免疫相關副反應發病機制及預測因子的研究進展

范銀星 柴榮 韓一平

海軍軍醫大學附屬長海醫院呼吸與危重癥科,上海 200433

免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitors,ICPis)近年來發展迅速,其中細胞毒T 淋巴細胞抗原4(cytotoxie T lymphocyte-associated antigen-4,CTLA-4)和程序性細胞死亡受體1/配體1(programmable cell death protein 1/L1,PD-1/L1)抑制劑是最主要的2種[1]。多種腫瘤的臨床研究結果證實,ICPis一旦產生應答,有實現腫瘤長期控制的可能[2-3],但伴發的免疫相關不良反應(immune-related adverse events,irAE)常成為ICPis應用的阻礙。因此,深入研究irAE發生的機制,發現具有早期預測作用的生物標記物對提高ICPis的有效性、安全性和耐受性具有重要意義。本文從irAE 的概況、irAE 的發生機制及預測irAE的標記物3個方面對irAE 研究進展進行綜述。

1 irAE的概況

irAE是由免疫系統非特異性激活引起的,全身系統均可受累,大部分irAE 程度較輕且可逆,也有部分irAE 存在致命可能,ICPis治療初始的6個月內是發生irAE 的高峰期[4-5],但治療全程乃至治療結束后均有發生irAE 的風險。Wang等[6]的meta分析顯示,3 545例ICPis治療患者的總體死亡率為0.6%,最主要的致死原因有結腸炎、神經毒性、肺炎、肝炎和心肌炎。不同ICPis的irAE 發病情況差異較大,通常CTLA-4抑制劑irAE發生率和嚴重程度均高于PD-1/L1抑制劑[7]。約90%CTLA-4治療患者會發生不同程度的irAE,嚴重irAE 的發生率為10%～42%,PD-1/L1抑制劑irAE 總發生率約70%,11%～20%的患者表現較為嚴重[8]。對于ICPis聯合治療,嚴重irAE 的發生率明顯增高[9]。目前,irAE的治療多基于臨床經驗,多家權威腫瘤治療機構已發布了irAE 的臨床管控指南[10-11]。治療根據不良反應通用術語標準分4個等級,輕度irAE 無需停藥,僅需對癥處理或口服小劑量激素;中重度irAE 治療首先需停用ICPis,之后根據具體表現選擇激素或免疫抑制劑等多種治療方法。

2 irAE發生機制的研究進展

ICPis引發irAE的機制尚不清楚,現研究表明有多種機制參與其中,包括ICPis與非腫瘤組織上的靶分子結合誘導下游的免疫反應,新型T 細胞或耗竭T 細胞對非靶組織上有交叉反應的抗原再次激活,自身抗體以及炎性細胞因子的產生等。

2.1 非腫瘤組織表達ICPis識別的靶點 不同ICPis引發的irAE 表現出顯著的器官特異性,CTLA-4抑制劑相關腸炎和垂體炎發生率比PD-1/L1抑制劑高6～9倍,而PD-1/L1抑制劑相關肺炎和甲狀腺炎發生率比CTLA-4 抑制劑高6倍[12],這可能與不同組織表達免疫檢查點組分的差異相關。Iwama等[13]研究發現,小鼠反復接受CTLA-4單抗注射后,垂體出現大量淋巴細胞浸潤,外周血垂體抗體水平升高,在20例黑色素瘤患者中同樣發現,采用Ipilimumab前所有患者外周血垂體抗體均為陰性,治療后發生垂體炎的7例患者垂體抗體轉為陽性,而未發生垂體炎的13例患者垂體抗體仍為陰性。該研究間接證實垂體組織細胞可能表達某種特異性抗原,被CTLA-4單抗激活的T 細胞識別后產生了垂體抗體,從而導致垂體炎。Caturegli等[14]的研究則直接證實垂體細胞中表達的CTLA-4抗原起到新抗原的作用,與外源性CTLA-4抗體結合引發免疫反應,破壞垂體實質導致垂體炎的發生。該研究組收集6 例接受過Ipilimumab治療的患者尸檢的垂體切片,通過免疫組織化學染色檢測垂體前葉素、免疫細胞、免疫球蛋白、補體和CTLA-4抗原表達情況,結果發現發生嚴重垂體炎的患者CTLA-4抗原水平最高,且CTLA-4抗原的高表達與T 細胞浸潤和IgG 依賴性補體結合以及吞噬作用呈正相關性。其他組織器官是否因表達類似ICPis可識別的靶點導致irAE,仍有待進一步研究證實。

