文章題目：Personalized vaccines for cancer immunotherapy
研究人員：BioNTech公司 |約翰內(nèi)斯古騰堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心
發(fā)表時間：2018. 03
期刊名稱：Science
影響因子：41.06研究亮點
癌癥的特征在于遺傳改變的積累。體細胞的突變會改變蛋白質(zhì)的序列，并生成癌癥特異性新表位?；颊咦陨淼腡淋巴細胞能夠記住這些特異性抗原表位，并通過它們來區(qū)分和抑制突變的癌細胞——它們構(gòu)成了理想的癌癥疫苗靶標(biāo)。然而，每個腫瘤都由不同的突變組成，只有小部分突變可能是相同的，這意味著每個癌癥患者所需要的疫苗都不一樣，很難拿出一種通用的治療方式。如何針對不同腫瘤設(shè)計出個性化的疫苗，以實現(xiàn)個性化的癌癥免疫治療？這個謎題困擾了科學(xué)家上百年的時間。近年來，隨著基因組學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)和癌癥免疫療法的技術(shù)進步，我們已經(jīng)可以做到快速分析患者基因組內(nèi)的突變，合理選擇適用的疫苗靶標(biāo)，來定制患者所需要的癌癥疫苗。文章論述了個性化定制疫苗進行癌癥免疫治療的可行性，以及它相對于現(xiàn)有的癌癥靶向治療的優(yōu)勢。同時，文章指出了該技術(shù)在臨床應(yīng)用中將會面臨的挑戰(zhàn)。
研究背景
通常來說，我們認為驅(qū)動突變促進致癌過程，而乘客突變則不參與癌變過程。然而，不管是哪種腫瘤突變，都會改變蛋白質(zhì)的序列，并在主要組織相容性復(fù)合體（MHC）分子上生成新的表位。這些序列改變的蛋白質(zhì)被稱為“新抗原”，抗原上能被T細胞識別的突變表位則被稱作“新表位”。新表位不會出現(xiàn)在正常組織中，因此患者的免疫系統(tǒng)會認為它們是外來者，并對其發(fā)起攻擊。早在1909年，科學(xué)家Paul Ehrlich就提出可以利用新表位的外來性來確定抗癌靶點。然而，由于不知道應(yīng)該如何靶向特定腫瘤的抗原，這種觀點并沒有得到實際應(yīng)用。
在20世紀50年代，實驗發(fā)現(xiàn)小鼠對同一種癌癥細胞會產(chǎn)生免疫力，并以此提出了適應(yīng)性腫瘤免疫的概念。之后在70年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)從腫瘤中提取的T細胞克隆能夠識別人類的腫瘤細胞系，并認為這是細胞相關(guān)的適應(yīng)性免疫。到了80年代末，克隆技術(shù)的引入幫助科學(xué)家了解到腫瘤抗原的分子性質(zhì)，腫瘤免疫治療翻開了新的篇章。然而，絕大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)的突變抗原都只對特定的患者個人有效，對適用于所有癌癥患者的疫苗的開發(fā)結(jié)果令人失望。
技術(shù)和科學(xué)的突破使體細胞突變重新成為焦點。新一代測序（NGS）使得我們可以低成本快速測序基因組，結(jié)合專門的生物信息學(xué)工具，NGS可以全面繪制某個患者腫瘤的所有突變并預(yù)測其MHC分子上的新表位。然而，針對個體癌癥患者的分析顯示，只有一小部分（小于1%）的突變能引發(fā)自發(fā)免疫應(yīng)答，這導(dǎo)致了這樣的假設(shè)：只有具有高突變負荷的腫瘤，并且具有較多的自發(fā)性癌癥特異性T細胞，才有可能進行基于新抗原的免疫療法。
研究成果
1. 個性化疫苗的臨床前研究和臨床轉(zhuǎn)化
