2017年腫瘤精準醫學界最耀眼的明星無疑是免疫治療。剛剛閉幕的中國臨床腫瘤學會（CSCO）學術年會上，專題報告中有15.6%的主題是腫瘤免疫治療，超過靶向治療和化療的熱度。親臨現場的您一定注意到，腫瘤免疫治療領域的專家學者都在幻燈片里展示過下面這張“腫瘤免疫周期”圖（圖1）。今天，我就來介紹這張圖里闡釋的細胞生物學機制和相關的臨床免疫治療手段，幫助您從全局角度重新認識腫瘤免疫治療。

圖1. Daniel Chen和Ira Mellman于2013年在Immunity雜志上發表的腫瘤免疫周期圖

早在十年前，免疫學家在實驗室中已經證明免疫系統能夠識別并消滅腫瘤細胞，但在臨床轉化時（如細胞因子和腫瘤疫苗療法等）響應率普遍非常低，使得學術界并不看好腫瘤免疫治療的前景 。甚至2007年Schering收購Organon后，對其研發管線中的 pembro項目（兩年后隨Schering一起被默沙東收購，現已成為王牌免疫治療藥Keytruda）也束之高閣。3年后，Dendreon研發的首款腫瘤治療疫苗Provenge獲FDA批準用于治療前列腺癌。緊隨其后，施貴寶的CTLA-4抑制劑ipilimumab在2011年獲FDA批準用于治療晚期黑色素瘤，其研究管線中的PD-1抑制劑nivolumab也開始受到業內關注 。同年的諾貝爾生理學和醫學獎也被授予三位研究免疫學機制的科學家。終于，主流學術界開始認同腫瘤免疫治療的方向，相關的研究也很快呈現出爆炸式的增長。

Genentech的兩位資深腫瘤免疫學專家 Ira Mellman和Daniel Chen（圖2）意識到腫瘤免疫學作為一門新興的交叉學科，正在被不斷涌現的新知識和生物體的復雜性所困擾，于是決定畫一張簡潔又有邏輯的腫瘤免疫學全景圖，讓各種復雜又松散的細胞生物過程統一起來。不久之后，Genentech的藝術家根據兩位科學家在餐巾紙上畫的原型圖設計出一幅由七個圓和箭頭構成的閉環圖 。這張圖很快傳播開成為研究腫瘤免疫學的思維框架，并于2013年在題為《Oncology Meets Immunology: The Cancer-Immunity Cycle》的文獻回顧中首次發表。

圖2. Daniel Chen（左）與Ira Mellman（右）在日常討論（圖片來自Genentech官網）

2013版的原圖中，Mellman和Chen將免疫系統消滅腫瘤細胞的過程分為七個步驟，與特異性免疫類似：

這七個步驟構成一個閉環，各種可能影響腫瘤免疫周期的治療手段都可以被映射到這張圖上（圖3）。即使4年后的今天來看，這張腫瘤免疫治療的藍圖依舊清晰。

圖3. 可能影響腫瘤免疫周期的治療手段（2013年版的原始圖）

下面我將介紹腫瘤免疫周期的七個步驟中主要的細胞生物學機制：

 腫瘤細胞死亡并釋放腫瘤特異抗原

基因組突變是腫瘤免疫過程發生的驅動因素。腫瘤細胞的基因編碼區變異或整合進染色體內的病毒DNA會都會產生導致表達出特殊的蛋白質。這些蛋白質碎片可以被T細胞識別為“外源”肽， 所謂的“新抗原”（neoantigens）。當腫瘤細胞因各種原因死亡后，含有新抗原的蛋白質被釋放到細胞間質中，等待被抗原呈遞細胞（antigen presenting cells，APCs）攝取。

各種臨床治療手段，如放療、化療、靶向治療和溶瘤病毒，都因為能夠殺死腫瘤細胞并激發由腫瘤新抗原引起的免疫反應，而被Mellman和Chen標注在腫瘤免疫周期的第一步。今年CSCO會議上，華西醫院的盧鈾教授帶來了專題報告《放射治療與免疫效應機制》，介紹的就是放療后出現遠端病灶緩解的現象與免疫效應機制的關系。

