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肿瘤部位的适应性免疫抗性AIR:机制和未来展望

药渡 | 医药研发大数据综合信息服务平台 2022/09/04 13:32

来源:药渡

撰文:芦苇    编辑:丸子

肿瘤部位的适应性免疫抗性(Adaptive immune resistance,AIR)是指肿瘤通过各种策略来适应并最终逃逸机体免疫系统攻击,如肿瘤细胞中干扰素 γ 选择性诱导程序性细胞死亡配体 1 (PD-L1)来实现免疫逃逸。

此外,通过抗体阻断 PD-L1 与其受体 PD-1 的结合(抗 PD 疗法)也可用于治疗肿瘤,尤其是实体瘤。然而,许多基于抗 PD-1疗法与其他抗肿瘤药物联合疗法的临床试验并未确定其是否存在协同治疗效果。

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AIR介绍

免疫反应可以识别、响应和消除癌细胞。然而在癌症进展过程中,各种细胞和分子机制会发生变化来适应免疫环境的变化,并最终克服免疫攻击,从而使癌细胞不断生长。这些机制统称为“适应性免疫抗性”(AIR)。

第一个明确并经治疗验证的 AIR 是选择性诱导程序性细胞死亡配体1 (PD-L1),利用PD-1/PD-L1 通路逃脱肿瘤免疫效应。PD-L1 主要由肿瘤组织中的干扰素-γ (IFNγ)诱导,IFNγ由完全分化的效应 T 细胞产生,这一发现表明 PD-L1 的表达可能是抗肿瘤免疫的结果。此外,Cd274基因敲除(编码 PD-L1)不会在小鼠中引起重大的生理异常或自身免疫性疾病,这表明这种负反馈机制在生理上不是必需的,主要是由癌症生长和随后的肿瘤免疫诱导的。

传统观点认为,免疫反应未能消除肿瘤的原因是T 细胞介导的针对肿瘤抗原的免疫反应不足。在这种假设下,将免疫反应增强到一定阈值以上是主要解决办法,但临床现象表明通过这些方法简单地增强免疫反应并不总是与临床反应呈正相关,也就是增强的免疫反应与肿瘤的消除没有成比例的相关性。

对肿瘤抗原的免疫反应可以在肿瘤部位外的淋巴器官中产生,而这种免疫反应在肿瘤微环境 (TME) 中的执行和再刺激通常在癌症中受损,从而限制了有效的抗肿瘤免疫效果。但基于增强 T 细胞介导的针对抗原的免疫反应(统称为“免疫增强剂”)的免疫治疗方法通常面临着与其他常规癌症治疗类似的问题,如疗效有限和高毒性。

PD-1/PD-L1阻断的免疫治疗已成功地应用于临床患者,从2014年pembrolizumab和nivolumab被批准用于晚期黑色素瘤以来,FDA已批准了多种PD-1/PD-L1单抗多达20多个实体瘤或血液恶性肿瘤的适应症。

基于抗PD-1疗法的癌症免疫疗法已成为治疗晚期人类癌症的关键疗法,尤其是针对实体瘤。目前,肿瘤免疫治疗的重心已经从单药治疗转向了与免疫疗法的联合治疗。然而,许多抗PD-1治疗与其他抗肿瘤药物相结合的临床试验被没有明确的协同效应。因此,确定肿瘤部位的AIR机制,有助于指导未来药物开发。

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AIR假说

通过研究正常和癌症患者的PD-L1,可以了解AIR的几个重要特征。

首先,虽然PD-1在血液和TME中被激活的T细胞广泛表达,但在T细胞通过抗原识别到达和激活之前,在TME没有PD-L1表达,这使得PD-L1可以在TME中选择性表达。

其次,PD-L1的表达可以在无需全身免疫抑制的情况下,损害TME的免疫功能。肿瘤细胞上的PD-L1通过诱导活化T细胞死亡或功能障碍,从而对T细胞介导的破坏产生抵抗。

