人類抗擊腫瘤史上的一個關鍵突破

耶魯大學教授陳列平，圖片來自中國生物物理學會

編者按：

2017年1月16日，耶魯大學陳列平教授在中科院生物物理所做了一場「貝時璋講座」報告，並獲得中國生物物理學會頒發的最高榮譽獎——「貝時璋獎」，以表彰其在癌症免疫治療領域所作的開拓性貢獻。值得注意的是，2016年諾貝爾生理與醫學獎獲得者大隅良典2015年也獲得這一獎項。在PD-1/PD-L1藥物研發過程中，陳列平的一系列工作不管是在理論、基礎研究、還是臨床應用上都發揮了至關重要的作用。鑒於學術界和工業界比較普遍的對PD-1/PD-L1藥物的研發過程缺乏足夠了解，陳列平在美國耶魯大學研究室的王俊博士撰文釐清PD-1/PD-L1藥物的研發歷史，並著重分析這一藥物對今後的腫瘤免疫藥物研髮帶來的啟示。

撰文 | 王俊（耶魯醫學院免疫系腫瘤中心副研究科學家）

責編 | 葉水送

PD-1/PD-L1藥物研髮帶來的啟示

PD-1/PD-L1抗體的藥物研發是人類征服腫瘤歷史上的一個關鍵突破。這些藥物的抗腫瘤機制不同於以往的任何藥物，既不是單純地針對腫瘤，也不是簡單地調節免疫細胞，而是特異性地針對腫瘤微環境中關鍵免疫逃逸機制，通過改善腫瘤免疫微環境來控制和清除腫瘤；所以這種療法的研發成功將腫瘤免疫推向前所未有的高度，而且為今後的腫瘤免疫基礎以及臨床研究帶來了巨大的革新以及深遠影響。

目前，這種療法在美國、歐洲以及日本均得到批准，在中國的臨床試驗也已經開始。它在多種腫瘤治療中療效顯著，並且效果穩定，副作用比較小，很多腫瘤病人受益其中。作為在腫瘤免疫領域耕耘十多年的一線科研工作者，筆者著重想釐清PD-1/PD-L1抗體藥物研發歷史的幾個關鍵節點，並且討論以下兩個問題：

1. PD-1/PD-L1藥物是怎麼研發出來的？

2. PD-1/PD-L1藥物特點以及對今後的抗腫瘤藥物研發的啟示？

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PD-1/PD-L1藥物研發史

PD-1/PD-L1藥物研發得益於對腫瘤和免疫系統的深刻理解。腫瘤來源於機體自身細胞的突變和惡性增殖；而且這些特徵大多是不穩定和異質(heterogeneous)的；所以單純的針對腫瘤本身的療法，不管是化療，放療，還是後來的腫瘤靶向治療，在臨床治療上效果並不佳。要麼是特異性差，副作用大；要麼是只能控制一部分腫瘤，藥物治療後很快導致耐葯以及更加惡性的腫瘤產生；所以多年來很少有藥物能真正提高病人生存期或者徹底清除腫瘤。

免疫細胞特別是T細胞時刻監視外在致病原以及機體細胞的改變，並且通過獨特的特異性調節機制在腫瘤發生髮展的長期過程中，起著很關鍵的控制作用。所以，從某種角度上講，機體的免疫細胞和腫瘤一起進化發展，具備識別自身腫瘤的特異性以及消除腫瘤的能力。但是由於種種原因，免疫細胞失去了對腫瘤的控制能力，導致了腫瘤的發生。了解這種腫瘤與免疫系統之間的關鍵免疫逃逸機制，是了解PD-1/PD-L1藥物研發的關鍵。

