深度解讀：免疫療法為啥能獲諾貝爾生理學或醫學獎
來源：學術經緯微信公眾號
昨日，萬眾矚目的諾貝爾生理學或醫學獎公佈了獲獎者名單，免疫療法先驅James Allison教授與本庶佑教授摘得桂冠。正如眾人所說的那般，Allison教授與本庶佑教授，以及其他科研人員在免疫療法上的開拓性貢獻，徹底改變了人類對抗癌症的格局。
免疫系統與癌症
用免疫系統對抗疾病並不是什麼新鮮事。據記載，在1718年，一名英國外交官的夫人在伊斯坦布林觀察到，“人痘接種”在當地非常流行。這是指將天花患者的痘疤磨成粉末，或是直接從患者身上獲取膿汁，讓其接觸正常人。當時的人們還不知道免疫系統的工作機制，但他們知道，這樣做能將天花高達30%的致死率降到1%-2%。
▲“疫苗之父”愛德華·詹納（圖片來源：See page for author [CC BY 4.0 （https：//creativecommons.org/licenses/by/4.0）]， via Wikimedia Commons）
不久後，人類在天花的預防上又取得了重大突破。1796年，英國皇家學會會員愛德華·詹納（Edward Jenner）用實驗證明，牛痘能讓人類對天花產生免疫力。詹納本人因此被譽為“疫苗之父”，他的發現更是啟發了後人對免疫能力的研究——1882年，埃黎耶·梅契尼可夫（Ilya Mechnikov）基於對吞噬作用的觀察，提出了首個關於免疫的完整理論；路易·巴斯德（Louis Pasteur）則發展了關於細菌致病的相應理論，併為人類帶來了狂犬病疫苗和炭疽病疫苗。
這些天才憑藉免疫學研究在全球獲得了顯赫聲名，相比之下，威廉·科萊（William Coley）醫生的名氣就要小得多。但在當時的腫瘤治療領域，許多人都聽說過他的激進療法。在對大量癌症病例進行分析後，科萊醫生髮現與惡性腫瘤相伴的感染，看似能帶來病情的緩解。其中，由鏈球菌引起的丹毒症狀，與軟組織肉瘤的緩解之間，有著非常明顯的關聯。於是，他決定給癌症患者注射細菌或細菌產物，緩解他們的病情。
▲現代不少科學家認為威廉·科萊醫生是免疫療法最早的開拓者之一（圖片來源：See page for author [CC BY 4.0 （https：//creativecommons.org/licenses/by/4.0）]， via Wikimedia Commons）
1891年，科萊醫生在一名病情已無法通過手術控制的癌症患者身上，注射了鏈球菌。如他想象中的一樣，患者的腫瘤尺寸變小了。於是在接下來40年的行醫生涯中，他為超過1000名癌症患者進行了相近的治療，並聲稱在骨瘤和軟組織肉瘤上取得了傑出的療效。
但質疑的聲音從未停止。一方面，部分注射了細菌或其產物的患者死於敗血症；另一方面，許多醫生也不相信簡單的細菌產物能在癌症治療上有什麼效果。儘管科萊醫生最終被譽為“免疫療法之父”，但在當時，人們管他的療法叫做“科萊毒素”。隨著放療與化療的發展，科萊醫生的療法逐漸被人遺忘。癌症與免疫系統的第一次交鋒，就這樣草草收場。
T細胞的啟用
在上世紀60年代，人們發現了一種叫做T細胞的白細胞。從功能上看，它對免疫系統至關重要——自誕生後，我們體內的T細胞就會慢慢發育，並學會識別身體中的異常。等到它們成熟後，一旦發現微生物入侵，或是惡化的細胞，就會開始增殖，並讓免疫系統對威脅發起攻擊。
▲T細胞是人類免疫系統的重要組成部分（圖片來源：By NIAID/NIH （NIAID Flickr‘s photostream） [Public domain]， via Wikimedia Commons）
T細胞是怎麼識別這些威脅的呢？原來在它們表面，存在一種叫做T細胞受體（TCR）的分子。這種分子能識別外來細胞表面呈現的異體蛋白，從而啟用T細胞引起免疫反應，殺死那些表現出異常的細胞。
這個發現馬上讓科學家們重燃用免疫系統對抗癌症的希望。我們知道，癌細胞就是一類與正常細胞有明顯區別的細胞，它們表面有一些看似奇怪的蛋白分子。如果T細胞能識別這些分子，並隨之攻擊癌細胞，豈不美哉？
然而初步的研究卻進行得相當不順。人們逐漸意識到，僅僅讓幼稚T細胞（naïve T cells）與異體蛋白相結合，還不足以引起強烈的免疫反應。換句話說，為了讓T細胞生效，我們還需要找到其他的核心因子。