第三,PD1/PD-L1通路是一部分晚期癌症患者的主要AIR机制,单独的抗PD-1/PD-L1疗法可以对这部分患者产生治疗效果。

除PD1-PD-L1 通路之外,TME 中还存在其他 AIR 机制,因为并不是所有表达 PD-L1 的肿瘤都可以通过抗 PD 疗法治疗。此外,超过一半的人类癌症是所谓的“冷肿瘤”,在病理分析中没有明显的炎症和免疫反应,这些肿瘤也可能具有独特的 AIR 机制。因此,晚期癌症可以同时或依次使用多种 AIR 机制来逃避免疫系统攻击,而我们对人类癌症 AIR 的认识仍处于起步阶段。

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AIR分类

据估计,约25 %的实体瘤患者和40%-60%的淋巴瘤患者适用于当前的抗 PD 疗法。然而,客观缓解率 (ORR) 在不同癌症类型中差异很大。因此在治疗前需确定患者是否对抗PD疗法有反应。基于 AIR 机制,我们预测抗 PD 疗法仅对在 TME 中表达 PD-L1 且肿瘤被 PD1 + T 细胞,尤其是 CD8 + T 细胞浸润的患者有效。

基于肿瘤免疫微环境 (TIME) 的了解,我们提出了四种不同类型的人类癌症类型,以更好定义免疫状态并预测其对抗 PD 疗法有无反应或是否出现抗性(图 1)。

基于PD-L1表达和肿瘤浸润T淋巴细胞TILs的存在(主要基于CD8 +T细胞),可将肿瘤分为四种类型:PD-L1- / TIL- ( I型);PD-L1 + /TIL + (II 型);PD-L1 - /TIL +(III型);和 PD-L1 + /TIL - (IV 型)。随着对 AIR 新机制的发现和对 TME 中免疫反应的进一步研究,预计会在这四种主要类型基础上进一步建立亚型分类,以准确预测患者对免疫治疗的反应。

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图1:肿瘤免疫微环境的类型和抗 PD 疗法的耐药性

1 原发性耐药

抗 PD 疗法的原发性耐药定义为:在具有 PD-L1 表达和 T 细胞浸润的 II 型肿瘤中,对抗 PD 疗法最初无响应(图 1)。因此抗 PD 疗法有望应用于这类肿瘤。抗PD疗法在PD-L1 表达的肿瘤中响应,但TILs(尤其是 CD8 + T 细胞)尚未被用作预测性生物标志物。IV 型肿瘤(PD-L1+)没有 T 细胞浸润,预计不会响应抗 PD 疗法,所以不能仅根据 PD-L1 阳性来确定对抗 PD 疗法的原发性耐药。

TME中PD-L1的表达可以通过活检和同位素标记法评估,PD-L1 表达可能是动态的,因为它在很大程度上是可诱导的,这表明从活检到抗 PD 疗法,表达可能会有所不同。除了 PD-L1 的表达,评估其他共抑制分子和共刺激分子的表达以充分利用有效的免疫反应也很重要。

尽管 TIL 的存在似乎必不可少,但仍不清楚哪些是决定初级耐药性的关键细胞成分,以及 TIL 上的分子成分。TME中 CD8 +和 T 辅助细胞 1 (TH1)的存在与更好的预后相关,这可能是预防原发性耐药的必要细胞成分。

然而,其他 TIL 成分包括 CD4 + T 细胞亚群、自然杀伤 (NK) 细胞、NKT 细胞、B 细胞、Treg细胞、γδ T细胞以及先天淋巴细胞等在 TME 中的作用不太清楚。此外,Treg细胞和髓源性抑制细胞 (MDSCs) 的存在也可以调节原发性耐药性。对 TIME II 型细胞和分子进行综合分析有助于识别对抗 PD 疗法具有原发性耐药风险的患者。

