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免疫细胞应用

1953-2018,肿瘤免疫疗法的群星闪耀时


位于纽约的癌症研究所(Cancer Research Institute,CRI)成立于1953年,是全球癌症免疫学的领先机构。今年6月份,在成立65周年之际,CRI公布了30项其资助的重要肿瘤免疫疗法科学突破,它们包括:1)癌症免疫疗法的基础;2)理解免疫检查点和通路;3)抗癌的免疫细胞;4)对抗癌症的细菌和疫苗。药明康德编译整理了这30个突破性成果,分为上下两篇与大家一同分享。

PART1:癌症免疫疗法的基础

1.1976年:Hiroshi Shiku博士,Herbert Oettgen博士和Lloyd Old博士

在20世纪70年代,很少有人相信免疫系统对癌症有保护能力。幸运的是,Hirsohi Shiku博士,Herbert Oettegen博士和Lloyd J. Old博士帮助证明了免疫系统确实在保护人体抵御癌症方面发挥了作用。位于纪念斯隆-凯特琳癌症中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)的这些科学家们表明,黑色素瘤患者血液中的抗体,可以识别黑色素瘤细胞上的抗原并与之反应,这些抗原也能够表征。这是免疫系统能够精确瞄准癌细胞并对其发起反应的首要关键证据之一,并且有助于建立癌症免疫学和免疫治疗的概念基础。

2.1979年:John Pesando博士和Stuart Schlossman博士

我们的免疫细胞产生的抗体使得免疫系统能够自然地靶向癌症,但是抗体也可以用于各种其他目的。在20世纪70年代,抗体生产取得了重大进展,这使得科学家能够为各种应用定制靶向抗体,并使这些精确靶向蛋白能够用于许多不同生物过程的研究,尤其是在相对较新兴的免疫学领域。在这个项目中, Fred Hutchinson癌症研究中心的John Pesando博士和Stuart Schlossman博士创建了抗体,用于靶向在激活的人类T细胞上发现的1a抗原,并使他们能够在T细胞生物学背景下表征这些重要的标志物。(在同一年,他们还在CRI的资助下,开发了其他定制抗体,可以靶向白血病细胞上的特定抗原)。

3. 1981年:Wolfgang Dippold博士和Lloyd J. Old博士

在实验室里,抗体也可用于研究细胞内组分。Wolfgang Dippold博士和Lloyd J. Old博士开发出一种检测p53的抗体。p53是一种重要的肿瘤抑制蛋白,防止细胞过度和不适当的增殖。我们现在知道p53在各种恶性肿瘤中经常发生突变,不受限制的生长。当时,对于这种重要蛋白质的所有了解都是它存在于各种癌症类型中。除了开发这种p53靶向抗体之外,这项工作最重要的贡献之一是显示p53存在于细胞核中,在细胞核中发挥其对细胞生长的控制。

4. 1983年:Susumu Tonegawa博士

我们的免疫系统如何能够创建所有不同的抗体,靶向这些不同的细胞?在20世纪70年代末和80年代初,麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的Susumu Tonegawa博士团队破译了这个谜团,并于1983年揭示了这个谜团的解决方案。我们免疫系统的B细胞拥有从最开始产生各种抗体的基因,但它们在成熟时所做的是——可以重新排列和重组编码不同抗体组分的DNA,并修补抗体的设计。通过这一过程,免疫系统的B细胞可以共同制造数以万亿计不同类型的抗体,确保它们能够针对几乎无限种类的威胁,包括肿瘤。对于这一发现,Tonegawa博士被授予1987年诺贝尔生理学或医学奖。

5. 2000年:Terri Towers博士和Jeffrey Ravetch博士

虽然与威胁表面结合的抗体(病毒,细菌或癌症)的“前端”(靶向或可变区)通常被认为是抗体的最重要组成部分,洛克菲勒大学(The Rockefeller University)的Terri Towers博士和Jeffrey Ravetch博士表明,“后端”(或恒定区)对于靶向抗体的抗肿瘤活性也很重要。一旦抗体的“前端”与靶标结合,其“后端”就可以与其他免疫细胞上的Fc受体(FcR)结合,并告诉它们应该如何与抗体结合的实体反应。研究与抗体结合的癌细胞,这项工作表明,抗体的后端必须与激活的FcR结合,以便通过称为抗体依赖性细胞毒性或ADCC的过程促进癌细胞的破坏。这个发现使我们能够提高靶向抗体的抗癌活性,目前有超过20种抗体被批准用于治疗癌症。最近,Ravetch博士和CRI博士后研究员Rony Dahan博士也揭示了检查点免疫治疗中抗体-FcR结合的重要性。