為了確定腫瘤突變的哪一部分誘導(dǎo)新表位特異性免疫反應(yīng)，實驗室用小鼠建立的模型并進行了系統(tǒng)性地研究。研究結(jié)果表明，相當(dāng)一部分突變具有免疫原性并引起腫瘤免疫應(yīng)答。值得注意的是，絕大多數(shù)MHCⅡ類分子上的新表位（占隨機選擇的突變的20%~25%比例），能被CD4+T輔助細胞識別。以前關(guān)于腫瘤疫苗的研究，大多集中于能與MHCⅠ類分子結(jié)合的抗原片段，這個新發(fā)現(xiàn)使得在疫苗設(shè)計過程中可選擇的新表位范圍大大增加?？茖W(xué)家嘗試通過分析突變等位上MHCⅡ類分子的結(jié)合預(yù)測和表達閾值，得到富集免疫顯性的MHCⅡ類新表位來制作新疫苗。實驗證明，接種這些新表位疫苗，可以控制晚期小鼠腫瘤的生長。
圖一 根據(jù)患者定制癌癥疫苗
然而，從小鼠模型到人類的臨床轉(zhuǎn)變是一個非常復(fù)雜的過程。我們需要為每一位癌癥患者做個性化的設(shè)計，包括基因測序和識別突變，預(yù)測潛在的新表位，以及疫苗的設(shè)計和制造（圖一）。最近，在黑色素瘤患者身上完成了三次癌癥疫苗的早期臨床試驗。癌癥疫苗的總體免疫原性率高達60%，每個病人都對腫瘤突變產(chǎn)生強烈的T細胞反應(yīng)。這些疫苗不僅擴大了患者體內(nèi)先前存在的的T細胞，此外，還誘導(dǎo)了大量在接種前沒有檢測到的T細胞反應(yīng)。這些臨床試驗證明了癌癥疫苗的可行性以及它的巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>
2. 利用新抗原刺激腫瘤免疫
近年來，通過研究免疫治療的持久臨床反應(yīng)所獲得的經(jīng)驗表明，調(diào)動宿主本身的免疫系統(tǒng)是一種強有力的治療腫瘤的手段。通常情況下，人體的免疫系統(tǒng)能夠識別和排除抗原性異物，并修復(fù)受損的組織，但在癌癥病人體內(nèi)，免疫系統(tǒng)對癌細胞的作用失靈了。因此，免疫療法的一個關(guān)鍵在于如何重塑患者失調(diào)的免疫循環(huán)，激發(fā)機體本身的免疫應(yīng)答來殺傷癌細胞。
在很長的一段時間里，科學(xué)家普遍認為免疫系統(tǒng)對腫瘤的排斥主要歸因于細胞毒性CD8+T細胞對癌細胞的殺傷力。因此過去對于腫瘤疫苗的研究也集中如何擴大并加強CD8+T細胞對癌細胞的殺傷反應(yīng)。然而近年來，越來越多的數(shù)據(jù)表示，新抗原特異性CD4+輔助T細胞，也對癌癥免疫療法的有效性起著關(guān)鍵作用。相較于CD8+T細胞，CD4+T細胞具有更廣泛的功能，包括協(xié)調(diào)各種細胞的適應(yīng)性和先天免疫系統(tǒng)。另外，它還能誘導(dǎo)CD8+T細胞殺傷“外來者”。結(jié)合了多種新表位的疫苗能夠同時調(diào)動多種新抗原特異性CD8+和CD4+T細胞，它們共同作用，可能推動原本失調(diào)的癌癥免疫系統(tǒng)重新運作。
圖二 新抗原疫苗促進癌癥免疫循環(huán)
當(dāng)疫苗進入患者體內(nèi)后，在淋巴管間的疫苗反應(yīng)啟動階段，CD4+輔助T細胞可以有效誘導(dǎo)細胞毒性T淋巴細胞，提高其滲入腫瘤的能力并加強對腫瘤的殺傷作用。在腫瘤中，疫苗誘導(dǎo)的CD4+細胞可以通過對各種免疫細胞的作用來改善炎癥微環(huán)境，并誘導(dǎo)CD8+細胞識別并殺死癌細胞。癌癥疫苗將會建立對癌細胞的高效免疫，從而恢復(fù)失調(diào)的癌癥免疫循環(huán)（圖二）。
3. 突變發(fā)現(xiàn)、新表位預(yù)測和靶向抗原選擇