2.2 ICPis誘發新抗原特異性T 細胞或先前休眠的抗原特異性T 細胞的重新激活 一項ICPis聯用引發嚴重心肌炎的研究發現[15],炎性改變的心肌細胞中有大量CD4+、CD8+T 細胞浸潤,而沒有B細胞或自身抗體,且浸潤心肌和腫瘤組織的T 細胞屬于同一克隆,表明心肌和腫瘤組織表達的共同抗原可激活這種特異性T 細胞從而引發心肌炎。Shirali等[16]報道,6例有長期服用致腎炎風險藥物病史的非小細胞肺癌患者,在采用Nivolumab一定療程后均出現急性間質性腎炎。Koda等[17]也有類似的個案報道,兩項研究的腎穿結果均發現腎小管間質中有大量CD4+T細胞浸潤,由此認為,PD-1抑制劑可能重新激活了原本對致腎炎藥物免疫耐受的效應性T 細胞的活性,使其產生特異性免疫反應引起腎功能損傷。以上研究中大部分患者停用致腎炎藥后腎功能可部分自行恢復,亦證實了這種假說的合理性。

2.3 自身抗體的產生 Osorio等[18]研究發現,80%治療前抗甲狀腺抗體陽性的患者在pembrolizumab治療過程中發生了自身免疫性甲狀腺炎,表明PD-1抑制劑可增強先前存在的抗甲狀腺抗體活性,這可能是甲狀腺irAE的重要病因。另外,抗雙鏈DNA 和抗核抗原抗體是自身免疫性疾病常見的致病性抗體,Fadel等[19]報道,采用Ipilimumab 2個療程后出現了狼瘡樣腎小球腎炎的患者,外周血中檢測出抗雙鏈DNA 和抗核抗原抗體,這些自身抗體在停藥3個月后自行轉陰,患者的腎功能也逐步恢復正常,進一步表明自身抗體致irAE的可能。新近,Das等[20]研究發現,接受ICPis聯合治療的黑色素瘤患者外周血循環B 細胞總數顯著少于單藥治療患者,但漿細胞比例顯著升高。漿細胞是分泌介導固有免疫反應抗體的主要細胞,這可能是ICPis聯合治療irAE發生率高的原因之一。至今相關研究較少,但綜上所見,自身抗體在irAE的發生過程中發揮了重要的作用。

2.4 細胞因子的產生 irAE 是一種自身免疫相關的炎癥反應,細胞因子在其中發揮了重要的作用。IL-17主要由輔助性T 細胞17(T helper cell17,Th17)分泌,它是一種促炎細胞因子,已被證實在多種自身免疫疾病中發揮作用。CTLA-4抑制劑可激活多種T 細胞亞型,包括Th17,從而刺激IL-17分泌誘發自身免疫反應[21]。Tarhini等[22]報道,Ipilimumab治療黑色素瘤并發腸炎的患者血中IL-17 顯著升高。在CTLA-4 相關腸炎小鼠模型外周血中也觀察到IL-17的升高[23],這些研究為IL-17阻滯劑治療ICPis相關腸炎提供了一定的理論支持。但IL-17阻滯劑有減弱ICPis抗腫瘤作用的風險[24],也需引起足夠的重視。也有其他細胞因子的相關研究,Johnson等[15]研究發現,ICPis相關心肌炎患者的心臟、骨骼肌和腫瘤細胞中,包括趨化因子配體10 在內的多種炎性因子的RNA 轉錄水平上調。Murakami等[25]報道,ICPis相關急性間質性腎炎患者血漿中促炎因子IL-1Ra、趨化因子配體10和腫瘤壞死因子均顯著升高。不同的細胞因子在irAE的發生過程中具體起到何種作用還需要進一步深入研究。

irAE的發生主要與免疫功能紊亂相關,而其表現出的異質性,包括受累器官的廣泛性,臨床表現的多樣性以及嚴重程度的差異性均提示以上的研究結果不能完全解釋irAE的發生機制,未來需要更加全面深入的觀察與研究。

3 irAE的預測標記物

隨著irAE發病機制研究的深入,irAE 預測標記物的相關研究發展迅速,目前已發現腸道菌群、免疫細胞浸潤、基因突變多態性、自身抗原抗體以及某些炎性因子具有一定的預測價值。