2 获得性耐药

在最初对抗 PD 疗法有反应的转移性黑色素瘤患者中,有四分之一到三分之一的患者会随着时间的推移而复发,在肺癌中也观察到类似的现象,这些患者对抗 PD 疗法出现获得性耐药。目前没有明确的生物标志物或临床标准来预测复发,也没有大量病例报告来证明抗PD疗法获得性耐药的共同机制,这是当前临床试验中所遇到的巨大挑战。

临床观察为获得性耐药的潜在机制提供一些假设,获得性耐药患者对 PD-L1 和 PD1 表达仍然呈阳性,这表明浸润的T 细胞仍被激活状态。有趣的是,在某些情况下,复发患者在停止治疗一段时间后,可能重新获得对抗 PD 疗法的响应。在这些情况下,肿瘤抗原突变或丢失而产生的肿瘤变异体无法解释获得性耐药性。然而,肿瘤细胞可能会发生内在变化,从而降低对免疫攻击的敏感性。

在一小部分复发患者中,功能丧失突变与获得性耐药相关,这些突变与抗 PD 疗法的不良反应有关。尽管这些关于免疫相关分子功能丧失报告与获得性耐药甚至原发性耐药相关,但这些事件的频率很低,因果关系仍有待确定。

3 靶标缺失耐药

因为抗 PD 疗法通过阻断 PD-1 和 PD-L1 之间的相互作用而发挥作用,理论上,若TME 中缺乏其表达将不能发挥作用。因此,缺乏 PD-1 或 PD-L1 表达的肿瘤都被归类为“靶点缺失”肿瘤,所以在 TIME I、III 和 IV 型患者中观察到不响应抗 PD 疗法的现象属于正常现象。此外,60-85% 的实体瘤会出现靶向缺失耐药(表 1),这正是只有一小部分患者对抗 PD 疗法响应的主要原因。

表1:不同癌症肿瘤免疫微环境类型汇总

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TIME I型 和 IV型 中都缺乏 TIL,因此TIL干扰素不太可能诱导 PD-L1 的表达。目前已知 PD-L1 的组成性表达与染色体 9p24.1 的基因扩增相关,导致 PD-L1、PD-L2 和 Janus 激酶 2 (JAK2)(PDJ 扩增子)的过表达。在没有免疫浸润的情况下,导致癌细胞组成性表达 PD-L1 的其他机制包括 PTEN 缺失或 PI3K 和/或 AKT 突变、 EGFR 突变、MYC 过表达等。这些发现至少部分解释了为什么一些 PD-L1 +肿瘤患者对抗 PD 疗法没有反应。因此,重要的是检测患者肿瘤组织中的PD-L1 和 PD1的表达量,以排除用抗PD疗法治疗IV 型肿瘤患者。

T 细胞可能会主动或被动地排除在 TME 之外,这似乎是 TIME I 型和 IV 型的主要 AIR 机制。在正常与肿瘤组织中寻找差异基因和蛋白质表达的研究表明,改变的肿瘤脉管系统是一些人类冷肿瘤中 T 细胞排斥的主要机制之一。CD93 及其配体 IGFBP7 的过表达可能会造成这种改变,导致 T 细胞缺乏对肿瘤组织的渗透性。抗体阻断 CD93 和 IGFBP7 可使肿瘤脉管系统正常化,并使 B16 小鼠黑色素瘤模型(一种传统的冷肿瘤模型)中浸润性 T 细胞显着增加。

TIME III 型肿瘤有 T 细胞浸润,但缺乏 PD-L1 表达。因此,与 I 型和 IV 型不同,III 型肿瘤可以募集 T 细胞,但不能正确分化成完全成熟的 T 细胞。这一观察表明在 T 细胞抑制中存在非 PD1-PD-L1 的AIR 机制。在体外对 T 细胞抑制分子进行全基因组筛选,Siglec-15 被鉴定为肿瘤诱导的免疫抑制因子,在 TIME III 型癌症中高度上调,其表达与 PD-L1 的表达呈负相关。

