癌癥免疫治療的利器
——2018年諾貝爾生理學或醫學獎簡介

溫銘杰 于明航 王 璽

(首都醫科大學基礎醫學院免疫學系，北京 100069)

免疫學是生物醫學領域中基礎性、前沿性的學科，而免疫學研究在醫學領域中的特殊地位使其倍受諾貝爾獎的青睞。在20世紀，諾貝爾生理學或醫學獎授予免疫學領域多達18次，并且首屆諾貝爾獎(1901年)就授予免疫學領域——褒獎免疫學家開創免疫血清療法，應用抗毒素成功治愈白喉患兒。由于分子生物學的發展，20世紀70年代后，免疫學更是蓬勃發展，幾乎每10年就有3次獲獎。巧合的是，2018年度諾貝爾生理學或醫學獎再次授予的免疫學領域仍是抗體的臨床應用——而此次是在腫瘤免疫治療方面。其中詹姆斯·艾利森教授率先提出了免疫檢查點(immune checkpoint)的概念，并且最早在小鼠實驗中證明T細胞表面細胞毒T淋巴細胞抗原-4(cytotoxic T lymphocyte antigen-4，CTLA-4)抗體可以解除免疫抑制從而控制腫瘤的發展；另一位平分諾貝爾獎的日本免疫學家本庶佑教授則首次發現了PD-1基因，并且致力于PD-1抗體的研發和臨床應用；兩位免疫學家通過阻斷免疫細胞表面的抑制分子以解除免疫系統的抑制，從而更有效的對抗腫瘤。詹姆斯·艾利森和本庶佑兩位科學家的貢獻為人類健康及癌癥治療開辟了一個嶄新領域，針對PD-1和CTLA-4等免疫抑制分子的免疫檢查點療法可認為是腫瘤免疫治療的里程碑事件。

1 獲獎者簡介

1.1 James P. Allison

James P. Allison(圖1)，1948年8月7日出生于美國德克薩斯州，免疫學家，美國科學院院士。1973年獲得德克薩斯大學奧斯汀分校博士學位； 1977年成為德克薩斯大學系統癌癥中心的教員；2012年為德克薩斯大學安德森癌癥中心免疫學系教授兼主任。1995年發現CTLA-4可負性調節免疫功能，并在動物模型上證明CTLA-4抗體可激活T細胞抑制腫瘤的生長。因在癌癥免疫治療等領域的開創性發現，2008年獲得美國免疫學家協會(American Association of Immunologist, AAI)斯坦曼獎；2011年獲得美國免疫學家終身成就獎；2014年獲得生命科學突破獎、首屆唐獎“生技醫藥獎”；2015年獲得“拉斯克臨床醫學獎”；2016年獲得首屆“復旦-中植科學獎”；2017年獲得沃倫阿爾珀特基金會獎。

1.2 Tasuku Honjo

Tasuku Honjo(圖2)，1942年1月27日出生于日本京都，免疫學家，美國科學院外籍院士，德國自然科學家學會會員，日本學士院會員。1966年在京都大學醫學院獲得醫學博士學位，1975年獲得醫學化學博士學位。1974年任東京大學的教員，現為京都大學高等研究院杰出教授；1988年以來一直是AAI榮譽會員。1992年首次報道程序性死亡(蛋白)-1(programmed death-1，PD-1)，并發現PD-1在免疫應答中發揮負性調節作用。因在免疫領域的多項開創性工作，2012年獲得羅伯特·科赫獎，2014年獲得首屆唐獎生技醫藥獎；2014年獲得國際免疫學威廉·科利獎；2016年獲得首屆“復旦-中植科學獎”；2017年獲得沃倫阿爾珀特基金會獎。

圖2 Tasuku Honjo[2]

2 主要科學貢獻[1]

