【8.2】新抗原:肿瘤免疫治疗的新突破

癌症免疫疗法通过刺激和加强身体的抗肿瘤免疫反应来消除癌细胞。几十年来,免疫疗法在癌症治疗中显示出显着疗效,尤其是靶向CTLA-4、PD-1和PDL1的免疫检查点阻断的成功,为肿瘤免疫疗法带来了突破。肿瘤新抗原是肿瘤免疫治疗的一种新途径,包括整合到基因组中的肿瘤病毒产生的抗原和突变蛋白产生的抗原,这些抗原仅在肿瘤细胞中大量表达,具有很强的免疫原性和肿瘤异质性。越来越多的研究强调了新抗原与 T 细胞对癌细胞的识别之间的关系。针对新抗原开发的疫苗现已用于各种实体瘤的临床试验。在本综述中,我们总结了免疫治疗分类的最新进展和肿瘤特异性新抗原的分类、鉴定和合成过程,以及它们在当前癌症免疫治疗中的作用。最后讨论了新抗原的应用前景和存在的问题。

一、前言

人体免疫系统帮助我们避免感染和许多疾病,并保护我们免受癌症的侵害 ( 1 , 2 )。机体免疫系统具有识别自身和非自身物质的能力,可以对自身成分产生天然的免疫耐受,排除非自身异物,维持内环境的稳定(3)。当正常细胞发生变化并开始失去控制时,就会发生癌症。由于癌细胞来源于正常细胞并且与正常细胞无法区分,因此免疫系统识别癌细胞的能力很小(4 , 5)。当免疫系统错误地认为肿瘤细胞是自身成分时,癌细胞可以避免受到免疫系统的攻击。免疫系统的监视也因肿瘤突变而逐渐减弱。激活免疫系统的肿瘤细胞会逐渐被筛选出来,直到它们产生免疫系统无法识别的肿瘤分子。这个过程也被称为肿瘤的免疫编辑(immunoediting of tumor)。这样,肿瘤细胞就成功逃脱了免疫系统的破坏,才有了发展的机会。更重要的是,由于癌细胞本身也会释放出许多阻断免疫系统的物质,因此肿瘤免疫反应往往在肿瘤组织周围被选择性抑制(6 , 7),这就解释了免疫疗法在许多患者中的无效性:它是未能激活肿瘤组织周围的免疫反应,而不是无法系统地激活免疫反应 ( 6 – 9)。此外,炎症可以促进肿瘤的发展。炎症可在肿瘤组织局部释放大量免疫抑制细胞因子,通过多种方式抑制免疫系统。因此,即使免疫系统正常,仍然可能导致癌症。为了克服这个问题,研究人员一直在寻找方法来帮助免疫系统增强其抗肿瘤免疫反应并提高其抑制肿瘤的能力。近年来,免疫治疗发展迅速,成为继手术、化疗、放疗之外的成熟的癌症治疗策略。免疫疗法通过利用免疫系统消除癌细胞,在许多人类恶性肿瘤中显示出显着的治疗效果(10)。

随着高通量组学的广泛应用和新抗原预测技术的发展,基于新抗原的免疫治疗成为新的研究热点。新抗原主要是肿瘤细胞突变产生的肿瘤特异性抗原,仅在肿瘤细胞中表达(11)。新抗原也可以通过病毒感染、选择性剪接和基因重排产生 ( 12 – 14)。它们是 T 细胞识别癌细胞的理想靶点,可以激发强烈的抗肿瘤免疫反应。过去五年的研究表明,新抗原在肿瘤免疫治疗中发挥着关键作用。新抗原的鉴定、筛选和鉴定加速了肿瘤患者个体化免疫治疗的发展,这将使更多的患者受益( 15 )。随着越来越多的科学和临床数据揭示了基于新抗原的疫苗疗法在多种癌症类型中的显着效果,有充分的理由相信基于新抗原的疗法将成为癌症免疫疗法的一个有前途的领域。

