《自然》子刊:PD-1抗体竟还会杀死T细胞!科学家发现,PD-1抗体会引起没活化完全的T细胞失能、死亡,最终导致耐药丨科学大发现

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  免疫学家Samir N. Khleif团队的研究,着实让我大吃一惊。
  他们发现[1],PD-1抗体竟然会对没有被肿瘤相关抗原激活,或者激活不充分的杀伤性T细胞下手,导致这些细胞功能紊乱,最终抑制有抗肿瘤活性T细胞的抗癌能力,甚至杀死这些能抗癌的T细胞。
  而之前已经有大量的研究表明,在很多肿瘤患者体内,存在大量没有被肿瘤相关抗原激活,或者激活不充分的杀伤性T细胞[2-4]。
  难怪PD-1抗体对那么多癌症患者无效。
  Khleif团队的这个重要研究成果发表在著名期刊《自然·免疫学》上。在这个研究中,他们还发现,在PD-1抗体治疗的同时,如果给肿瘤小鼠足够的抗原刺激,例如抗癌疫苗治疗,就可以解除肿瘤对PD-1抗体的耐药性。但是,在PD-1抗体治疗之后再使用抗癌疫苗治疗则无效,甚至连抗癌疫苗的抗癌效果都被消解了。
  “这个研究最让我们惊讶的地方在于,抗癌药物PD-1抗体竟然也有可能会耍流氓,并一手造成最终的治疗失败”,Khleif教授在接受采访时说[5]。
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▲ Samir N. Khleif教授
  Khleif教授是研究抗癌疫苗(肿瘤特异性抗原)的专家。为了解决大部分癌症对PD-1抗体的耐药性,他的团队尝试将抗癌疫苗与PD-1抗体联合使用。
  毕竟从理论上讲,抗癌疫苗可以增加杀伤性T细胞的抗原暴露和激活,而PD-1抗体可以解除肿瘤对免疫细胞的抑制[6]。把这两个疗法联合使用,确实是优势互补。
  不过,Khleif教授团队的Vivek Verma在做实验的时候,却在对PD-1抗体耐药的肿瘤小鼠模型上发现了一个奇怪的现象。
  给小鼠单独注射PD-1抗体,与不治疗的对照组相比,杀伤性T细胞和抗原特异性杀伤性T细胞都没有显著的差异,小鼠的肿瘤也没啥变化。这个挺正常。毕竟耐药了。
  给小鼠单独注射抗癌疫苗,小鼠体内的抗原特异性杀伤性T细胞数量增多了。这不难理解,疫苗发挥了自己作用。只不过抗癌效果不明显,而且小鼠的肿瘤没变化。而把疫苗和PD-1抗体同时注射给小鼠,抗原特异性杀伤性T细胞数量就更多了,小鼠的存活率明显提高了。说明二者的联合确实是增效的。
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▲ 四组小鼠的肿瘤长势以及小鼠的存活率变化
  最后一组先注射PD-1抗体,三天后再注射抗癌疫苗的小鼠出问题了。
  小鼠的肿瘤生长失控了,PD-1抗体联合抗癌疫苗完全无效,就像没有接受治疗一样。
  发现异常的Verma,在其他PD-1抗体耐药的肿瘤小鼠模型上重做了一遍实验,结果一致。
  这个意外让他意识到,这些肿瘤对PD-1抗体耐药,很有可能是杀伤性T细胞被抗原刺激不够造成的。这一点在随后的研究中得以证实,确实是PD-1抗体影响了没被抗原充分激活的T细胞,导致了肿瘤对PD-1抗体的耐药性。
  这就是个大发现了,毕竟激活不充分的T细胞在各癌种中广泛存在。找出背后原因,就有望解决很大一部分患者的耐药问题。
  既然推测问题出在T细胞上,那就得从这类细胞着手。
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▲ 该图片由PublicDomainPictures在Pixabay上发布
  Verma先比较了只用抗癌疫苗,抗癌疫苗与PD-1抗体同时使用,以及先用PD-1抗体,再用抗癌疫苗,三种情况下小鼠体内T细胞的差异。他发现,在抗癌疫苗之前使用PD-1抗体,会导致小鼠体内总T细胞和抗原特异性T细胞的凋亡性死亡增加。而且这种凋亡可以持续到疫苗注射后的13天。在多种肿瘤模型中均可观察到这个现象。
  而且Verma还发现,T细胞的凋亡不是PD-1抗体激活活化诱导的细胞死亡(AICD),而极有可能是PD-1信号与TCR信号的串扰[7-9],导致T细胞功能紊乱,最终走向死亡。
  那么PD-1抗体的使用,究竟对T细胞产生了怎样的影响呢?