陳列平自1990年初就提出了腫瘤微環境存在免疫逃逸關鍵分子的假說，也一直孜孜不倦地尋找這樣的分子來用於腫瘤治療。陳列平於20世紀80年代從腫瘤臨床領域果斷轉向基礎免疫學研究。那個年代，免疫學家已經開始運用一些細胞膜表面分子來對免疫細胞進行分群。但是這些免疫細胞，特別是T細胞是如何活化的，免疫學家卻不是特別清楚，所以期望對細胞的活化以及調控有更深的了解。當時很多科學家企圖通過對免疫細胞膜受體的發現和鑒定來對免疫細胞的分子調節機制進行更深入的了解，不少科學家通過產生抗體，消減雜交等手段來企圖發現一些對免疫調節重要的分子。在這個過程中，共刺激分子(co-stimulatory molecules)CD28、CTLA-4以及其配體B7的發現是關鍵事件，印證了Peter Bretscher於1970年提出的淋巴細胞雙信號假說：即T細胞活化除了抗原／TCR介導的第一信號外，還依賴B7配體/ CD28&CTLA-4受體等共刺激分子途徑介導的第二信號。

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當細胞毒T細胞上的PD-1分子與腫瘤細胞表面的PD-L1配體結合時，腫瘤細胞能逃脫免疫系統的殺傷，圖片節選自Nature Video

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當細胞毒T細胞上的PD-1分子與抗體結合時，免疫細胞能識別腫瘤細胞，從而對其進行殺傷，圖片節選自Nature Video

陳列平在西雅圖的BMS（百時美施貴寶）藥物研究所的工作是歷史上第一次將共刺激分子引入到腫瘤領域；他證明了轉染B7配體的腫瘤細胞可以在小鼠體內誘導極強的免疫反應從而在局部和全身徹底清除腫瘤(Cell,1992)。 這一工作建立了B7以及後續一系列共刺激分子途徑在腫瘤免疫領域應用的理論基礎，也對後續該領域的藥物研髮帶來了很重要的提示。但是，B7/CD28&CTLA-4途徑分子在體內大量表達，並不具有腫瘤特異的特點，並在免疫調節中起著廣譜且不可或缺的控制作用。後續的抗CD28刺激性抗體(TGN1412)，以及抗CTLA4抗體(ipilimumab)的臨床試驗也證明了很強的甚至是致命的免疫副作用。在一系列試驗性工作的同時，陳教授更加堅定了集中精力尋找腫瘤相關的免疫逃逸分子的信念，最終發現了PD-L1/PD-1途徑在腫瘤免疫領域的巨大應用。

以下是PD-1/PD-L1藥物研發的一些關鍵節點：

1.1990年代初，陳列平提出腫瘤微環境存在特異性的免疫逃逸關鍵分子的假說。

2.1990～1991年，BMS 科學家Peter Linsley發現B7配體和CD28以及CTLA-4受體的相互作用。這一途徑後來被普遍認為是T細胞從初始狀態活化的關鍵途徑。(PNAS, 1990;JEM,1991)

3.1992年陳列平第一次將B7共刺激分子引入到腫瘤領域，驗證了共刺激分子在腫瘤免疫領域的巨大潛力，也更加堅定了他尋找腫瘤相關的免疫逃逸分子的信念。(Cell,1992)

4.1992年日本科學家Tasuku Honjo 從凋亡的B細胞系中克隆了PD-1，並一直認為這是一個參與B細胞調節，跟凋亡相關的分子。Honjo教授的研究興趣一 直在於自身免疫領域，所以他在PD-1分子的工作，多年來一直局限在B細胞以及自身免疫方面。(EMBO J, 1992)

5.1997年，陳列平發現4-1BB抗體活化T細胞從而介導超強的抗腫瘤功能，使這一途徑成為腫瘤免疫研究的熱點。(Nature Medicine, 1997)

6.1997左右，時逢人類基因組計劃的成功，陳列平研究組開始從人類基因EST（表達序列標籤）庫中尋找新的B7同源分子，從而開啟了一系列免疫調節新分子的發現工作。

7.1999年，陳列平首次克隆並鑒定了人類B7-H1的T細胞調節功能(Nature Medicine,1999)，在後面的幾年內，又陸續鑒定了B7-H2,B7-H3,B7-H4等免疫調節分子。

