《自然》：首次發現！癌細胞竟會導致巨噬細胞「消化不良」，免疫治療可讓其恢復「胃動力」｜科學大發現

從1992年，Yasumasa Ishida等人在小鼠雜交瘤T細胞中發現了PD-1分子[1]；到2000年，Gordon Freeman等人發現了它的第一個配體——PD-L1[2]；再到最近幾年，PD-1/PD-L1抗體在治療黑色素瘤、結直腸癌、非小細胞肺癌等方面取得的累累碩果[3]。大家的目光都放在PD-1抑制T細胞的功能上了。然而，「傲嬌」的PD-1，可不止那麼一點能耐。

PD-1發展史

近日，斯坦福大學的Irving Weissman教授發現：腫瘤小鼠模型以及人類腫瘤中的另一種免疫細胞——巨噬細胞——也會表達PD-1，並且PD-1還抑制了巨噬細胞的吞噬功能。這意味著PD-1抗體可能通過激活T細胞和巨噬細胞向腫瘤發起雙重攻擊！這一發現將對改善和擴大癌症的PD-1/PD-L1抗體治療具有重要意義。相關的研究發表在近期的《自然》[4]上。

Irving Weissman教授

大約在10年前，科學家們陸續在多種癌症中發現，那些腫瘤細胞表達過多PD-L1的患者預後不良[5]。Junzo Hamanishi還證實了腫瘤細胞表達的PD-L1可以通過PD-1直接作用於殺傷性T細胞，抑制它的抗癌功能[6]。PD-L1更像是一種「別吃我」信號，它在腫瘤細胞表達，對免疫系統釋放出這種信號，以逃避T細胞的攻擊。目前癌症治療中採用PD-1抗體或PD-L1抗體，就是要關閉這種「別吃我」信號，以讓T細胞抗擊腫瘤[7]。

要知道在腫瘤微環境中，可不只有腫瘤細胞和T細胞，其中很大一部分（大約50%）是巨噬細胞[8]。並且，還有研究表明，腫瘤相關巨噬細胞越多，腫瘤患者的生存期就越短[9]（多麼令人心痛的事實）。面對如此眾多的巨噬細胞，PD-L1就真的只對T細胞「情有獨鍾」，而跟巨噬細胞一點「私情」都沒有么？

對此，Weissman教授表示懷疑。因為幾年前，科學家就發現了在細菌感染引起嚴重的敗血症時，巨噬細胞也能表達PD-1，並且PD-1還抑制了巨噬細胞清除細菌的功能[10]。於是，Weissman教授就提出了兩個問題：一、腫瘤微環境中的巨噬細胞會表達PD-1嗎？二、如果表達，那麼它又會對抗腫瘤免疫產生什麼樣的影響呢？

針對第一個問題，研究人員首先在結直腸癌小鼠模型中找到了答案。他們利用一種稱作FACS的細胞分選技術，發現從小鼠腫瘤中分選出來的巨噬細胞大約有50%會表達PD-1，而在小鼠的血液及脾臟中的巨噬細胞幾乎不表達PD-1。

進一步的分析發現，幾乎所有表達PD-1的巨噬細胞都具有M2型巨噬細胞的特徵——這一類型的巨噬細胞往往會促進腫瘤發生。並且，表達PD-1巨噬細胞的數量，還會隨著腫瘤的發生及腫瘤體積的變大而增多。更令人驚奇的是，研究人員在早期結直腸癌患者的腫瘤樣本中也發現了類似的現象，並且隨著疾病的進展，表達PD-1的M2型巨噬細胞的量也在不斷上升。

隨著腫瘤的發生，表達PD-1的巨噬細胞的量不斷增加（左圖為小鼠腫瘤，右圖為人腫瘤）

那麼，除了能表達PD-1，這些特殊的巨噬細胞還發生了哪些變化呢？研究人員發現，與那些不表達PD-1的巨噬細胞比，表達PD-1的巨噬細胞形態發生了變化：它們變得更「胖」，呈現出「泡沫」狀。經過電子顯微鏡分析，這些「泡沫」是由於巨噬細胞沒有把「吃進去」的東西「消化」掉造成的。另外，這些巨噬細胞表面與其功能相關的「標誌物」也發生了變化。這不禁讓研究人員想到表達PD-1的巨噬細胞，其功能應該也發生了變化。