6. 1987年:Marcia Blackman博士和Philippa Marrack博士

上面几个成果主要集中在B细胞产生的抗体上。现在,我们将注意力转向免疫系统中最重要的“士兵”:T细胞。虽然B细胞以抗体的形式产生“归巢导弹”,寻找能与之结合的威胁,但T细胞会直接进入威胁本身,特别是通过T细胞受体(TCR)。在某种程度上,鉴于TCR仍然依附于活细胞并影响其活性,因此解开TCR的奥秘需要比抗体的时间更长。抗体能够直接在细胞表面结合分子——任何分子。实际上,T细胞的TCR必须在主要组织相容性复合物(MHC)存在下与特定靶点相互作用,MHC负责将靶点(称为抗原)呈递给T细胞。有两种类型的MHC,I类和II类,它们发挥重要作用,教育T细胞认识,靶向和摧毁威胁。这些TCR-MHC相互作用是我们强大的获得性免疫反应的核心,科罗拉多大学(University of Colorado)和国家犹太医学和研究中心(National Jewish Medical and Research Center)的Marcia Blackman博士和Philippa Marrack博士的研究突破确切地揭示了TCR和II类MHC的哪些组分彼此结合以促进辅助(CD4+)T细胞的活性。这一突破是一项重要贡献,为目前临床上的许多T细胞免疫疗法铺平了道路。

7. 1983:Jonathan Austyn博士和Ralph Steinman博士

在获得性免疫应答中发挥关键作用的另一组免疫细胞是树突(DC)细胞,因其“树突”或“树状”的手臂而得名,这些手臂使DC细胞能够接触并与各种其他免疫细胞相互作用。虽然树突状细胞不直接攻击肿瘤,但它们在协调整体免疫反应方面发挥着核心作用,通过教育T细胞了解癌细胞的外观,使T细胞可以摧毁癌细胞。Ralph Steinman博士是该领域最重要的先驱之一,他发现了树突状细胞(该项突破使他获得2011年诺贝尔生理学或医学奖),并且描述树突状细胞许多特征。在这项工作中,他揭示了树突状细胞促进T细胞生长和刺激获得性免疫反应的能力。由于这一重要发现, FDA已经批准了一种树突状细胞免疫疗法,其他几种免疫疗法目前正在临床试验中评估。

8. 2001年:Vijay Shankaran博士,Allen Bruce博士,Hiroki Ikeda博士和Robert Schreiber博士

20世纪70年代进行了一项实验,似乎一劳永逸地终结了争论——“证明”免疫系统不能保护我们免受癌症的侵害。幸运的是,刚刚完成博士学位Robert Schreiber博士并不完全相信。几十年后的20世纪90年代后期,他和他的实验室成员透露,不仅免疫系统可以通过“免疫监视”天然地防止肿瘤的形成,而且癌症与免疫系统之间的关系也比很多人认为的要更复杂。通过一个名为“Immunoediting”的过程——他发现、描述并创造了这一过程——他在小鼠身上证明,当免疫系统消灭了一些肿瘤细胞,它也会改造或编辑剩余的肿瘤细胞群,使它们变得能够逃避免疫系统侦查。通过展示这些“游戏规则”,Schreiber博士和他的同事大大扩展了我们对癌症和免疫系统之间关系的理解。由于这一发现远远领先于其时代,其影响需要一段时间才能让该领域的许多人理解,但幸运的是,这些见解后来在癌症患者中得到验证,现在正被用于开发更有效的癌症疗法,特别是认识到癌症可以逃避免疫反应并对免疫疗法产生抗性。