8.1999年，Honjo教授發現PD-1敲除小鼠具有多器官的輕微自身免疫癥狀，這一工作清楚闡述了PD-1基因的免疫抑制功能，並揭示有可能參與自身免疫性疾病的發生髮展。(Immunity,1999)

9. 2000年，Gordon Freeman在陳列平發現B7-H1之後，證明了B7-H1/PD-1的相互作用，並將這一分子改名為PD-L1。(JEM, 2000)

10. 2002年，陳列平首次證明了B7-H1(PD-L1)途徑作為腫瘤免疫逃逸的可能機制。B7-H1在多種人類腫瘤組織而非正常組織中高表達，並且其表達主要由干擾素來調節。重要的是，用抗體在體外或體內阻斷該途徑均可以恢復T細胞的免疫功能來攻擊腫瘤。(Nature Medicine,2002)

11. 2004年，陳列平發現B7-H1(PD-L1) 敲除小鼠並沒有明顯的自身免疫表型，只是在肝臟有一定的免疫活化，這一工作進一步驗證了B7-H1作為免疫負調分子的作用，並且驗證了這一途徑作為藥物靶點的安全性。(Immunity,2004)

12. 2005年，陳列平發現抗體阻斷B7-H1(PD-L1)或者PD-1途徑均可以提高抗腫瘤免疫反應。(Cancer Research, 2005)

13. 2005年，Rafi Ahmed 通過LCMV慢性病毒感染模型驗證了PD-L1/PD-1途徑介導T細胞功能衰竭(exhaustion)的機制。不過這一慢性病毒感染模型和腫瘤有一定區別，所以這一發現在腫瘤領域的涵義此後爭議不斷。(Natue,2005)

14. 2006年，陳列平、Suzanne Topalian等開始在約翰霍普金斯大學醫院倡導開展anti-PD-1抗體的首次臨床試驗。

15. 2012年，約翰霍普金斯大學醫院，耶魯大學紐黑文醫院等研究機構開展anti-PD-1抗體首次臨床試驗結果發表。(NEJM,2012)

16. 陳列平研究組很早就開發出PD-L1的腫瘤染色方法，於2012年首次發表PD-L1腫瘤陽性率可以反映anti-PD1/PD-L1抗體臨床效果的結果;並完善了PD-L1/PD-1途徑的腫瘤免疫調節機制：介導腫瘤局部的獲得性免疫逃逸(adaptive resistance mechanism of immune escape in the tumor site)。(Science translational medicine,2012)

17. 2013年，腫瘤免疫治療被Science評為當年的科學突破之首。

18. 2014年，anti-PD-1抗體(Opdivo&Keytruda)得到FDA批准用於腫瘤臨床治療。

19. 2016年，anti-PD-L1抗體(Tecentriq)得到FDA批准用於腫瘤臨床治療。

另外，抗人PD-1抗體的研發從2004年左右已經開始。當時設在新澤西的Medarex公司具備很好的人源抗體研發平台，最早合作開發了一系列免疫調節分子的人源化抗體，包括後來的nivolumab(anti-PD-1)，ipilimulab(anti-CTLA4)等等。Medarex於2009年被BMS收購。但是有趣的是，最開始BMS根本不看好nivolumab，而主要開發ipilimulab，所以nivolumab這個項目有點「半賣半送」的性質。正是因為這些原因，即使nivolumab在後來的臨床試驗中效果非常好，為了保證ipilimulab的開發和銷售(2011年ipilimulab得到FDA批准)，BMS並沒有集中精力來開發nivolumab，導致了BMS在這一項目的優勢逐漸降低；後來在某種程度上被Merck後來居上，這些戰略上的失誤是非常值得藥物研發領域深思的。