二、癌症免疫疗法介绍 Introduction of Cancer Immunotherapy

免疫疗法是指利用免疫学的方法和原理,针对机体的高或低免疫状态,人为干预或调节机体的免疫功能,增强或减弱机体的免疫反应,以达到治疗疾病的目的而采取的措施。 ( 16 )。免疫疗法可增强免疫系统识别、靶向和消除体内癌细胞的能力,使其成为一种潜在的通用癌症解决方案 ( 17 )。免疫疗法在美国和其他地方被批准作为多种癌症的一线治疗策略 ( 18 ),可以单独使用或与其他癌症治疗联合使用 ( 19))。与其他癌症治疗相比,免疫疗法变得更加精准、个性化,并且副作用更少 ( 20 – 22 )。近年来,它逐渐成为癌症治疗的一个重要发展方向,被誉为继手术、放疗、化疗之后的第四大癌症治疗技术。

三、免疫疗法的分类

免疫疗法一般分为两大类:主动免疫疗法(active immunotherapy)和被动免疫疗法( passive immunotherapy)(23)(图1)。

  • 主动免疫疗法是指通过刺激人体免疫系统来消除癌细胞 ( 24 )。

图 1免疫疗法的分类。免疫疗法通常分为被动免疫疗法和主动免疫疗法。主动免疫疗法主要是癌症疫苗。被动免疫疗法主要包括过继细胞疗法、溶瘤病毒和单克隆抗体。

肿瘤疫苗是主动免疫治疗的一种,是肿瘤免疫治疗领域的重要组成部分( 26 )。肿瘤疫苗可识别存在于特定癌细胞的蛋白,阻止癌细胞的生长,预防癌症复发,清除治疗后残留的癌细胞(27 - 30)。癌症疫苗旨在引发针对肿瘤特异性或肿瘤相关抗原的免疫反应,从而促进免疫系统攻击携带这些抗原的癌细胞 ( 30 , 31 )。肿瘤疫苗包括细胞疫苗、DNA疫苗、mRNA疫苗、多肽疫苗、树突状细胞疫苗等(32 , 33)。2010 年 4 月,第一种肿瘤治疗性疫苗 Provenge(sipuleucel-T)被 FDA 批准用于治疗前列腺癌(34)。

单克隆抗体在临床上具有良好的治疗效果,属于被动免疫疗法( 35 )。

  • 单克隆抗体药物可以与肿瘤细胞或免疫细胞表面的特异性受体或配体特异性结合,阻断相应的信号通路,从而发挥抗肿瘤作用( 36 )。目前肿瘤学领域最热门的单克隆抗体是免疫检查点抑制剂( 37 , 38 )。免疫检查点是免疫抑制通路,它们可以抑制 T 细胞活性 ( 39 , 40 ),癌细胞通过劫持该通路来逃避免疫反应 ( 41 – 44)。最彻底研究的免疫检查点是CTLA-4,PD-1和PD-L1,其已经针对多种肿瘤(治疗FDA批准45,46)。
  • 过继细胞疗法通过从患者体内分离免疫活性细胞,在体外诱导其分化,重组、扩增、再输注到患者体内,以靶向抗原特异性肿瘤细胞,发挥其抑癌和抑瘤作用,从而发挥其抑癌和杀伤- 杀戮效果(47)。它属于被动免疫疗法(48)。目前最有前景的过继细胞疗法是TCR-T(TCR-修饰的T细胞)和CAR-T(嵌合抗原受体T细胞)(49 – 51)。
  • 溶瘤病毒疗法是一种被动免疫疗法。溶瘤病毒是一类杀瘤病毒,通过减弱或删除病毒致病因子,同时维持复制和杀灭肿瘤细胞的活力,使它们无法在正常组织中复制 ( 52 , 53 )。IMLYGIC 是 FDA 批准的第一个溶瘤病毒药物,是从 1 型疱疹病毒 (HSV-1) 基因改造而来的,用于治疗转移性黑色素瘤 ( 54 )。

目前免疫疗法有两种成功:

  • 一种是通过免疫检查点获得的 PD-1 和 PD-L1 mAb
  • 另一种是采用过继性 T 细胞疗法 ( 29 , 55 )。

但临床试验表明,尽管具有广阔的潜力,免疫检查点疗法在许多情况下疗效有限,尤其是在反应率低的实体瘤中 ( 56 )。此外,过继性 T 细胞存在诸如持久性差和体内细胞毒性等问题,并可能引发炎症因子风暴 ( 57 – 59)。随着多组学高通量技术的广泛应用和新抗原预测技术的发展,基于新抗原的免疫治疗成为新的研究热点。在过去的五年中,研究表明新抗原在临床治疗中具有良好的效果。新抗原识别、筛选和表征方面的技术进步将加速癌症患者个体化免疫疗法的发展,从而造福更多患者。未来,新抗原疗法将成为精准肿瘤学领域的重要治疗方式(60)。

四、什么是新抗原?