左圖為不表達PD-1的巨噬細胞；右圖為表達PD-1的巨噬細胞

那麼，事實又是怎樣呢？首先，研究人員從腫瘤中分離出巨噬細胞，再將它們和金黃色葡萄球菌共同培養，他們發現：與不表達PD-1的巨噬細胞相比，表達PD-1的巨噬細胞「吃進去」的金黃色葡萄球菌數量減少了，這說明它吞噬細菌的功能確實是受損了。與此類似的是，在不含T細胞、腫瘤細胞高表達PD-L1的小鼠，其巨噬細胞吞噬腫瘤細胞的功能也受到了抑制。進一步的分析表明，巨噬細胞PD-1的表達與其吞噬腫瘤細胞的功能呈負相關，即PD-1的含量越高，巨噬細胞吞噬腫瘤的功能越弱。至此，Weissman教授的第二個問題也得到了答案。

PD-1巨噬細胞數量與吞噬作用呈負相關

Weissman研究團隊並不只滿足於這樣的結果，他們還給不含T細胞的腫瘤小鼠施加了PD-1抗體及PD-L1抗體治療。研究人員驚喜地發現，施加這兩種抗體治療，提高了巨噬細胞的吞噬功能。更有意思的是，當PD-L1抗體與另一種專門針對巨噬細胞的抗體——CD47抗體——聯合使用時，相比於單一抗體治療，小鼠腫瘤的體積變得更小了，小鼠的生存時間也更長了！

g圖為不同治療方式下腫瘤體積的比較，h圖為不同治療方式下生存時間的比較。紫色、黃色、草綠色、深綠色（從左到右）依次為PBS、PD-L1抗體、CD-47抗體及兩種抗體聯合使用

種種結果都讓研究人員非常興奮，因為這意味著PD-1的表達既可以抑制獲得性免疫（如T細胞），又可以抑制固有免疫（如巨噬細胞）。雖然大家都普遍認可PD-1/PD-L1抗體治療是依靠激活T細胞來抗癌的，但是巨噬細胞的作用也不可忽視。正如本文的第一作者Sydney Gordon所說：「這將促使新抗癌療法的出現，或者是旨在促進T細胞抗擊癌症，或者是旨在促進巨噬細胞抗擊癌症。」[7]

還有一點也讓Weissman教授興奮不已，PD-1/PD-L1抗體可能比之前認為的應用面更廣泛、效果更好。他表示：「為了能利用抗體使T細胞抗癌，你首先需要一群已經學會識別特定癌細胞的T細胞；但是，巨噬細胞是固有免疫的一部分，這意味著它能識別各種病人的各種腫瘤！」[7]

該研究讓我們看到了PD-1/PD-L1抗體治療癌症的新方式，這讓本就給癌症患者帶來無限希望的抗體治療愈發迷人。我們期待能夠有效激發固有免疫和適應性免疫的抗體療法早日造福癌症患者！

參考資料：

[1] Ishida Y, Agata Y, Shibahara K, et al. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death[J]. The EMBO journal, 1992, 11(11): 3887.

[2] Freeman G J, Long A J, Iwai Y, et al. Engagement of the PD-1 immunoinhibitory receptor by a novel B7 family member leads to negative regulation of lymphocyte activation[J]. Journal of Experimental Medicine, 2000, 192(7): 1027-1034.

[3] Wolchok J D. PD-1 blockers[J]. Cell, 2015, 162(5): 937.

[4] Gordon S R, Maute R L, Dulken B W, et al. PD-1 expression by tumour-associated macrophages inhibits phagocytosis and tumour immunity[J]. Nature, 2017.

[5] Okazaki T, Honjo T. PD-1 and PD-1 ligands: from discovery to clinical application[J]. International immunology, 2007, 19(7): 813-824.

[6] Hamanishi J, Mandai M, Iwasaki M, et al. Programmed cell death 1 ligand 1 and tumor-infiltrating CD8+ T lymphocytes are prognostic factors of human ovarian cancer[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104(9): 3360-3365.

[7]https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170518143843.htm

[8] Morrison C. Immuno-oncologists eye up macrophagetargets[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2016, 15(6): 373-374.

[9] Steidl C, Lee T, Shah S P, et al. Tumor-associated macrophages and survival in classic Hodgkin"s lymphoma[J]. New England Journal of Medicine, 2010, 362(10): 875-885.

[10] Huang X, Venet F, Wang Y L, et al. PD-1expression by macrophages plays a pathologic role in altering microbialclearance and the innate inflammatory response to sepsis[J]. Proceedings of theNational Academy of Sciences, 2009, 106(15): 6303-6308.

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