▲CD28（綠色）與相應抗體結合時的結構（圖片來源：By Original uploaded by Deglr6328 （Transfered by Vojtech.dostal） （Original uploaded on en.wikipedia） [GFDL （http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html） or CC-BY-SA-3.0 （http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/）]， via Wikimedia Commons）
進一步的研究發現，T細胞表面一種叫做CD28的蛋白可能是它生效的關鍵。James Allison教授與他的團隊證明了這一點——他們證明，一旦幼稚T細胞表面的CD28與TCR同時被啟用，就足以讓這些細胞增殖，並保持啟用狀態。
T細胞表面上還有其他分子可能參與這個過程嗎？序列分析發現，一種叫做CTLA-4的蛋白與CD28非常相似。為此，包括James Allison教授在內的諸多免疫學家又將注意力轉向了CTLA-4，試圖理解它的功能。
當時誰也沒有想到，數十年後，針對CTLA-4的研究竟給人類的癌症治療帶來了顛覆性的影響。
鬆開啟用T細胞的剎車
最初，很多科學家認為CTLA-4只是CD28的一個補充。萬萬沒想到，在上世紀90年代初的一系列研究，竟然沒有得出一個統一的結論——最早的一些研究發現它能增強T細胞的啟用，與預期一致。然而Allison教授團隊，以及Jeffrey Bluestone教授（加州大學舊金山分校）與Craig Thompson教授（紀念斯隆-凱特琳癌症中心）的聯合團隊獨立發現，結論不能下得太早。這些實驗結果固然可以理解為“踩下油門”，也可以理解為“鬆開剎車”。
CTLA-4究竟是油門，還是剎車？為了回答這個問題，這兩支團隊又進行了深度探索，並指出CTLA-4的確起到了抑制T細胞啟用的作用。這樣一來，一幅關於T細胞活性調控的畫卷就徐徐展現在了人類面前：儘管CD28與CTLA-4結構接近，但兩者功能截然相反。前者是油門，後者是剎車。這其實很合理。為了防止T細胞過度活躍導致自身免疫疾病，負面調控是必不可少的。
但並非所有的科學家都接受這一結論，關於CTLA-4的具體功能也一直未能有定論。直到這兩支團隊構建出了缺乏CTLA-4的小鼠，才用確鑿的證據讓反對者噤聲。研究表明，缺乏CTLA-4的小鼠，器官內充滿了T細胞，且只能存活短短几周。這清楚地表明，CTLA-4的確抑制了T細胞的功能。
而Allison教授敏銳地意識到，這個發現可能會帶來突破性的抗癌療法。在他看來，諸多癌症疫苗之所以不起效，是由於T細胞上的CTLA-4也會被啟用，抑制T細胞的活性。因此，如果能抑制CTLA-4的功能，也許就可以讓T細胞盡情發揮潛力，對癌細胞進行攻擊。
▲研究人員們用確鑿的證據表明，抑制CTLA-4能增強抗腫瘤效果（圖片來源：參考資料[2]）
為了測試這一假設，他的團隊開發了一種抗CTLA-4的抗體，以抑制其功能。一系列實驗結果表明，這種抗體具有一定的抗癌潛力。首先，在一些容易產生腫瘤的小鼠中，一旦接受了該抗體注射，小鼠就好似對腫瘤有排斥能力一般，不容易產生腫瘤；其次，這種抗腫瘤的效應能讓免疫系統產生記憶。這些對腫瘤有排斥力的小鼠中，對2個月後注射進體內的腫瘤細胞也產生了免疫力；最後，科學家們又在一項經典實驗裡，證實對於已有的腫瘤，CTLA-4抗體能夠起到抑癌的效果。
Allison教授知道，是時候將這個重磅發現轉化為人類抗癌療法了。如果取得成功，這將是人類首次駕馭免疫系統對抗癌症。
免疫療法的誕生
但新藥研發從來不是一條輕鬆的道路。即便是如此重磅的科學發現，也未能立刻贏得醫藥公司的垂青。相反，許多人認為Allison教授的想法“過於激進”。首先，這個想法缺少成功的人類療法作為支援。其次，在缺乏CTLA-4的小鼠中觀察到的副作用，也讓醫藥公司顧慮重重。
這時，一位老朋友向他丟擲了橄欖枝。Allison教授曾經的同事Alan Korman博士當時在一家叫做Medarex的公司任職，而這家公司擁有一項獨特的技術，能夠在小鼠體內開發人源抗體。在與Medarex達成協議後，這家公司開始著力研發針對CTLA-4的抗體。其中，一款叫做ipilimumab的抗體展現出了不俗的潛力，它能有效地結合CTLA-4，並抑制它的功能。
