肿瘤新型抗原的多少)与人体T细胞免疫反应检查点抑制剂(T cell checkpoint inhibitors)的被抑制情况,这两者之间的对决对于患者的病情至关重要。PD-1对DNA错配修复机制有障碍的肿瘤细胞的阻滞作用也与肿瘤的异质性有关,这也是决定抗PD-1免疫抗癌疗法疗效的关键。除此之外,较低的肿瘤内遗传异质性(genetic heterogeneity)似乎也与T细胞免疫反应检查点阻滞作用有关,这也间接证明了克隆新抗原(clonal neoantigens)的主导地位。

不过突变的程度并不能够很好地反映肿瘤异质性的大小,因为这没有反映自体抗原识别在机体抗癌免疫反应中起到的作用。而且,每一个突变并不一定都能够产生新抗原,这些突变只不过有可能会带来新抗原,,每一个突变就好像是一张彩票,虽然有可能会中大奖,但并不是100%会中奖。因此,虽然肿瘤的异质性高极有可能意味着突变也非常多,但是我们只能根据肿瘤的异质性来判断肿瘤里含有中等程度的突变还是较少的突变,需要做更精细的分析才能够得到准确的答案。

 

机体免疫状况的问题

我们在临床上都会对患者的机体免疫状况进行评估,这绝对是很有必要的。黑色素瘤患者体内的淋巴细胞数量下降往往提示我们,使用CTLA-4抑制疗法可能不会取得较好的治疗效果。中性粒细胞与淋巴细胞的比值也与免疫抗癌疗法预后较差有关。黑色素瘤患者体内嗜酸性粒细胞的数量升高,预示着使用抗CTLA-4抗体治疗会取得比较好的治疗效果。此外,血液中骨髓来源的抑制性细胞(suppressor cell)的数量似乎与免疫抗癌疗法的预后呈负相关关系。因此,我们只需要简单地验一下血,对患者机体的免疫状况做一番评估,就能够判断出使用免疫检查点抑制剂抗癌疗法是否会取得比较好的治疗效果。从理论上说,机体免疫状况与治疗预后之间的相关性也能够反映机体是否产生或维持着全身系统性肿瘤特异性T细胞反应。从另一个角度来说,全身免疫机能低下也预示着肿瘤内免疫抗癌作用更加不足。不过无论如何,我们都应该尝试一下能够逆转全身免疫机能低下的药物或疗法,看看是否能够增强检查点抑制剂的功效。利用能够从多个角度对免疫细胞以及相关蛋白进行评价的新技术,也很有可能会为我们提供一些新的参数,帮助我们更好地评估人体的免疫功能,从而更准确地预测免疫抗癌疗法的治疗效果。

 

免疫细胞浸润的问题

在T细胞介导的抗癌免疫反应中有一个非常明显的特征,就是在肿瘤组织中有肿瘤反应性T细胞(tumor-reactive T cell)浸润。如果缺少这种T细胞浸润过程,那就说明T细胞活化步骤有缺陷,可能是因为肿瘤相关的纤维化,或者是肿瘤相关血管的通透性较低,亦或是缺少T细胞趋化因子等原因所致。CXCL9和CXCL10这两种能够与CXCR3受体结合的细胞因子都属于同一条细胞信号通路,该信号通路就能够增强PD-1抑制剂的治疗功效,这也从一个侧面说明了T细胞趋化因子在免疫抗癌治疗中的作用。而且CD8+T细胞浸润速度加快也能够改善抗PD-1免疫抗癌治疗的预后,这也从另一个方面印证了上述假设。

肿瘤内T细胞浸润的程度可能还是其它肿瘤免疫作用导致的结果。比如,在浸润T细胞识别肿瘤细胞的时候,由γ干扰素诱导产生的CXCL9和CXCL10就能够起到强化T细胞招募正反馈的作用。因此,如果缺少T细胞浸润这个过程,可能意味着多个环节出了问题,比如肿瘤异质性不够高、T细胞活化不足、T细胞招募不足等。如果能够准确地判断上述具体哪一个环节出了问题,就能够为我们的临床治疗提供更加清晰、明确的指引和帮助。从这个角度来说,稳定的转录调控因子β连环蛋白(β bcatenin )以及CD103+树突状细胞也都值得我们更加注意。

 

检查点蛋白缺失的问题

在很多情况下,T细胞检查点蛋白及其配体的表达情况,也极有可能成为一个非常有价值的分子标志物,因为这能够反映很多特异性治疗靶点的相关信息,并且也能够让我们对肿瘤特异性T细胞反应有一个更加全面的了解。以黑色素瘤为例,细胞程序死亡配体蛋白1(programmed death ligand 1, PD-L1)的表达增多就预示着使用PD-1和CTLA-4抑制剂会取得比较好的治疗效果。对于PD-1抑制剂而言,PD-L1表达增高意味着存在治疗靶点,而对于CTLA-4抑制剂而言,PD-L1表达增高则意味着肿瘤特异性免疫反应较强,这是因为α和β干扰素都能够诱导PD-L1表达。不过,肿瘤细胞也可以不依赖干扰素来表达PD-L1蛋白。为了更进一步稳固PD-L1作为分子标志物的地位,我们还需要在临床中进一步对T细胞诱导及肿瘤细胞自身表达的PD-L1蛋白进行检验。比如,我们可以对肿瘤细胞表达的PD-L1和干扰素同时进行检测,也可以对肿瘤组织内T细胞上提示活化衰竭级联反应的分子标志物进行检测。

 