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目前使用的联合治疗

在晚期黑色素瘤中,抗 PD 疗法能增加总生存期 (OS)并降低毒性,优于抗 CTLA4 疗法,因此将抗 PD 疗法与其他药物治疗联用富有治疗前景。目前多项联合化疗药物、抗CTLA4治疗等免疫疗法、靶向治疗的临床试验正在进行,表2中展示了部分已发表的联合免疫疗法的 III 期试验。

表2:抗 PD 治疗的代表性联合试验

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1 与抗CTLA4疗法联合

抗 CTLA4 疗法(Ipilimumab)对转移性黑色素瘤患者有效,将抗 PD 疗法与其联用,在小鼠模型中可以观察到协同效应:CTLA4 抑制Treg细胞并引发从头 T 细胞反应,而抗 PD 疗法主要通过改善 TME 中的效应 T 细胞功能发挥作用。然而临床结果表明存在许多副作用,且自身免疫相关不良事件显著增加(表 1)。因此在疗效略微增加但毒性明显增加的联合治疗情况下,可能会考虑依次使用抗 PD 疗法,再使用抗 CTLA4疗法,而不是联合用药。

2 与化疗药物联合

化疗对高度增殖细胞具有广泛的细胞毒性作用,尤其是对造血和免疫系统。研究表明一些化疗药物可以通过消除 T reg细胞来促进 T 细胞免疫,并增加肿瘤细胞死亡时的抗原释放。

多项化疗药物与抗PD疗法结合的临床试验已启动,在一项治疗转移性 NSCLC III 期试验中,帕博利珠单抗联合化疗(培美曲塞联合铂类药物)与单独使用化疗药物进行比较,发现OS有所提高。在小细胞肺癌 (SCLC)和三阴性乳腺癌的几项 III 期试验中也观察到了类似结果。但问题是化疗是否会对免疫细胞产生细胞毒性,而损害抗 PD 疗法。为了解决这个问题,需要将联合治疗与单独的抗 PD 疗法进行比较。

3 与靶向治疗结合

靶向治疗已被证明可有效减少肿瘤体积,然而由于其他补偿途径的出现,使得许多此类药物没有持久效果,而免疫细胞通常需要数月时间才能在 TME 中发挥功能。因此在不损害免疫系统的情况下阻碍癌症生长的靶向治疗将是与抗 PD 疗法相结合的潜在候选者。Pembrolizumab 联合小分子酪氨酸激酶抑制剂阿西替尼的临床试验发现,该组合优于使用舒尼替尼单药治疗,并获得 FDA 批准用于晚期 RCC。

总而言之,目前数千种联合使用的临床试验结果尚未达到理想目标,即通过协同效应提高疗效,并且没有更多不良事件出现。与其继续将各种现有疗法与免疫疗法结合,不如在TME中更好地理解基础癌症免疫学和癌症生物学,这可能是解决问题的关键。

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未来联合治疗方案

虽然目前对各种 TIME 人类癌症中的 AIR 机制的理解仍处于初级阶段,但研究表明 TME 是 AIR 发生的主要场所,进一步探索治疗方案可分为三类:第一,改变 TME(tumor microenvironment);第二,阻断一般免疫抑制机制;第三,增强T细胞介导的免疫。

1 改变TME

先天免疫细胞上的模式识别受体 (PRR),包括吞噬细胞和抗原递呈细胞 (APC),可检测来自感染源的各种分子实体。PRRs 对配体的检测导致各种信号通路的激活和 APCs 的成熟,这可以激活和引发抗原特异性 T 细胞。可以通过给予患者 I 型干扰素、Toll 样受体 (TLR) 配体或干扰素基因刺激物 (STING) 激动剂激活APC。一项晚期黑色素瘤Ib 期试验结果表明,TLR9 激动剂与抗 PD 疗法联合使用显示出边际有益效果。