但這並沒有立刻帶來圓滿的結果，相反，這款抗體的後續研發，依舊充滿了坎坷。儘管在難治的轉移性黑色素瘤中展現出了良好的潛力，但正如許多專家所擔心的那樣，這款抗體能帶來“令人擔憂的副作用”。此外，通常用於評估化療效果的臨床試驗標準，也不能很好地應用在這款免疫療法上。我們知道，化療對腫瘤的殺傷快速而直接。一旦接受治療，患者的腫瘤體積會快速出現縮小。相反，免疫療法需要免疫系統的逐漸生效，而這需要時間。因此在免疫療法的治療下，患者短期內的病情不但沒有得到明顯控制，腫瘤還可能繼續生長。
後續的科學家們花了很大的功夫，才找到了評估免疫療法治療效果的標準，並開發了一系列抑制這款療法毒性的技術。功夫不負有心人，在2010年，ipilimumab針對轉移性黑色素瘤的首個3期隨機臨床試驗以大捷收場。研究表明，抗CTLA-4的療法延長了這一疾病的總生存率，這在歷史上還是頭一遭！
一個個令人欣喜的資料接踵而來。歷史上看，罹患這種難治疾病的患者，有一半會在一年內去世。而在免疫療法的治療下，有20%的患者可以活過4年。這一比例在對照組中是0%。2011年，美國FDA批准ipilimumab上市，商品名Yervoy。
▲幾種免疫療法合用，效果更佳（圖片來源：參考資料[3]，Cassio Lynm）
PD-1：另一個幸運的發現
許多重要的科學突破，最初往往來自於幸運的發現。就拿牛痘疫苗來說，現在我們知道，活性得到削減的病原體是疫苗研發的良好出發點，而詹納當年用來接種的病原體，其活性已經得到了天然的“減活”，是一個極為幸運的事件。在上世紀90年代，另一個偶然的發現，為後世帶來了深遠的影響。
當時的日本是全世界的免疫學研究重鎮之一，不少日本科學家發現了全新的細胞因子，鑑定出了它們的相關受體，並闡明瞭其訊號通路，為免疫學的進展做出了重要貢獻。京都大學的本庶佑教授就是諸多免疫學專家之一。他的課題組探明瞭IL-4與IL-5的cDNA序列，並發現了在抗體形成過程中起到重要作用的AID酶。在20多年前，他的課題組將注意力集中在了細胞的程式性死亡（programmed cell death）上。
一位叫做石田靖雄的研究生接過了這個專案。他們獲得了兩種在特殊條件下，會發生程式性死亡的細胞系（LyD9，一種造血祖細胞；2B4.11，一種T細胞雜交瘤細胞），並做出了合理的假設：在細胞啟動程式性死亡的步驟，就會啟動相應的RNA與蛋白合成。如果能找到這些RNA或蛋白質，也許就能發現在其中起到關鍵作用的基因。順著這個思路，研究人員們篩選出了一系列可能參與程式性細胞死亡的cDNA，其中的第一個基因被命名為PD-1（programmed cell death protein 1）。
研究人員們隨後做了一系列的分析，確認了PD-1基因的表達模式。通過這些資料，他們在論文中指出“PD-1基因的啟用，可能參與到了經典的程式性細胞死亡過程中”。由於PD-1在癌症免疫療法中的重要地位，這篇論文至今已被引用超過1600次。但在當時，誰也沒有意識到這個發現的巨大臨床潛力。
PD-1，免疫系統，癌症
人類將PD-1與免疫系統掛起鉤來，還是幾年後的事。在1999年，本庶佑教授的課題組決定在小鼠中敲除PD-1基因，看看它究竟有什麼功能。有趣的是，缺乏PD-1的小鼠，有一半出現了紅斑狼瘡般的症狀，這是一種嚴重的自身免疫疾病。研究人員們據此推斷，這些小鼠體內的免疫系統得到了異常啟用。也就是說，PD-1在小鼠體內，起到了抑制免疫系統的作用。
在與本庶佑教授的合作之下，Arlene Sharpe教授與Gordon Freeman教授隨後找到了PD-1的兩個配體PD-L1與PD-L2，並闡明瞭PD-1參與的訊號通路。研究表明，PD-1的確能抑制T細胞的功能，這也證實了本庶佑教授課題組的猜測。更重要的是，研究人員們在一篇《Nature Immunology》的論文中指出，“在許多腫瘤細胞系中，PD-L1與PD-L2的mRNA水平都有所上調”，暗示了這條通路與癌症有著關聯。
▲在免疫療法問世的道路上，做出了重要科學發現的陳列平教授（圖片來源：耶魯大學官方網站）