 抗原呈遞細胞攝取并處理腫瘤新抗原

專業的抗原呈遞細胞樹突狀細胞通過巨胞飲（micropinocytosis）捕獲細胞間質中的死亡腫瘤細胞釋放的蛋白質，并水解為可以結合到MHC 抗原呈遞復合體上的肽段。該過程也可由一般的抗原呈遞細胞，如巨噬細胞完成。

MHC復合體分為I型和II型。 I型復合體廣泛表達于體細胞中，它呈遞系統能夠T被T細胞受體（T cell receptor，TCR）識別。而II型復合體（圖4）主要表達于樹突狀細胞、巨噬細胞和B淋巴細胞中，是更專用的抗原呈遞系統。部分樹突狀細胞在向T細胞呈遞新抗原之前，能夠先從MHC II型呈遞系統向MHC I型呈遞系統進行一次交叉呈遞（cross presentation），相關機制不清晰。相較于MHC I型，II型對與之結合的肽段的長度沒有嚴格的限制，這樣可以盡可能多地容納外源肽段。

圖4. MHC II型抗原呈遞系統示意圖

長期腫瘤抗原刺激會引起免疫系統的耐受性，這樣避免激活的免疫細胞攻擊正常細胞�？乖�呈遞細胞需要有包括促炎癥細胞因子和腫瘤細胞死亡時釋放的因子在內的多種免疫原性信號（immunogenic signals）共同作用，否則將無法有效激活能夠識別呈遞的特異性抗原的T細胞。

2010年，FDA批準的首個前列腺癌細胞免疫療法Provenge（Sipuleucel-T）就是一種提升抗原呈遞效率的治療性疫苗。該療法通過提取患者的樹突狀細胞，與融合抗原蛋白PAP-GM-CSF（PAP，一種在前列腺癌中過表達的酶，GM-CSF，促進樹突狀細胞成熟的信號）混合進行體外培養后回輸，幫助前列腺癌患者的免疫系統完成對PAP的抗原呈遞。

今年夏天，美、德兩國的研究團隊在Nature雜志分別發表文章，報道各自運用個體化治療疫苗治療黑色素瘤的臨床療效數據（圖5）。與Provenge選擇固定的腫瘤抗原策略不同，最新的個體化疫苗首先通過生信分析和體外實驗發現某位患者的腫瘤細胞可能呈遞的新抗原組合（本系列的第二篇文章將詳細介紹抗原呈遞的預測技術），再合成抗原蛋白質（美國Catherine Wu的團隊）或攜帶抗原編碼的mRNA（德國Ugur Sahin的團隊），最后將合成的蛋白或mRNA注射到患者體內，加速完成對一組腫瘤抗原的呈遞過程。

圖5. 德國BioNTech團隊公布的參與mRNA疫苗的黑色素瘤患者的治療史

抗原呈遞細胞進入淋巴結激活T細胞

未成熟的樹突狀細胞被載有新抗原的MHC復合體激活并通過淋巴系統移往區域淋巴結，到達淋巴結時樹突狀細胞已成熟，并表達出激活初始T細胞所必需的共刺激分子（圖6）。淋巴結中的部分初始T細胞表達能夠識別腫瘤新抗原的T細胞受體這些受體可以與到達淋巴結的樹突狀細胞表面載有新抗原的MHC 復合體結合，并在共刺激分子的協同作用下誘導T細胞增殖并分化成為效應T細胞（effector T cells）和調節性T細胞（T regulatory cells）。激活初始T細胞基本上是所有特異性免疫必需的一步，免疫反應的性質和平衡也在這一步通過效應T細胞（激活免疫殺傷）和調節性T細胞（抑制免疫殺傷）的比例來精確控制。

圖6. 腫瘤新抗原載入 MHC復合體后，樹突狀細胞成熟并轉移至淋巴結去激活T細胞

初始T細胞被激活后開始分泌細胞生長因子IL-2并對其響應，同時T細胞表面表達與IL-2結合更緊密的IL-2受體蛋白α鏈，加強IL-2信號引起的細胞周期加速。免疫系統通過這種自分泌（autocrine）調節強化T細胞增殖和分化（圖7）。除了正向反饋機制，激活的T細胞也會提高CTLA-4（cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4，CD152）的表達量，通過與CD28競爭結合B7來抑制T細胞的增殖，起到平衡作用（圖8）。很多情況下初始CD8+T細胞結合共刺激因子不足的抗原呈遞細胞時，需要CD4+效應 T細胞輔助提升抗原呈遞細胞共刺激因子的表達和旁泌性（paracrine）地分泌IL-2（圖9）。目前，FDA已經批準重組IL-2（如aldesleukin）和CTLA-4單抗（如ipilimumab）用于抗腫瘤治療。