9. 2014年:Antoni Ribas博士

在过去的65年里,为了更好地理解癌症与免疫系统之间的关系,许多研究都是瞄准唯一目标:利用免疫系统的力量来治疗人类的癌症。随着2011年第一个检查点免疫疗法的批准,以及2014年另外两个疗法的获批,这些梦想开始以重要的方式实现。然而,这些绝不是治愈——至少对绝大多数患者而言——因此我们需要继续进行基础研究,使我们能够越来越多地了解癌症和免疫系统,以及特定的免疫疗法如何工作,也让我们可以最大限度地为患者带来好处。为此,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Antoni Ribas博士提供了非常重要的见解,说明了为什么某些患者从免疫疗法中受益,而另一些则没有。在用pembrolizumab(一种抗PD-1检查点抑制剂)治疗黑色素瘤患者时,Ribas博士的研究小组揭示,被“杀手”T细胞识别并渗透的肿瘤更有可能对这种检查点免疫疗法作出反应。这是理解免疫疗法获得成功的原因的首个重大进展之一。现在,医生有办法确定哪些患者最有可能从免疫疗法中受益,并可以使用这些信息来相应地指导他们的治疗决策。

PART2: 理解免疫检查点和通路

10. 1995年: Frank Borriello博士和Arlene Sharpe博士

2011年,由于在3期临床试验中首次提高晚期黑色素瘤患者生存率,ipilimumab成为FDA批准的第一个检查点免疫疗法。通过阻断关闭T细胞的CTLA-4通路,患者的免疫系统能够对肿瘤发起更强的免疫应答,并且在某些情况下可以提供长期益处,甚至可以治愈。虽然CTLA-4是在1987年被发现的,但直到20世纪90年代,它在免疫细胞行为中的作用才被确定。帮助建立我们对这一重要免疫检查点的理解的关键研究之一是哈佛医学院和布莱根妇女医院的Arlene Sharpe博士,她与Frank Borriello博士一起,确切地证明了CTLA-4是一种T细胞的负调控开关 ——刹车。他们设计了CTLA-4受体缺陷的小鼠,发现它们会出现攻击健康组织和器官的失控免疫反应。这一突破性的见解开启检查点免疫治疗领域,后续其他人证明阻断CTLA-4可增强针对癌症的免疫应答,直接导致抗CTLA-4药物ipilimumab的临床开发。

11. 2006年:E. John Wherry博士, David Masopust博士和Rafi Ahmed博士

当我们的身体检测到入侵者并产生免疫反应时,我们的健康细胞表面上会表达一种名为PD-L1的蛋白质,可以确保它们不会被误伤。如果T细胞与健康细胞结合,PD-L1就与T细胞上的PD-1免疫检查点结合,作为制动器“耗竭”T细胞,从而以使健康细胞不受免疫系统攻击。不幸的是,病毒感染的细胞甚至肿瘤细胞也可以欺骗免疫系统并通过PD-1 / PD-L1检查点保护自己。在埃默里大学的研究中,E. John Wherry,David Masopust和Rafi Ahmed博士表明通过阻断这种PD-1受体的活性,可以恢复“耗竭”T细胞的活性,增强它们消除病毒感染细胞的能力。随后,这种方法也被证明可以对抗癌症,促进了许多PD-1 / PD-L1检查点免疫疗法的开发,其中多种现已被批准用于治疗各种晚期癌症。检查点抑制剂成为唯一不论癌症类型的治疗方法,只要肿瘤具有以高度微卫星不稳定性(MSI-hi)为特征的不稳定基因组。

12. 2014年:Matthew Gubin博士和Robert Schreiber博士

上述针对PD-1 / PD-L1和CTLA-4通路的检查点免疫疗法,可以防止抗癌T细胞被关闭,并且对某些类型的晚期癌症非常有效。尽管取得了临床成功,但这些免疫细胞如何消除肿瘤的具体细节尚未得知。正如Robert Schreiber博士和Matthew Gubin博士表示,这些检查点免疫疗法使T细胞能够靶向由突变引起的异常肿瘤标志物(称为新抗原),并将癌细胞与正常细胞区分开来。虽然这些靶向新抗原的T细胞在治疗前就存在,但这些免疫疗法能够重新激活它们并使它们能够继续对抗肿瘤细胞。这些为当前免疫疗法有效性的机制提出重要见解,也提出了可能改善免疫疗法应用并将其益处扩展到更多患者的策略。