  • 局部辐射

辐射会对组织和细胞产生影响,除破坏细胞外,还会触发先天免疫并随后在某些情况下促进免疫浸润到肿瘤中。辐射还可以在肿瘤中诱导PD-L1表达,当放射治疗与抗 PD 疗法结合时,在小鼠模型中观察到协同抗肿瘤作用。然而,在 TIME II 型和 III 型肿瘤中不应考虑或谨慎应用,因为辐射可能会损害TIL。

  • 溶瘤病毒的局部给药

使用溶瘤病毒治疗癌症是基于一些病毒仅在癌细胞中复制,而不在正常细胞中复制。除了病毒固有的溶瘤特性外,还对插入细胞因子、重组抗体、T 细胞结合配体和肿瘤抗原等进行修饰以调节免疫反应。

2 阻断免疫抑制

许多免疫抑制在体内控制自身反应性免疫反应和过度反应性炎症反应。与 AIR 机制相比,其不一定由癌症,甚至是由炎症诱导或促进,是维持正常体内平衡所必需的,如TGFβ 家族蛋白介导的免疫抑制和Treg细胞介导的免疫抑制。一种抗 CCR4 单克隆抗体 mogamulizumab 可以消耗循环 Treg细胞,目前正在研究其与晚期实体瘤的抗 PD 疗法联合使用 (NCT02301130)。

但因为这些免疫抑制通常是调节或控制内在自身免疫或炎症所必需的,阻断这些一般免疫抑制可能会增加不良反应。

3 增强T细胞介导的免疫功能

抗PD疗法的一个主要作用是提高TME中已有的免疫作用,但其不能产生全身免疫,因此需要进一步增强全身免疫。将抗 PD 疗法与传统的免疫增强方法相结合,包括癌症疫苗、细胞因子治疗、T 细胞过继治疗和共刺激等可以产生协同效应。

  • 过继性 T 细胞疗法

对于 TIME I 型和 IV 型肿瘤,过继性 T 细胞疗法(包括基因工程嵌合抗原受体 (CAR)-T 细胞和体外扩增的抗原特异性 T 细胞或 TIL)是增加 T 细胞在肿瘤中浸润的有效方法。转移的 T 细胞被完全激活并表达 PD1,TIL 对肿瘤抗原的识别可能导致 IFNγ 和其他细胞因子在 TME 中诱导 PD-L1 表达。理论上,可以将 TIME I 型和 IV 型转化为 II 型,因此将抗 PD 疗法与过继性 T 细胞治疗相结合,也是未来免疫疗法的发展趋势。

  • T细胞共刺激

与 T 细胞过继疗法类似,共刺激可以极大地促进 T 细胞扩增和活化。TNFRSF9(也称为 4-1BB 或 CD137)是一种 TNFR 超家族共刺激受体,在活化的 CD8 + T 细胞、NK 细胞、B 细胞和树突细胞上表达,激动性 mAb 发出的 CD137 信号可促进 T 细胞扩增和其效应器功能,包括细胞毒性和细胞因子产生,刺激记忆 T 细胞形成并破坏 T细胞耐受。一项抗 CD137 单克隆抗体作为单一药物或与抗 PD 疗法联合用于晚期实体瘤的临床试验显示出良好的治疗效果(NCT02179918,NCT02554812)。

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结论

抗 PD 疗法表明,肿瘤诱导的 AIR 机制的发现以及选择性阻断已被证明对癌症患者有效。然而随着研究人员对人类 TME的深入研究发现,除了PD-1/PD-L1途径,还可能存在其他AIR机制,目前所知道的只是冰山一角。因此进一步研究TME可能存在的其他AIR机制,并针对这些机制设计新的治疗方案,将有望在未来造福更多的癌症患者。

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