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▲ 该图片由allinonemovie在Pixabay上发布
  Verma注意到,早在两年前,科学家在对PD-1抗体耐药的肿瘤中发现了一类CD38高表达的PD-1阳性杀伤性T细胞[10]。这群细胞会不会跟这个反常现象有关呢?
  仔细一分析,Verma发现,疫苗治疗之前接受PD-1抗体治疗的策略,确实会导致T细胞CD38表达的增加,无论是总的T细胞,还是抗原特异性T细胞,CD38的表达都会增加,而且这些T细胞即使在被抗原刺激后,也不能产生INF-γ。
  而同时使用疫苗和PD-1抗体,CD38表达水平则会下降,PD-1阳性CD38高表达的抗原特异性T细胞也减少,抗原刺激之后,INF-γ大量产生。
  还有个奇怪的现象是,CD38高表达的T细胞在被抗原刺激之后,会凋亡。
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▲ 该图片由skeeze在Pixabay上发布
  为了进一步证实确实是CD38高表达的T细胞在捣鬼,Verma又做了一个实验。
  他先用PD-1抗体处理CD8阳性T细胞,然后用抗原处理,让这些免疫细胞里面出现大量CD38高表达杀伤性T细胞(大约占30%左右)。然后将这些免疫细胞均分两份,其中一份直接注射到肿瘤小鼠体内;另一份先清除里面的CD38高表达杀伤性T细胞,然后在注射到小鼠体内。
  你猜猜Verma发现了啥?清除CD38高表达杀伤性T细胞的那份展现出强烈的抗癌效果,活化的CD8阳性T细胞的抗癌活性都增强了。
  这就证明CD38高表达杀伤性T细胞确实是内鬼。
  那这种细胞的异常是CD38导致的么?还是说CD38只是个表象?
  为了搞清楚CD38在其中的作用,Verma用RNA干扰技术消除了这群细胞的CD38,结果发现这些细胞重新获得增殖、激活和表达效应分子的能力。
  这就表明这个CD38啊,它不仅仅是个告诉我们细胞废了的摆设,还是调节CD8阳性T细胞功能失调的关键。
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▲ 证明CD38高表达细胞是捣乱分子的过程
  不过,略显遗憾的是,Khleif团队没有深入探讨CD38高表达T细胞是如何影响其他杀伤性T细胞的抗癌活性的。毕竟有它们在的话,即使有更多有抗癌活性的T细胞在场,抗癌效果也消失了。这究竟是怎么回事儿呢?恐怕还需要这个研究团队深入的探索。
  对于这个问题,Khleif团队有一些猜想。
  他们认为,这可能是由于这些CD38高表达细胞发挥了主导战局的作用。也有可能是这些内鬼细胞通过消耗必需的营养物质,主动抑制了其他的有抗癌活性的T细胞[7];这又进一步导致大量的杀伤性T细胞因凋亡被激活而死亡[8]。
  当然,这些都是根据之前研究成果做的猜测,具体原因还需要进一步探讨。
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▲ 该图片由allinonemovie在Pixabay上发布
  最后,Khleif团队在一个小型癌症队列中检验了他们的发现。
  他们首先观察到的是,相比于PD-1抗体治疗效果好的患者,那些PD-1抗体治疗无效的患者体内CD38高表达杀伤性T细胞明显高很多。从数量上看,所有PD-1抗体治疗无效的患者肿瘤微环境中CD38高表达杀伤性T细胞都大于4%;而只有25%的PD-1抗体治疗效果好的患者体内有这么多异常T细胞。
  如果以这个标准来判断PD-1抗体的疗效的话,灵敏度为100%,特异性为75%,ROC曲线下面积为0.887。这表明CD38高表达杀伤性T细胞,有成为PD-1抗体疗效预后的生物标志物。而且,通过研究血液样本,他们甚至发现可以直接通过血液中单个核细胞(PBMCs)的CD38水平,就可以预测PD-1抗体的治疗效果。
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▲ 部分机制图(acir.org)
  总的来说,Khleif团队认为,他们这个研究结果表明,杀伤性T细胞的初始状态,是影响PD-1抗体治疗效果主要原因。没有被抗原激活,或者激活不充分的CD8阳性T细胞,在接触PD-1抗体之后,会变成CD38高表达的无功能T细胞,使得肿瘤对PD-1抗体产生耐药性。
  如果在PD-1抗体治疗前,适当地用抗癌疫苗处理,会解除肿瘤对PD-1抗体的耐药性。这也在一定程度上解释了,肿瘤突变负荷高的癌种,更有可能从PD-1抗体治疗中获益的原因。
  这个发现也为PD-1抗体联合抗癌疫苗治疗的临床研究,提供了治疗策略:要首先使用抗癌疫苗,或者至少二者同时使用。