3.1 腸道菌群成分的改變 人體腸道內大約寄生著1 014個細菌,共有約300～1 000個不同種類,統稱為腸道共生菌群,這些菌群的基因總數是人體基因的100倍[26]。腸道菌群參與人體多種病理生理過程,在調節宿主免疫應答方面有重要的作用[27]。腸道菌群對ICPis治療有效性和毒性反應的影響近年來受到極大的關注。Vétizou 等[28]發現,腸道無菌的MCA205肉瘤小鼠經強飼脆弱擬桿菌和洋蔥伯克霍爾德氏菌后腹腔注射CTLA-4單抗,20 d后小鼠結腸黏膜微損傷程度明顯輕于未強飼細菌的小鼠。這種保護作用被認為與脆弱擬桿菌調動樹突狀細胞,促進黏膜上的可誘導共刺激分子表達的調節性T 細胞(regulatory T cells,Tregs)增殖有關[29]。Sivan等[30]報道,通過給小鼠強飼或糞菌移植雙歧桿菌,可明顯增強PD-1/L1抑制劑控制腫瘤生長的作用,并減輕細胞毒性T 淋巴細胞介導的免疫反應,機制研究發現雙歧桿菌處理后的小鼠腫瘤微環境中浸潤了大量CD8+T 細胞和腫瘤特異性T 細胞,提示雙歧桿菌是以非抗原依賴性方式改善小鼠抗腫瘤免疫功能。

來自人群的相關研究證實了腸道菌群的作用。Routy等[31]發現,在ICPis治療前或治療初始應用廣譜抗生素與未用抗生素的患者相比,疾病無進展時間(3.5月比4.1月,P=0.017)和總生存期(11.5月比20.6月,P＜0.001)均顯著縮短,這種負性作用可能與廣譜抗生素破壞腸道菌群組成相關。Dubin等[32]報道,Ipilimumab治療的黑色素瘤患者中,擬桿菌門細菌比例高的患者發生腸炎的風險顯著降低,機制研究發現,缺乏細菌多胺轉運和B組維生素合成的遺傳途徑與結腸炎風險增加相關。Chaput和Frankel等[33-34]均發現,Ipilimumab治療的患者糞菌類群中,厚壁菌門的瘤胃菌科(如普拉梭菌)的豐度較高而擬桿菌門豐度低的患者發生結腸炎的風險更高。以上研究均證實腸道菌群對ICPis治療存在重要的影響,檢測腸道菌群的組成是預測ICPis 有效性和irAE 發生風險的潛在方法。16sRNA 測序平臺是常用的檢測細菌種類的方法,但由于平臺及患者個體差異較大,目前不能明確具有改善預后作用的菌群,但通過服用或糞菌移植具有改善預后作用的菌群提高ICPis治療的有效性,降低irAE 的發生率,將是未來研究的重要方向。

3.2 外周血和腫瘤微環境中不同亞型的免疫細胞浸潤 目前關于Tregs、嗜酸粒細胞和B細胞的研究較多。Tregs是效應性T 細胞的負性調節細胞,生理情況下主要參與維持免疫耐受和免疫穩態。腫瘤浸潤性Tregs可以上調腫瘤微環境中PDL-1、PDL-2、IL-1R2和趨化因子受體8 等負性免疫檢查點的表達,幫助腫瘤細胞免疫逃逸。研究表明,CTLA-4單抗發揮抗腫瘤活性的重要途徑之一就是選擇性減少瘤內Tregs[35],同時,也是導致自身免疫易感性的增加的原因[36]。Liu等[37]報道,Tregs的消耗可能是受累器官中效應性T 細胞增加和血液中干擾素-γ及腫瘤壞死因子水平升高介導的。另外,Tregs在腸道免疫耐受中也有重要的作用,已經發現一些腸道共生菌如普拉梭菌可增加Tregs水平,這可能是腸道某些共生菌群導致腸炎風險增高的機制之一[33]。

關于嗜酸粒細胞,Jaber等[38]報道,抗CTLA-4 治療發生皮膚irAE的患者外周血和受累皮膚中嗜酸粒細胞顯著增加。雖然PD-1/L1抑制劑治療尚未發現類似的關聯[39],但在對ICPis聯合治療導致的皮膚紅斑病理活檢時發現不同程度的嗜酸粒細胞的浸潤[40],均提示嗜酸粒細胞有作為潛在預測因子的可能。