免疫系統是機體執行免疫應答及免疫功能的重要系統，可防止細菌、病毒等病原體入侵及體內腫瘤形成。癌癥是由DNA損傷等多種因素導致正常細胞突變為癌細胞，進而不正常分裂增生、轉移而造成的[2]。20世紀，癌癥治療主要采用手術切除、化學藥物治療和放射治療等手段[3]，但仍不能有效治愈癌癥。近幾十年的研究顯示，腫瘤免疫逃逸是治療失敗的重要原因。因此世界各國的免疫學家和臨床工作者積極探索治療癌癥的免疫療法，其設計思想主要是通過增強人體自身免疫系統，繼而清除體內的腫瘤細胞。目前，癌癥免疫療法主要包括過繼細胞療法，免疫檢查點阻斷劑，非特異性免疫激活劑與癌癥疫苗等四大類。本屆榮獲諾貝爾生理學或醫學獎的就是免疫檢查點阻斷劑療法。

2.1 免疫檢查點CTLA-4和PD-1的發現及其在腫瘤免疫中的重要作用

20世紀中期，科學家發現機體免疫系統可抑制腫瘤增生，但在絕大多數情況下無法完全扼制腫瘤生長，即發生了“腫瘤免疫逃逸”，從而使得腫瘤能夠進一步發展、轉移[4-7]，但腫瘤免疫逃逸的分子機制尚不清楚。

20 世紀 80 年代后期James P. Allison博士在總結前人研究的基礎上，發現CTLA-4 可能作為T 細胞應答的抑制分子調控 T 細胞的活化反應，與此同時，Jeffrey A. Bluestone 與Craig B. Thompson團隊也認識到T細胞免疫檢查點的存在。1995年，華裔科學家Tak Wah Mak和美國免疫學家Arlene H. Sharpe分別在小鼠中敲除CTLA-4基因[8]，發現小鼠出生幾周后，就因T細胞在多個器官廣泛浸潤活化而產生的“免疫風暴”而死亡，從而更加證實了Jeffrey A. Bluestone通和James P. Allison的發現[9]。于是，James P. Allison教授和其博士后Dana Leach設計并制備抗CTLA-4分子的單克隆抗體，將其注入荷瘤小鼠體內，觀察“關閉”T細胞抑制分子CTLA-4的免疫抑制功能后小鼠體內腫瘤的變化[10-11]。小鼠體內的免疫細胞開始攻擊腫瘤，使得腫瘤體積變小，結果顯示，小鼠生存期延長。因此，1996 年，James P. Allison首次證明抗體阻斷T 細胞抑制分子(CTLA-4)可增強抗腫瘤免疫反應并清除腫瘤(圖3)。

圖3 CTLA-4單克隆抗體的抑瘤效應[1]

James P. Allison及其合作者發現：抗CTLA-4單克隆抗體應用荷瘤小鼠后能夠阻斷CTLA-4的抑制效應(解除剎車)，控制腫瘤生長。

與此同時，日本免疫學家Tasuku Honjo教授研究組在1992年首次發現免疫細胞表面的一種特殊蛋白質(PD-1蛋白)[12]，為了研究PD-1 的功能，Tasuku Honjo實驗室將小鼠PD-1 基因敲除，并觀察敲除小鼠。研究團隊發現缺乏 PD-1 的小鼠可發生多種自身免疫病，因為小鼠體內的免疫反應過強，而攻擊自身正常組織[13-14]。因此，Tasuku Honjo認為PD-1 可能是免疫系統的剎車器，進一步研究發現抑制 PD-1后能夠活化 T 細胞，繼而增強機體免疫功能，從而達到治療癌癥的目的。與此相輔相成的是在1992年，美國著名華人免疫科學家陳列平在Cell雜志上首次提出以PD-1配體(B7-H1)為靶點的免疫治療設想，開創了腫瘤免疫治療的全新理念，并且陳列平教授的發現是人類首次在動物實驗中觀察到，惡性腫瘤可以用免疫療法徹底治愈[15]。在此基礎上，免疫學界開啟了對抗腫瘤的新方法——免疫檢查點阻斷療法。

2.2 免疫檢查點藥物的臨床應用

由于腫瘤免疫檢查點阻斷療法在動物實驗中取得令人振奮的結果，備受鼓舞的James P. Allison迫不及待地想在腫瘤患者中驗證其療效。2000年，生物技術公司Medarex按照James P. Allison的方法，制備出可在人體使用的CTLA-4單克隆抗體——伊匹單抗(Ipilimumab)。2010年，Ipilimumab的第一個Ⅲ期臨床試驗結果公布：與傳統療法相比，Ipilimumab 能將晚期黑色素瘤(metastatic melanoma)的存活時間從6.4個月延長到10個月(P<0.001)。2011年，美國食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration， FDA)批準Ipilimumab用于晚期黑色素瘤治療——這是第一個獲批的腫瘤免疫檢查點阻斷劑。