  不过,由于疫苗的制备需要较长的时间,临床研究多是先用PD-1抗体治疗,再上抗癌疫苗。现在看来,该等还是得等一等。
  最后在啰嗦一句:免疫治疗真是比我们想的要复杂的多得多。
  编辑神叨叨
  需要强调的是,本研究中使用的PD-1抗体不是已经上市的PD-1单抗,而是专门为做基础研究设计的鼠源PD-1单抗。
  参考资料:
  [1].Vivek Verma, Rajeev K Shrimali, Shamim Ahmad, et al. PD-1 blockade in subprimed CD8 cells induces dysfunctional PD-1+CD38hi cells and anti-PD-1 resistance[J]. Nature Immunology, 2019: 1231–1243.
  [2].Vonderheide R H. The Immune Revolution: A Case for Priming, Not Checkpoint[J]. Cancer Cell, 2018, 33(4): 563-569.
  [3].Vonderheide R H, Domchek S M, Clark A S, et al. Immunotherapy for Breast Cancer: What Are We Missing?[J]. Clinical Cancer Research, 2017, 23(11): 2640-2646.
  [4].Rizvi N A, Hellmann M D, Snyder A, et al. Mutational landscape determines sensitivity to PD-1 blockade in non–small cell lung cancer[J]. Science, 2015, 348(6230): 124-128.
  [5].https://acir.org/weekly-digests/2019/august/the-timing-of-priming-and-pd-1-blockade
  [6].Kleponis J, Skelton R, Zheng L, et al. Fueling the engine and releasing the break: combinational therapy of cancer vaccines and immune checkpoint inhibitors[J]. Cancer biology and medicine, 2015, 12(3): 201-208.
  [7].Boussiotis V A. Molecular and Biochemical Aspects of the PD-1 Checkpoint Pathway[J]. The New England Journal of Medicine, 2016, 375(18): 1767-1778.
  [8].Yokosuka T, Takamatsu M, Kobayashiimanishi W, et al. Programmed cell death 1 forms negative costimulatory microclusters that directly inhibit T cell receptor signaling by recruiting phosphatase SHP2[J]. Journal of Experimental Medicine, 2012, 209(6): 1201-1217.
  [9].Pageon S V, Tabarin T, Yamamoto Y, et al. Functional role of T-cell receptor nanoclusters in signal initiation and antigen discrimination[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(37).
  [10].Philip M, Fairchild L, Sun L, et al. Chromatin states define tumour-specific T cell dysfunction and reprogramming[J]. Nature, 2017, 545(7655): 452-456.
责任编辑: 夢奕新
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