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PD-1藥物的特點以及啟示

在以上的時間節點中不難看出，從廣譜調節初始T細胞的B7途徑，到具有腫瘤微環境調節作用的PD-1／PD-L1途徑，反映了免疫學家對T細胞不同狀態的調控，以及對腫瘤微環境免疫調節的逐步深入理解，是免疫學和腫瘤學交叉研究產生的結果，也使得Immuno-oncology（免疫腫瘤學）這個領域逐漸發揚光大。有意思的是，PD-1抗體的抗腫瘤功能最初在很多動物腫瘤模型中，都不是太明顯，甚至導致很多專家早期懷疑這一途徑的重要性。而陳列平很早就發現，只有腫瘤微環境中存在免疫細胞特別是T細胞，而且同時具備PD-L1免疫逃逸這一機制的情況下，PD-1抗體才有著絕佳的效果，所以他堅信這一途徑在人類腫瘤治療中的應用，並全力推動這一途徑的臨床試驗。在整個過程中，陳列平不管是在理論、基礎研究、還是臨床應用上都起著至關重要的作用。

PD-1/PD-L1這一途徑的特殊之處在於：

1.PD-L1配體具有相當的腫瘤特異性，在腫瘤微環境中誘導表達，並且參與腫瘤微環境的免疫調節，在這一途徑中起著最關鍵的作用；相反，PD-1的另一個配體PD-L2雖然親和力PD-L1差不多，但其在腫瘤免疫中的作用要次要得多；

2.這一途徑是腫瘤影響免疫逃逸的關鍵機制；介導腫瘤引起的免疫缺陷；

3.阻斷PD-L1配體或者PD-1受體均可以修復進行中的，而不是重新產生腫瘤免疫反應。(JCI, 2015)

這些特點在目前已知的免疫調節分子途徑中是非常獨特的，嚴格來講，有可能是當前腫瘤免疫領域唯一針對腫瘤免疫逃逸的關鍵分子機制。所以這一療法可以針對多種腫瘤，獲得很好的療效，同時副作用較小。

但是PD-1抗體近年來被有意歸類於針對免疫檢查點抑制劑(checkpoint inhibitor)的藥物，這是很不恰當的。免疫檢查點這一概念非常模糊，不能清楚的概括PD-1藥物的特點。而事實上，當前很多具有免疫抑制功能的分子都被籠統歸為免疫檢查點抑制劑，比如，IDO、IL-10、TGF-b以及近年來開始熱起來的LAG3、TIM3、BTLA、VISTA等等。值得注意的是，PD-1/PD-L1藥物的成功不代表任何具備免疫抑制作用的分子都有這樣好的治療作用；也不代表任何和免疫相關的治療手段都應該得到熱炒或者開發。後續的很多腫瘤免疫靶點如LAG3、TIM3、VISTA、TIGIT等，以及CAR-T、Cancer Vaccine等免疫治療方法，在特異性、有效性、安全性上都有待考證。因此，在沒有客觀冷靜的分析和決策下，瘋狂炒作腫瘤免疫領域的做法是不恰當的，不僅會影響該領域的發展，甚至將導致更大更多的泡沫。

腫瘤免疫領域需要更多類似PD-1／PD-L1途徑的具有腫瘤微環境免疫調節功能的全新靶點出現，特別是基於新的腫瘤免疫逃逸機制。這種詳細探索腫瘤微環境免疫逃逸新機制並且進行有效干預的策略，或者藉助蛋白工程的手段來使得一些免疫調節藥物來增加腫瘤特異性將是以後的趨勢。這也是陳列平實驗室從10多年前就開始構建一系列新分子發現平台、也更加集中精力發現新的腫瘤微壞境免疫調節分子的初衷。為此，在可以預見的將來，我們期待腫瘤免疫領域能夠有更多更好的腫瘤免疫調節分子得到發現，並且可以有效地解釋腫瘤的免疫逃逸機制，從而為腫瘤治療帶來新的革命性突破，最終達到把癌症變成慢性病甚至徹底治癒癌症的目標。

本文原載微信公號《華人抗體》，《知識分子》獲授權刊載。作者感謝王守業博士以及耶魯大學免疫系Jingwei Sun的仔細閱讀和修正。

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