缺少可溶性抑制因子的问题

肿瘤炎症相关因子有助于肿瘤病情进展。中性粒细胞、γδ细胞以及分泌促炎症因子(比如血管内皮生长因子A、集落刺激因子、白介素1、6、17以及CXCL1等)的巨噬细胞都能够反映这种炎症反应的程度。白介素1和白介素6都能够促使C反应蛋白(C-reactive protein, CRP)的表达,而我们都知道,C反应蛋白在临床上就是一个反映肿瘤相关炎症反应的常用指标。小鼠动物模型告诉我们,肿瘤来源的前列腺素E2能够促进炎症反应,主要特征就是白介素6、CXCL1和粒细胞集落刺激因子大量表达。如果抑制黑色素瘤细胞表达前列腺素E2,就能够使肿瘤局部微环境变成1型干扰素占优势的状态,看到较好的T细胞抗癌反应。这些研究结果表明,如果抑制了T细胞反应,就有可能抑制肿瘤炎症反应的促肿瘤作用。同样,CRP或血沉等炎症反应指标升高也提示我们,使用抗CTLA-4抗体治疗的预后不会太好,不过如果在肿瘤组织中发现了干扰素基因信号,那么使用PD-1抑制剂就会取得比较好的治疗效果。还有很多其它的可溶性抑制分子极有希望成为有价值的分子标志物,其中之一就是吲哚胺2,3双加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase),在小鼠动物试验中发现,该分子能够干扰抗CTLA-4抗体介导的抗肿瘤反应。

 

缺少肿瘤代谢抑制功能的问题

在健康细胞里,通过糖酵解作用,丙酮酸( pyruvate)都会进入三羧酸循环(Krebs cycle)进行代谢。在缺氧的条件下,丙酮酸会由乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)转换成乳酸盐(lactate),并排出至细胞外。可是肿瘤细胞即便在氧气供应丰富的情况下,也还是会进行LDH反应。血液中LDH浓度升高往往预示着CTLA-4和PD-1抑制剂治疗预后不佳,3期临床试验也证实了这一点。乳酸(Lactic acid )和局部较低的pH值都会影响关键的T细胞功能,比如分泌白介素2和γ干扰素等细胞因子的能力,细胞的增殖能力以及裂解肿瘤细胞的能力,这也从一个侧面说明LDH的确是一个有价值的生物标志物。小鼠动物模型研究发现,肿瘤内缺氧以及缺乏葡萄糖的情况也值得我们注意,这也可能成为一个有价值的生物标志物。

 

肿瘤对免疫效应因子敏感性的问题

在临床前模型中发现,肿瘤细胞对免疫系统的“可见度”降低,以及对T细胞杀伤作用的抵抗都是肿瘤逃避机体免疫清除作用的机制,在人体肿瘤研究中也发现了抗原呈递途径组份失活的现象。不过即便抗原呈递组份作用失效,抗原呈递细胞还是可以通过交叉呈递(cross-presentation)肿瘤细胞抗原,使机体将肿瘤视作异物,但是肿瘤细胞识别的最终阶段还是会受到影响。到目前为止,还没有研究能够将MHC表达或细胞凋亡机制障碍与CTLA-4或PD-1抑制剂的临床预后给联系起来。从肿瘤细胞对免疫效应因子敏感性这个层面去分析免疫抗癌药物的耐药性问题,不仅对我们寻找最合适进行免疫治疗的患者有帮助,同时也有助于我们发现能够对人体肿瘤细胞施加进化压力(Darwinian pressure)的T细胞效应因子作用机制。我们通常都认为,T细胞的抗癌作用主要是借助穿孔素(perforin)和颗粒酶(granzyme)介导的融细胞作用,小鼠动物模型研究也发现了γ干扰素和α肿瘤坏死因子等细胞因子对肿瘤间质和肿瘤细胞的作用。

 

展望

通过前面的介绍,我们可以总结出在开展肿瘤免疫治疗的时候,应该先问问以下几个问题:患者机体免疫系统是否将肿瘤视作了异物?患者机体免疫功能是否足够?有证据能够表明效应T细胞浸润进肿瘤组织内吗?是否有检查点蛋白、可溶性因子或代谢因素影响效应T细胞的作用?肿瘤细胞对T细胞反应是否敏感?我们可以从肿瘤基因组、免疫组化、外周血检测等检测结果中了解到上述相关信息。这些检查项目有助于我们绘制出肿瘤—免疫系统相互作用图,我们既可以在治疗前绘制这幅图,也可以同时在治疗中绘制这幅图。了解整个病情的变化情况。

当然,肿瘤—免疫系统相互作用图也需要不断发展和完善,比如增加新的、能够反映T细胞活化情况的生物标志物。根据最新研究进展绘制的肿瘤—免疫系统相互作用图有助于我们更清楚地判断每一位患者体内发生的肿瘤—免疫系统相互作用,从而更加有针对性地制定出个体化的治疗方案。

 


原文检索:
Christian U. Blank, John B. Haanen, Antoni Ribas & Ton N. Schumacher. (2016) The “cancer immunogram”. Science, 352:658-660.
Eason/编译

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One Response to “肿瘤—免疫系统相互作用图”

  1. 丁胡清 says:

    亲爱的编辑老师;

        您好!本辑的关于肿瘤免疫的内容我非常感兴趣,想看看本辑内容所参考的英文原文文献:Christian U. Blank, John B. Haanen, Antoni Ribas & Ton N. Schumacher. (2016) The “cancer immunogram”. Science, 352:658-660.能够发给我学习一下呢!

    我的邮箱是:myfavourite.job@163.com

    谢谢咯!!!

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