圖7. 以初始T細胞分化為CD8+細胞毒性T細胞的過程為例，初始T細胞被激活后開始分泌細胞生長因子IL-2并通過提高對IL-2的響應能力來完成快速增殖

圖8. 載有腫瘤新抗原的MHC復合體和共刺激因子協同作用激活T細胞并誘導其分化成熟，T細胞激活后提高與B7結合力更強的CTLA-4來抑制過度增殖

圖9. 共刺激因子不足時，初始CD8+ T細胞結合需要CD4+效應 T細胞輔助

激活的T細胞離開淋巴結進入循環系統

初始T細胞在未激活前周而復始地在血液系統和淋巴系統中循環穿梭，盡可能提高初始T細胞能夠與載有匹配的抗原呈遞細胞的結合機率。只有激活的T細胞會停留在淋巴結數天進行增值和分化，否則停留數小時后未被激活的T細胞將重新回到血液循環中（圖10）。在初始T細胞分化為效應T細胞的過程中，T細胞表達的細胞黏附分子（cell adhesion molecules）組分也會變化，促進激活的T細胞離開淋巴結并在血液循環中定位到發生炎癥反應區域的血管壁（圖11）。

圖10. 部分進入淋巴結的T細胞被樹突狀細胞激活并分化，在淋巴結內T細胞區（T-cell zone）停留數日到一定數量后在經輸出淋巴管（efferent lymphatics）離開淋巴結進入血液循環系統

圖11. 以效應CD4+T細胞為例，從初始狀態向激活狀態的分化過程中，T細胞表達的黏附分子組成發生改變，以促進成熟的T細胞離開淋巴結進入血液循環

T細胞穿過血管壁浸潤到腫瘤微環境

T細胞流經未發生炎癥反應區域內血管時只能與血管內皮細胞發生可逆的微弱結合，不足以幫助T細胞在血流沖擊下錨定。但當腫瘤引起局部免疫反應后，周圍組織會像炎癥反應一樣釋放細胞因子和趨化因子。T細胞表面的特異性受體接收到趨化因子信號后，會激活整合素（integrins）與血管內皮細胞強力結合。與此同時，炎癥反應釋放的細胞因子也會提升血管內皮細胞中附著蛋白的表達量，進一步增強與T細胞整合素的結合，以錨定并輔助T細胞環浸潤到腫瘤微環境中（圖12）。

圖12. T細胞與血管內皮細胞錨定，滲出并浸潤到趨化因子引導的方向

 T細胞通過特異性受體識別腫瘤細胞

前面介紹過，腫瘤在增殖和演化過程中不斷積累的突變將產生能夠被T細胞特異性識別的新抗原，這被認為是腫瘤免疫過程的驅動因素。腫瘤細胞和一般體細胞一樣，在核糖體生產蛋白的過程中會產生一定比例有缺陷的蛋白質（defective ribosomal products, DRiPs），這些蛋白會在胞漿中被水解為肽段并被轉運到內質網，能夠穩定地與MHC I型呈遞復合體結合的潛在抗原會被呈遞到細胞膜表面，等待被 T細胞檢查（圖13）。本系列的第二篇文章將詳細介紹抗原呈遞的預測技術。 

圖13. MHC I型抗原呈遞系統示意圖

目前已在部分結腸癌、前列腺癌和宮頸癌患者體內發現失去MHC I型復合體的腫瘤細胞，這樣的腫瘤細胞可能無法被CD8+細胞毒性T細胞識別并溶解。但小鼠實驗數據顯示，MHC I型復合體缺失的腫瘤組織也可以被部分清除，這被懷疑是自然殺傷細胞（natural killer cells）的作用結果。

在組織中的CD8+細胞毒性 T細胞首先通過整合素結合體細胞。如果在短時間內沒有發現載有抗原的MHC I型復合體，T細胞將釋放該體細胞并轉移到下一個潛在目標。T細胞一旦在巡弋過程中通過T細胞受體特異性識別出某個體細胞表面存在腫瘤新抗原，T細胞受體將傳遞信號以增強T細胞與體細胞的結合，準備對目標細胞進行殺傷（圖14）。