癌变过程中由遗传不稳定引起的基因突变总是发生在非编码区和编码区,而编码区突变引起的氨基酸序列变化可以产生正常细胞中所没有的蛋白质。这些蛋白质可以激活免疫系统并导致免疫系统对癌细胞的攻击(61)。新抗原也可以通过病毒感染、选择性剪接和基因重排产生。这些可以被免疫细胞识别并由癌细胞基因突变引起的异常抗原是新抗原(62)。新抗原可以呈现在细胞表面,随后在主要组织相容性复合体 (MHC) 分子的作用下被 T 细胞识别 ( 63 , 64)。

肿瘤抗原分为肿瘤相关抗原(TAA)和肿瘤特异性抗原(TSA)(65)。

  • TAA 是一种由未突变基因表达的蛋白质,似乎在肿瘤细胞中显着过度表达,但在正常细胞中很少表达 ( 11 )。因为 TAA 是正常的宿主蛋白,它们受中枢和外周耐受机制的影响 ( 35 , 64 )。靶向 TAA 也可能导致自身免疫毒性 ( 39 );
  • 肿瘤特异性抗原 (TSA) 是一种由体细胞突变引起的新抗原,仅在肿瘤细胞中表达,而在正常细胞中不表达(66)。因为正常细胞不表达 TSA,它们被免疫系统认为是非自身的,新抗原特异性免疫反应不受耐受性的影响。此外,靶向 TSA 不容易诱发自身免疫 ( 39 )。因此,新抗原是治疗性癌症疫苗和基于 T 细胞的癌症免疫疗法的理想靶点。利用新抗原的免疫活性,可以根据肿瘤细胞突变的情况设计合成新抗原药物,以达到治疗的效果。

五、新抗原的分类

新抗原可以分为两类:

  • 共享新抗原
  • 个性化的新抗原(66,67)(图2)。

共享新抗原是指在不同癌症患者中常见且不存在于正常基因组中的突变抗原。共享新抗原是高度免疫原性的,必须筛选用作广谱治疗性癌症疫苗的患者具有相同的突变基因(电位68,69)。个性化新抗原是指大多数新抗原所独有的突变抗原,并且因患者而异。因此,个性化的新抗原制剂药物只能针对每个患者进行特异性靶向,即个性化治疗。70 )。新抗原具有很强的免疫原性,可以降低肿瘤细胞免疫逃逸的概率。然而,同一肿瘤不同个体的不同类型和数量的新抗原由突变的特异性引起,表现出明显的个体异质性。因此,新抗原在肿瘤免疫治疗中的应用将趋于个性化(71)。个体化癌症疫苗可以单独或与其他疗法联合使用,以增加抗肿瘤作用的强度和持久性,提高生存率和生活质量,最终改善患者的癌症治疗结果(72)。个体化癌症疫苗在癌症患者治疗中的可行性、安全性和免疫原性决定了其将是未来一个重要的发展趋势(15)。预计在可预见的未来,个体化癌症疫苗将使大多数患者获得精准治疗。

六、新抗原的鉴定

尽管新抗原在肿瘤治疗方面取得了良好的临床进展,但具有免疫原性的新抗原数量较少,预测比较困难(73)。因此,新抗原领域需要更优化的算法和经过验证的方法来准确预测,以选择更可靠的高免疫原性新表位。目前,肿瘤新抗原的预测准确性仍是一个亟待解决的问题。对于肿瘤新抗原预测算法,需要考虑的因素很多,包括HLA分型、表达、突变分析、预测肽处理、TCR结合力、MHC亲和力、PMHC稳定性、肿瘤新抗原来源等(74 , 75)。它也包括T细胞识别,TCR分析和免疫细胞分析,以评估T细胞应答(74,76)。对于新抗原筛选和 T 细胞反应评估,除了二代测序外,还有高分辨率和串联质谱技术以及用于肽预测的计算机技术,但基于机器学习和人工智能技术的预测算法需要使用验证性数据集进行持续训练,其中数据类型、质量和数量会极大地影响算法精度 ( 77 , 78 )(图 3))。因此,数据库的不断积累,尤其是经过验证的肿瘤新抗原数据,对于提高算法准确性至关重要( 79 , 80 )。