B細胞也在irAE中發揮了作用,Das等[20]發現,ICPis聯合治療早期,外周血B細胞的變化與3/4級irAE顯著相關,發生3/4級irAE患者的B細胞總數下降,但記憶性B 細胞亞型CD21lowB 細胞和漿細胞比例上升,CD21lowB細胞表面淋巴組織歸巢相關因子CXCR4 和CXCR5表達水平較低,表明CD21lowB 細胞向非淋巴組織浸潤的能力較強,可能有助于介導的炎癥發生。因此,外周血B細胞計數和B 細胞亞型分析有預測irAE 發生的潛在價值。檢測免疫細胞預測irAE仍處于初始階段,但新型流式細胞分析平臺可以以生物學相關行為定義免疫細胞亞群,為明確具有預測價值的免疫細胞亞型提供了可能[41]。

3.3 基因多態性 CTLA-4和PD1/PD-L1通路在抑制自身反應性T 細胞活性和維持機體免疫耐受中起關鍵作用,CTLA-4基因功能性突變很常見,這是宿主維持對病毒或胞內感染抵抗性的重要機制[42]。有研究發現,CTLA-4和PD1/PD-L1的這種基因多態性與多種自身免疫疾病相關[43-44]。而irAE與自身免疫性疾病有很多相似的臨床表現,可見CTLA4和PD1/PDL-1通路以及其他免疫調節途徑的基因變異對irAE 的易感性有潛在的預測作用。Patil等[45]對ICPis治療的黑色素瘤患者的腫瘤樣本進行全外顯子測序,發現了14 個突變基因在發生結腸炎的患者中富集。基因組全外顯子測序檢測腫瘤突變負荷已被證實有預測ICPis有效性的作用[46],類似的方法是否可預測irAE仍需深入研究。

3.4 自身抗原抗體 在ICPis治療過程中監測某些自身特異性抗原抗體的變化可能是預測irAE 的有效方法。Kobayashi等[47]研究證實,在Nivolumab治療開始后的24周內,甲狀腺irAE在抗甲狀腺抗體陽性組(3/6)的發生率顯著高于抗體陰性組(1/60)(P＜0.001)。一項Ipilimumab聯合卡介苗治療轉移性黑色素瘤的1期臨床試驗發現[48],2例發生嚴重irAE的患者外周血中自身抗體水平顯著升高,而且這些自身抗體在irAE出現之前即已被檢測到,表明動態監測自身抗體譜可能是預測irAE 的方法。目前蛋白質微陣列技術可同時檢測針對大量靶標的特異性抗體,應用這種技術對比發生和未發生irAE患者循環自身抗體的差別和治療過程中自身抗體水平的變化,可從中篩選潛在的預測irAE標記物。

3.5 免疫細胞釋放的細胞因子 IL-17在腸道irAE發生過程中起到了重要的作用[22-23],Tarhini等[49]研究發現,如IL-17基線水平較高,則Ipilimumab治療引發3～4級結腸炎的風險增加,表明IL-17 有腸道irAE 預測價值。Fujimura等[50]對Th17另一個標記物趨化因子配體5和腫瘤相關巨噬細胞標記物可溶性CD163 的研究發現,發生irAE的患者組血漿可溶性CD163和CXCL5較基線顯著升高,提示可溶性CD163和趨化因子配體5可能有預測irAE的作用。Matsuo等[51]評估PD-1抑制劑應用前后外周血中88種可溶性免疫介質水平的變化與預后和irAE 的相關性發現,治療前后外周血CXCL2水平下降和基質金屬蛋白酶2水平上升的患者無進展時間和總生存期顯著延長,而irAE發生率也相對較高。以上研究提示細胞因子與irAE的發生存在密切的關系,但距離應用于預測irAE的發生還有很長的路要走。

4 展望

ICPis的臨床應用發展迅速,不同ICPis的聯合,與化療、放療、靶向藥物、血管內皮抑制劑等其他治療方法的聯合以及可手術患者的早期輔助治療的臨床試驗正如火如荼的開展,ICPis未來必將全面改變多種腫瘤的治療策略。irAE無疑是拓展ICPis應用的阻礙,目前我們對irAE的研究尚淺,但最新的DNA、RNA、蛋白質組學檢測技術可以幫助我們逐步了解irAE 發生的機制,發現預測irAE 的標記物,篩選出irAE 發生風險較高的患者,最終達到提高ICPis治療的安全性與有效性的目的。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突