圖14. 細胞毒性T細胞在逐個識別體細胞表面是否有特異性抗原 

全球首例被FDA批準的CAR-T細胞藥物Kymriah（tisagenlecleucel-T），就是借助生物工程技術繞過了抗原呈遞過程，直接賦予患者自身的T細胞識別特定抗原的能力。與臨床上正在使用的單抗靶藥相比，CAR-T細胞藥物有三個特點：1）鎖定靶點標記的腫瘤細胞并直接清除；2）通過釋放細胞因子增產對腫瘤細胞的免疫攻擊；3）CAR-T細胞藥物可以不斷增殖。因為人工干預大幅提升免疫系統的攻擊性，Kymriah 在臨床治療中常見的副作用就是細胞因子釋放過量，所以FDA批準Kymriah的同一天也擴大了IL-6R抗體（tocilizumab）的適應癥用于治療CAR-T治療中出現的細胞因子釋放綜合癥（cytokine release syndrome）。

CAR-T治療需要預先設計嵌合抗原受體（chimeric antigen receptor，CAR）。血液細胞表面有較為明確的標記蛋白，所以早期的CAR-T細胞藥物都被設計專門治療血液腫瘤。去年12月，《新英格蘭醫學雜志》報道過一項靶向實體瘤CAR-T治療的成功案例。一位50歲的多灶型膠質母細胞瘤患者在接受10次靶向IL13Rα2（腦瘤中的一種常見受體）的CAR-T細胞藥物注射后，影像學上看到患者的部分病灶消失，部分病灶顯著縮小。找到合適的腫瘤特異性抗原僅僅是實體瘤CAR-T治療的第一步，因為實體瘤的微環境十分復雜。T細胞有時無法趨向因子的引導下浸潤到腫瘤病灶處，成功浸潤的T細胞可能還需面對缺乏營養和免疫抑制性等挑戰，這些因素都會限制實體瘤CAR-T的療效。據悉，我國上海細胞治療中心正在研發和實驗新一代CAR-T療法，通過分析免疫微環境的異質性和靈活運用免疫干預技術，期望實現反應率和療效出色的實體瘤細胞治療技術。

腫瘤細胞被T細胞識別并溶解消滅

當細胞毒性T細胞識別出腫瘤細胞表面的特異性抗原后，胞漿內儲存的效應分子將朝目標方向釋放，在不影響周圍正常細胞的情況下溶解腫瘤細胞（圖15）。T細胞受體與抗原的結合從三個方面控制細胞毒性T細胞的殺傷效應：1）增強T細胞與目標細胞的結合；2）定位效應分子分泌結構的朝向；2）觸發效應分子的合成和釋放。 細胞毒性T細胞的主要殺傷效應分子包括穿孔素（perforin）、顆粒酶（granzyme）、顆粒溶解素（granulysin）等。

圖15. 識別到腫瘤抗原后會極化細胞毒性T細胞并將效應分子聚集在目標細胞側

被溶解的腫瘤細胞會釋放各種合成的蛋白質到細胞間質中，至此腫瘤免疫完成一個閉環周期 。人體各個部位的免疫環境基準狀態差異很大。一般來說，極其重要的器官或微生物群落復雜的部位能夠通過細胞隔絕或在局部微環境中抑制免疫活性來一定程度上享有免疫豁免（immunity privilege）。實體瘤細胞也會模仿免疫豁免狀態以防御浸潤到腫瘤微環境的T細胞，手段包括表達免疫抑制分子和分泌結構蛋白（圖16）。本系列的第二篇文章《腫瘤異質性和微環境分析技術》將具體介紹腫瘤免疫逃逸（tumor immune escape）機制。