肿瘤新抗原选择联盟(TESLA)由帕克癌症免疫治疗研究所(PICI)和癌症研究所(CRI)发起并成立(81)。TESLA 汇集了 36 个顶级生物技术、制药、大学和非营利研究团队,包括美国国家癌症中心 (NCC)、PICI、纪念斯隆-凯特琳癌症中心 (MSKCC)、MD 安德森癌症中心以及其他 30 多个顶级新抗原研究机构。该联盟旨在建立全球新抗原检测的算法和标准,共同努力预测更精确的抗癌靶点,推进个性化肿瘤疫苗的研究和应用。TESLA 科学家发现了可以更好地预测新抗原的算法模型和核心参数,准确预测了 75% 的已验证新抗原靶标,并过滤排除了 98% 的无效新抗原靶标,其研究结果发表在细胞期刊上 ( 81 )。

七、新抗原合成过程

肿瘤新抗原疫苗的开发策略是明确的。

  • 首先,从患者身上获取肿瘤组织和正常组织样本,然后通过比较两组样本的外显子组测序结果,识别出肿瘤的突变基因。进行cDNA微阵列或RNA序列测试以根据基因表达水平选择合适的突变新抗原。
  • 利用计算机分析预测候选抗原对HLA的粘附亲和力,筛选出最有可能成为肿瘤新抗原的基因序列。
  • 最后,这些突变的基因被设计成疫苗(82,83)。癌症疫苗可以有多种形式,例如肽疫苗、树突细胞疫苗、mRNA 疫苗、DNA 疫苗和病毒疫苗(84)(图 4)。不同形式的疫苗有不同的优缺点(表1)。

八、新抗原研究进展

2014 年,Rosenberg 在《科学》杂志上报道说,他使用在体外扩增并特异性识别癌细胞的淋巴细胞成功治疗了一名晚期胆管癌患者,这是一种高度侵袭性的疾病(85)。全外显子组测序揭示了患者共有 26 个显着基因突变,其中许多产生了异常蛋白质。通过将这些异常蛋白质片段与从患者肿瘤组织中分离的淋巴细胞共培养,发现 CD4 阳性 T 细胞识别一种异常蛋白质,ERBB2IP。识别由 ERBB2IP 突变产生的异常蛋白的淋巴细胞被扩增、激活并返回给患者。两次反流后,患者全身病灶明显缩小,肿瘤完全缓解、完全消失。胆管癌是一种极其困难的疾病,该患者在化疗等常规治疗失败后,通过输注淋巴细胞数年达到完全缓解。该报告预示了新抗原在免疫治疗中的未来作用。2015年,Rosenberg团队还报道在消化道肿瘤患者的组织中发现了多种新抗原,包括著名的KRAS(G12D)突变衍生的新抗原。86 )。

目前已经发现了大量的新抗原,它们是癌细胞特有的,被T细胞识别为异质性的,不受免疫耐受机制的影响。因此,这些抗原可以作为免疫介导的肿瘤治疗的有效靶点。2017 年,Ugur Sahin 的团队在《自然》杂志上报道说,在一项涉及 13 名黑色素瘤患者的试验中使用了一种基于 RNA 的个性化疫苗治疗方案。该疗法预测了在每个患者基因组上检测到的突变抗原,然后合成了个性化疫苗。其中 8 名患者在 23 个月内没有进一步肿瘤复发,其中 5 名患有晚期恶性黑色素瘤,其中 2 名经历了显着的肿瘤缩小,另外一名接受疫苗联合 PD1 抗体治疗的患者出现了完全的肿瘤反应。87 )。同年,Catherine J. Wu 团队使用新抗原生产的疫苗也成功治疗了恶性黑色素瘤。接种疫苗的 6 名患者中有 4 名在接种疫苗 25 个月后没有复发,而两名复发性疾病患者随后接受了抗 PD-1 治疗,肿瘤完全消退(88)。个性化疫苗可能是战胜癌症的重要途径。