繼Ipilimumab之后，越來越多科學家認識到免疫檢查點療法的重要性。Tasuku Honjo自從發現PD-1后，多年來堅持探索其功能。2000年，Tasuku Honjo教授與哈佛醫學院的Gordon J.Freeman發現B7家族新成員PD-L1能夠與T細胞表面的PD-1結合抑制T細胞活化，參與腫瘤免疫逃逸[16]。陳列平教授則第一個使用單克隆抗體阻斷PD-1的抑制效應，發起并參與組織了PD-1免疫療法的第一個臨床試驗[17]。在此期間，Tasuku Honjo教授帶領他的研究團隊，從 PD-1 抗體的動物實驗開始[18](圖4)，之后又與藥廠合作在美國及日本進行針對PD-1的新藥研發，2014年PD-1阻斷藥物納武單抗OPDIVO(Nivolumab)在日本首先獲得批準。這一新藥作為具有劃時代意義的“癌癥免疫療法”備受世界矚目，該療法同時也被Science評選為2013年的 “年度突破” 之一。

PD-1抑制劑的出現，使得免疫療法的治療范圍從轉移性黑色素瘤擴展到了包括肺癌、腎癌、頭頸癌、淋巴瘤等在內的多種腫瘤。目前為止，FDA已經批準5個PD-1/PD-L1藥物上市用于臨床治療，包括PD-1抑制劑Nivolumab和Pembrolizumab，以及PD-L1抑制劑Atezolizumab、Avelumab和Durvalumab；而我國國家藥品監督管理局也于今年6月份批準PD-1抑制劑納武利尤單抗注射液(Nivolumab infection)在中國上市應用，突顯了我國對腫瘤免疫檢查點療法的重視。由此，由艾利森開啟并發展的免疫檢查點療法方興未艾。其原理如圖5所示。

圖4 PD-1單克隆抗體的抑瘤效應[1]

Tasuku Honjo及其合作者發現：抗PD-1單克隆抗體應用荷瘤(轉移性黑色素瘤)小鼠后能夠阻斷PD-1的抑制效應(解除剎車)，控制腫瘤生長。

圖5 CTLA-4和PD-1的免疫抑制作用及相應抗體的剎車效應[1]

A：T細胞激活需要雙信號：一是T細胞受體(TCR)識別結合抗原提呈細胞(APC)表面的MHC-抗原肽復合物；二是T細胞表面CD28與APC表面B7分子結合的共刺激信號； 而CTLA-4則作為“剎車”與B7結合抑制T細胞的活化。B：抗CTLA-4抗體(綠色)可阻斷“剎車”功能，導致T細胞激活，攻擊癌細胞。C：PD-1是另一種抑制T細胞活化的“剎車”分子。D：抗PD-1抗體可阻斷“剎車”功能，導致T細胞激活，高效攻擊癌細胞。

2.3 科學意義與展望

和傳統的抗癌化療藥物和靶向腫瘤表面抗原的靶向藥物相比，免疫檢查點療法所用的CTLA-4和PD-1單克隆抗體具有獨特優勢：首先,它通過抑制CTLA-4和PD-1的作用，使腫瘤微環境中的免疫功能“正常化”，可針對多種癌癥發揮作用；其次,它的不良反應相對較小；第三，目前用于無其它療法可用的晚期癌癥患者，可多次給藥。這使得免疫檢查點藥物能夠成為治療多種類型癌癥的廣譜免疫制劑。最新臨床研究結果顯示，同時靶向CTLA-4和PD-1的聯合療法或許能夠更有效地治療黑色素瘤患者[19]。因此，同時針對多個免疫檢查點的聯合免疫治療、手術/化學藥物治療/放射治療聯合免疫治療、如何提高免疫治療的反應率、如何控制免疫治療成本從而降低昂貴的價格，以及針對自身免疫病等其他類疾病的免疫治療等，將是該類藥物接下來的研究方向和需要解決的重要問題。