13. 2016年:Ton Schumacher博士, Roger Lo博士和 Antoni Ribas博士

虽然免疫疗法有可能帮助所有患者,但目前的PD-1 / PD-L1检查点免疫疗法仍然只适用于某些患者亚组。在确定了使患者更有可能对检查点免疫治疗作出反应的特征后,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的Antoni Ribas博士、荷兰癌症研究所的Ton Schumacher博士、以及加州大学洛杉矶分校的Roger Lo博士共同发现了某些与检查点免疫治疗耐药相关的突变。特别是,他们发现癌细胞JAK1和JAK2基因(干扰素-γ免疫信号通路中的关键成分)的功能缺陷突变与晚期黑色素瘤患者对免疫治疗的原发性和获得性耐药相关。同时,在对PD-1产生抗性的患者中也观察到编码β2-微球蛋白的基因发生有害突变,该蛋白在主要组织相容性复合体(MHC)向免疫系统呈递抗原中发挥重要作用。表面MHC缺失可能使这些癌细胞“躲过”获得性免疫系统。这种关于癌细胞如何通过特定突变逃避免疫反应和抵抗免疫疗法的知识提高了医生对这些具有挑战性的病例的理解,并提出了有望治疗这些患者的策略。

14. 2015:Stefani Spranger博士和Thomas Gajewski博士

T细胞是我们免疫系统中最强大的抗癌细胞,因此大多数免疫疗法直接或间接地促使杀伤性T细胞攻击和消灭肿瘤。例如检查点抑制剂通过激活肿瘤组织内的T细胞,因此在已被T细胞识别和浸润的肿瘤患者中起作用最佳。不幸的是,大多数患者的T细胞未能渗透肿瘤,这可能导致癌症逃避免疫反应并限制检查点免疫疗法的有效性。2015年,Stefani Spranger 博士与Thomas Gajewski博士合作,在芝加哥大学研究发现癌症可以通过组织T细胞浸入肿瘤来保护自身。在确定Wnt /β-连环蛋白通路的激活与人黑色素瘤样品中缺乏免疫浸润之间的关联后,他们使用黑色素瘤的小鼠模型来研究Wnt /β-连环蛋白通路活性如何减少树突细胞活性并抑制T细胞到达肿瘤部位。先前,检查点免疫疗法在消灭这些缺乏T细胞的肿瘤方面效果较差。基于这项发现,我们现在已经开发出了针对该通路的方法,并可能提高这些患者的免疫疗法的有效性。

15. 2004:Kang Liu和博士Ralph Steinman博士

我们的免疫系统的惊人力量源于它的适应能力——不断学习威胁,然后针对它们做出精确的反应。尽管T细胞直接参与并消除癌细胞,但是称为树突细胞(DC)的免疫细胞在帮助协调这些总体反应方面发挥同样重要的作用,使T细胞能够成功寻找合适的目标。除了把T细胞募集到肿瘤部位,然后在其表面上呈递癌细胞标志物(也称为其抗原)之外,树突状细胞还可以教T细胞认识癌症细胞。在这项研究中,Ralph Steinman博士和Kang Liu博士透露,CD40途径在天然和获得性免疫之间提供了至关重要的联系,通过产生“杀手”T细胞以及“辅助”T细胞促进获得性免疫应答。因此,旨在激活CD40途径、加强患者对癌症的免疫应答的免疫疗法正在临床试验中评估,包括一项CRI临床加速器临床试验,目前正在胰腺癌患者中测试基于CD40的免疫组合疗法。

16. 2017:Mohammad Rashidian博士和Hidde Ploegh博士

检查点免疫疗法对于已被“杀手”T细胞识别和靶向的肿瘤最有效,这一认识对于医生来说是非常有价值,因为它可以帮助他们识别最有可能从治疗中受益的患者。但是,在大多数情况下,获取这些信息需要进行侵入性肿瘤活检。幸运的是,Hidde Ploegh和Mohamad Rashidian博士的研究表明,免疫PET成像可用于观察小鼠肿瘤内的这些杀伤T细胞。此外,他们还发现,不同的肿瘤免疫浸润模式与不同的结果相关:T细胞均匀浸润肿瘤的小鼠对检查点免疫治疗反应的可能性要高于只有T细胞浸润肿瘤的小鼠。这一策略目前正在转化为临床策略,帮助医生确定可能对免疫治疗有反应的患者,并且可以在治疗过程中追踪患者免疫活动,确认他们是否对药物有反应。

参考资料:

[1] 30 Days of CRI Impact: Laying the Foundation for Cancer Immunotherapy

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