而說到PD-1在癌症治療上的應用，就不得不提陳列平教授的名字。1999年，他在梅奧診所的課題組率先發現了PD-L1（當時被稱為B7-H1）。隨後，他的團隊用無可辯駁的證據，表明PD-L1對腫瘤的生存有至關重要的作用。在2002年的一篇《Nature Medicine》論文裡，他們又發現，黑色素瘤與肺癌等腫瘤組織上表達有PD-L1，且能夠促進腫瘤特異T細胞的凋亡，讓它們無法對癌細胞展開攻擊。在一項關鍵的實驗裡，研究人員們還在培養皿中表明，靶向PD-L1的抗體，能逆轉T細胞的這種凋亡！陳列平教授課題組在論文的摘要中富有前瞻性地寫道，“這些發現可能帶來基於T細胞的癌症免疫療法。”
後記
這些發現開啟了一個波瀾壯闊的免疫療法時代。不久後，人類也同樣迎來了針對PD-1/PD-L1通路的免疫療法。與CTLA-4一樣，PD-1也是一種“剎車”。通過抑制PD-1的功能，T細胞也能得到啟用，治療癌症。目前，已有6款PD-1或PD-L1抑制劑獲批。在中國，也有兩款PD-1抑制劑已獲批上市。它們的問世，徹底改變了人類對抗癌症的格局。原本生命僅剩幾個月的患者，如今有一些在治療後，已經活過了10年。
這正是Allison教授，本庶佑教授，以及其他諸多科學家為人類做出的卓越貢獻。在這裡，我們再次祝賀Allison教授與本庶佑教授摘得諾貝爾生理學或醫學獎的桂冠。這是對免疫療法的最好認可！
本文題圖：Photo by Adam Baker， ‘Nobel Prize Medal in Chemistry’ CC BY 4.0 （https：//www.flickr.com/photos/atbaker/8459286843）， via Flickr
參考資料：
[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2018， Retrieved October 1， 2018， from http://www.nobelprizemedicine.org/the-nobel-prize-in-physiology-or-medicine-2018/
[2] Dana R。 Leach （1996）， Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade， Science， DOI： 10.1126/science.271.5256.1734
[3] Unleashing the immune system to combat cancer。 Retrieved September 30， 2018， from http://www.laskerfoundation.org/awards/show/unleashing-immune-system-combat-cancer/
[4] Warren Alpert Foundation Honors Five Pioneers Cancer Immunology。 Retrieved September 30， 2018， from https：//hms.harvard.edu/news/warren-alpert-foundation-honors-five-pioneers-cancer-immunology
[5] Trailblazing Researchers in Immunotherapy Selected to Receive America‘s Most Distinguished Prize in Medicine。 Retrieved September 30， 2018， from http://www.amc.edu/news/trailblazing-researchers-in-immunotherapy-selected-to-receive-americas-most-distinguished-prize-in-medicine.cfm
[6] 歐狄沃誕生記：改寫抗癌歷史的重磅療法 - 藥明康德微信公眾號， Retrieved September 30， 2018， from https：//mp.weixin.qq.com/s/CysyW2oYt21-xuBynguu1w