個性化癌癥疫苗的關(guān)鍵之一在于如何準(zhǔn)確地繪制腫瘤組織的圖譜，從而選擇最合適的突變來獲得最佳的免疫反應(yīng)。目前，我們一般利用新一代測序技術(shù)，比對患者的腫瘤組織和健康組織（如外周血白細胞）來尋找腫瘤特異性的突變。然而，由于測序使用的樣本通常來自單個腫瘤的小塊活性組織，得到的結(jié)果可能無法代表腫瘤的完整序列。另外，現(xiàn)有的分析算法只能判斷因單核苷酸變異、基因融合、小插入缺失等明確定的突變導(dǎo)致的新表位，而難以分析評估表觀遺傳、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)化或翻譯后畸變產(chǎn)生的新表位。技術(shù)的可行性和成本限制了可以納入藥物產(chǎn)品的突變數(shù)量，因此，在找到腫瘤突變后，還需要從中選擇一部分具有高免疫原性和治療相關(guān)性的突變置入疫苗之中，使其能夠有效地觸發(fā)T細胞免疫反應(yīng)。因此，在真正將癌癥疫苗應(yīng)用到臨床治療之前，仍需在技術(shù)上實現(xiàn)關(guān)鍵性的突破。
4. 個性化癌癥疫苗的制造和臨床應(yīng)用
個性化疫苗在臨床上面臨的最大困難是，如何快速制造疫苗并及時地將疫苗作用于患者身上。目前來說，從開始研究患者的組織樣本開始，到成功研制并生產(chǎn)出疫苗，需要三到四個月。而等待疫苗期間，患者的病情隨時可能惡化。目前科學(xué)家們期望能將這個時間縮短到四周內(nèi)。
5. 個性化癌癥疫苗的廣泛影響
在這個以“一刀切”的治療方式為主導(dǎo)的時代，癌癥分層靶向治療被認為是個性化治療的同義詞。然而，事實并非如此。分層靶向治療通過生物標(biāo)志物檢測，確定患者是否攜帶某種癌癥驅(qū)動基因，從而判斷應(yīng)使用哪種藥物。然而，這種靶向治療的生物標(biāo)志物都只適用于少數(shù)的、有某個特定基因變異的患者，而不適用于大多數(shù)癌癥類型。事實上，由于患者本身和生活環(huán)境的差異（如遺傳多態(tài)性，年齡，并發(fā)癥，微生物組，以及腫瘤微環(huán)境的組成），每一名患者的腫瘤都是獨特的。相較于分層靶向治療法，個性化定制的癌癥疫苗能夠作用于更多的癌癥患者。理論上，只要患者體內(nèi)有足夠高頻率的癌細胞突變，都可以通過分析研究得到定制的疫苗靶向治療，無論是什么類型的腫瘤。同時，個性化定制的疫苗有望解決腫瘤的異質(zhì)性帶來的治療失敗問題。由于腫瘤擁有異質(zhì)性，在它不斷突變的過程中可能會產(chǎn)生耐藥性，使原本有效的藥物失去作用，最終導(dǎo)致治療失敗。而這種根據(jù)患者腫瘤定制的疫苗，能夠靶向到腫瘤內(nèi)的多個表位，并且在腫瘤變化的同時進行調(diào)整。
文章總結(jié)
個性化癌癥疫苗已經(jīng)跨越了臨床應(yīng)用的第一個關(guān)鍵障礙，但前進道路上仍然存在著各種挑戰(zhàn)：譬如，如何確定最合適的臨床環(huán)境，縮短生產(chǎn)周轉(zhuǎn)時間，提升生產(chǎn)能力，并且降低生產(chǎn)成本。但與此同時，數(shù)字時代的新趨勢和新技術(shù)，如大數(shù)據(jù)分析，云計算，以及機器學(xué)習(xí)，用于預(yù)測新表位的算法將繼續(xù)得到改進，大大增加研發(fā)的速度，縮短周轉(zhuǎn)時間。而TCR譜系分析、高通量單細胞測序和循環(huán)腫瘤DNA檢測，使得科學(xué)家對腫瘤、微環(huán)境和免疫力的分析更上一層樓——根據(jù)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中浸潤細胞的表型和功能狀態(tài)的計算，可以更快地推斷出可能的免疫治療的靶標(biāo)。最后，雖然在研究免疫療法的道路上有成功有失敗，但每一段經(jīng)驗都使得我們對腫瘤的認知更加全面，都將推動癌癥疫苗的發(fā)展。
小編評論
基因突變不僅僅是引發(fā)癌癥的原因，也將成為治療癌癥的關(guān)鍵。相信在不久的未來，科學(xué)家們破解了癌癥基因密碼的那天，個性化定制的癌癥疫苗會成為一種適用于所有類型癌癥的治療方法。
參考文獻：
[1] Sahin U, Türeci ?. Personalized vaccines for cancer immunotherapy[J]. Science, 2018, 359(6382): 1355-1360.