圖16. 具有免疫原性的實體瘤癌細胞可以模擬免疫豁免的方式防御T細胞的殺傷

PD-1（programmed death-1）與CTLA-4（調節T細胞的激活過程，前文已述）都是T細胞表面表達的抑制性受體。PD-1用于調節已經激活的T細胞的活性來避免引起自身免疫疾�。╝utoimmune diseases），一般在激活的T細胞中被瞬時誘導表達。促炎癥因子（pro-inflammatory cytokines）的信號作用可以抑制T細胞的PD-1表達，提高T細胞殺傷作用；在慢性感染中PD-1被發現廣泛表達，鈍化了T細胞的殺傷效應。PD-L1 和PD-L2作為免疫檢查點PD-1的抑制性配體，通過與PD-1結合來抑制T細胞增殖和T細胞受體的下游信號，也可以誘導T細胞凋亡。正常情況下，PD-L1會在多種細胞中組成性表達（constitutively expressed），炎癥反應會提升PD-L1的表達量，而PD-L2主要表達于免疫細胞。 已發現多種腫瘤中都存在PD-L1高表達的現象，降低了這些腫瘤細胞對T細胞殺傷的敏感性�？鐕�藥企開發了多種靶向CLTA-4或PD-1/PD-L1的單抗類藥物，并獲得FDA批準用于抗腫瘤治療。國內醫藥界對免疫檢查點藥物的研究和開發上也勢頭正勁，本系列的第三篇講系統介紹腫瘤免疫檢查點和CAR-T技術。

IDO（indoleamine 2,3-dioxygenase）是犬尿氨酸途徑（Kynurenine pathway，色氨酸代謝到NAD途徑的旁路）的胞內限速酶，可以通過耗竭微環境中的色氨酸并產生犬尿氨酸（免疫抑制性代謝物）調節T細胞的活性，維持出現炎癥后的免疫反應與免疫耐受之間的平衡。肺癌、結直腸癌、胃癌、胰腺癌在內的等多種癌癥組織中都發現IDO過表達的現象。過度活躍的IDO會促使樹突狀細胞直接抑制T細胞活性，產生免疫抑制性的腫瘤微環境，使T細胞浸潤到腫瘤組織后很快失活。目前，可以抑制IDO1酶活性的小分子藥物epacadostat已經進入治療黑色素瘤的三期臨床試驗階段，其與PD-1單抗藥物pembrolizumab的聯合治療臨床試驗也在積極進行中。已公布的數據顯示，聯合IDO抑制劑可以將pembrolizumab的治療效果翻倍，同時不良反應發生率降低。就在一個月前， 中科院上海有機所以4.57億美元的價格向信達生物授權一項IDO抑制劑的獨家開發權。
 

上面已經介紹完腫瘤免疫周期的七個步驟。我也制作了一張簡圖來概括臨床腫瘤免疫療法和腫瘤免疫周期的關系（圖17）�？偨Y一下，腫瘤免疫過程中需要抗原呈遞細胞識別腫瘤抗原并激活免疫系統，效應細胞增殖并轉移到腫瘤病灶進行特異性殺傷，最終抑制效應細胞的免疫活性以避免自身免疫。在實際臨床治療中，研究人員需要系統性地評估免疫療法對免疫系統與腫瘤微環境之間的動態平衡造成何種影響。腫瘤個性化治療疫苗帶來的人為干預較小，主要依賴人體本身的免疫細胞，但需要強大的生物信息處理能力；過繼細胞治療通過向患者直接輸入免疫細胞，可以快速達到殺傷效果，但對細胞改造提出了很高的要求；免疫檢查點藥物目前商業化最好，小分子和單抗類的藥物屬性也易于臨床推廣，但有效的前提是患者體內已經存在能夠殺傷腫瘤的淋巴細胞。

圖17. 腫瘤免疫療法與腫瘤免疫周期間的概念性關系

今年1月，Mellman和Chen 在Nature雜志上發表最新文章《Elements of cancer immunity and the cancer–immune set point》，提出在腫瘤免疫周期的基礎上將腫瘤組織的免疫表型分成三類（圖18）：

1）免疫阻隔型（immune-excluded tumor）

2）免疫荒漠型（immune-desert tumor）

3）免疫炎癥型（inflamed tumor）

 圖18. 影響腫瘤免疫設定點（the cancer-immune set point）的因素

在這份最新的腫瘤免疫設定點框架下，除了宿主遺傳因素和腫瘤自身特點外，治療手段、環境因素和微生物群落都被納入考慮范疇中。有興趣的讀者可以閱讀這篇綜述，緊跟學術界對腫瘤免疫學的最新認識。相信隨著科學技術的進步，人類對免疫系統的復雜性會了解得更清晰具體，據此發展的免疫治療手段也必定更先進有效！
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