Genocea Biosciences 的 GEN-009 疫苗试验 (NCT03633110) 是为数不多的 1/2a 期临床试验之一,在目前的新抗原个性化疗法中显示出最佳疗效,预计完成日期为 2022 年 12 月。本研究的目的是评估用于治疗实体瘤患者的个性化疫苗 GEN-009 的安全性、耐受性、免疫原性和抗肿瘤活性,该疫苗针对广泛的癌症。迄今为止的结果表明,该疫苗接种了40剂,只有少数患者出现了疫苗佐剂引起的轻微局部不适,没有发生剂量限制性毒性(DLT)。为疫苗选择的肽中有 99% 会产生免疫反应,到目前为止,接种疫苗的患者都没有复发。73 , 89 )。

2019 年,Patrick Ott 在 Cell 杂志上报道了个性化新抗原疫苗 NEO-PV-01 联合 PD-1 阻断治疗晚期黑色素瘤、非小细胞肺癌或膀胱癌患者的结果。82例患者均未观察到与治疗相关的严重不良事件,所有患者均观察到T细胞反应,无明显毒副反应(90)。

Bbert Vogelstein 及其团队于 2021 年在《科学与科学免疫学》杂志上报道了一种针对 TP53 和 Ras 中常见突变的新型双特异性特异性抗体疗法。我们都知道TP53和RAS是体内重要的肿瘤相关基因,经常发生变异。然而,p53和Ras主要是细胞内的,因此传统方法无法实现基于抗体的治疗。然而,蛋白质被蛋白酶体降解成肽,其中一些与人类白细胞抗原 (HLA) 蛋白质形成复合物并呈现在细胞表面。他们开发了一种针对 TP53 和 RAS 突变的特定双特异性单链双抗体 (SCDB) 抗体。这种双特异性抗体可以在体外和小鼠体内特异性识别和激活 T 细胞,发挥良好的抗肿瘤作用,无交叉反应性,并具有良好的安全性 ( 91 , 92 )。

我们搜索了ClinicalTrials.gov(https://clinicaltrials.gov/),发现了77例新抗原研究,其中很多都显示了新抗原的良好应用价值(搜索词为“neoantigen”)。但新抗原疗法的研究起步较晚,仍处于实验室阶段,国内外均无相关产品上市。

九、前景与挑战

随着癌症发病率和死亡率的不断增加,人们战胜癌症的愿望越来越迫切。新抗原疫苗在临床试验中显示出明显的肿瘤治疗效果,有望成为未来缓解日益增加的肿瘤发病率和死亡率的重要药物。它引起了免疫治疗专家的关注,是未来一个重要的发展方向。然而,新抗原的发展仍存在一些制约因素,解决这些问题是新抗原广泛普及的关键。

  1. 抗原量稀少。在肿瘤样本中通常会发现数以千计的非同义基因突变,但只有少数最终符合抗原标准。寻找更有效的抗原是一个亟待解决的问题。研究表明,大多数特异性抗原往往分布在非编码区。近年来非编码研究的发展也将为新抗原的发现提供帮助。

  2. 预测新抗原的筛选方法有待改进。缺乏有效的新抗原筛查方法是新抗原治疗发展的另一个障碍。目前,预测neoantigen的算法如火如荼。随着生物信息学技术、人工智能和机器学习的发展,我们相信这个问题很快就会得到解决。

  3. 新抗原疫苗研发周期过长。新抗原疫苗研发周期长被认为是疫苗应用的主要障碍。研发周期长导致研发成本增加,实验室和企业压力大,不利于疫苗的临床应用。参与试验或治疗的患者生存期短,开发周期长,可能导致部分患者因药物开发周期长而无法接受最终治疗。

  4. 疫苗的制备和交付仍然是一个挑战。目前,已经开发了许多方法来制备、配制和递送不同的癌症疫苗。然而,从技术上讲,这些疫苗需要在 GMP 条件下生产。最大的挑战,尤其是对于 mRNA/DNA 等小核酸疗法,是递送技术。

  5. 肿瘤的异质性难以解决。肿瘤在进化过程中具有异质性(heterogeneous),因此可能发生突变的基因的每个部分都是不同的。因此,首先从患者身上获取局部肿瘤组织来预测该患者的新抗原可能是一个悖论。使用1-2种特异性新抗原来完全识别和杀伤实体瘤组织仍然是一个难题。

  6. 贵。基于新抗原的疗法大多是个性化的,从最初的基因测序到验证和生产,治疗成本可能非常高。成本仍然是最大的挑战。

参考资料

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