2014年，在圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院里，6名黑色素瘤患者接受了由他們自身免疫細(xì)胞構(gòu)成的癌癥疫苗的治療。研究人員在2個(gè)月前從患者血液中提取了免疫細(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培養(yǎng)，并將這些稱為樹突狀細(xì)胞（dendritic cells）的免疫細(xì)胞與基于每位患者腫瘤基因組中特定基因突變而合成的多肽混合在一起。這些細(xì)胞像在體內(nèi)吞噬外來抗原一樣“吃掉”了多肽片段。科學(xué)家們希望這些注回患者體內(nèi)的樹突狀細(xì)胞能夠誘導(dǎo)T細(xì)胞的激活和擴(kuò)增，在發(fā)現(xiàn)和殺死癌細(xì)胞的同時(shí)，避免傷及健康組織。這是最早進(jìn)行的個(gè)體化癌癥疫苗臨床試驗(yàn)之一。自此之后，個(gè)體化癌癥疫苗的魅力吸引了眾多學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)和醫(yī)藥公司開展了更多臨床研究。近日，明星癌癥疫苗公司Neon Therapeutics公司宣布，該公司的個(gè)體化新抗原癌癥疫苗，在臨床試驗(yàn)中延長了黑色素瘤、非小細(xì)胞肺癌和膀胱癌患者的無進(jìn)展生存期，展現(xiàn)了個(gè)體化癌癥疫苗的潛力。癌癥疫苗被人譽(yù)為繼免疫檢查點(diǎn)抑制劑和CAR-T療法之后，癌癥免疫領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)的第三大突破。想要讓這一預(yù)言成為現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家們還需要作出哪些努力？
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個(gè)體化癌癥疫苗的開發(fā)是基于人體對(duì)癌癥抗原的免疫反應(yīng)。從腫瘤中釋放的抗原，會(huì)被像樹突狀細(xì)胞這樣的抗原呈遞細(xì)胞吞噬，然后經(jīng)過處理后，與主要組織相容性復(fù)合體（MHC）相結(jié)合，呈現(xiàn)在細(xì)胞的表面。然后，這些呈現(xiàn)癌癥抗原的細(xì)胞會(huì)遷移到淋巴結(jié)中，通過與T細(xì)胞表面的T細(xì)胞受體（TCR）的結(jié)合，激活T細(xì)胞并促進(jìn)它們的增殖。激活后的T細(xì)胞可以遷移到腫瘤附近，對(duì)腫瘤進(jìn)行攻擊。個(gè)體化癌癥疫苗的開發(fā)策略是從癌癥患者的腫瘤中發(fā)現(xiàn)因?yàn)榛蛲蛔儯辉谀[瘤中表達(dá)的新抗原（neoantigen），并且使用這些抗原構(gòu)建癌癥疫苗。因?yàn)檫@些抗原只在腫瘤中表達(dá)，它不會(huì)引起由于T細(xì)胞對(duì)健康組織的攻擊而產(chǎn)生的毒副作用。而且個(gè)體化的疫苗制造方式是確保疫苗會(huì)引發(fā)對(duì)患者腫瘤的免疫反應(yīng)的最佳方法。
▲癌癥免疫力產(chǎn)生的圖示（圖片來源：參考資料[1]）
目前有超過20個(gè)正在進(jìn)行的臨床試驗(yàn)，檢驗(yàn)個(gè)體化癌癥疫苗治療不同癌癥類型的安全性和療效。按照疫苗的遞送方式，它們可以被分為三大類：合成長多肽、RNA/DNA、和樹突狀細(xì)胞。這些遞送方式有著各自的利弊：合成長多肽是最常見的遞送個(gè)體化癌癥疫苗的方式。通常，研究人員通過對(duì)患者腫瘤基因組的測(cè)序，發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生新抗原的基因突變，然后通過生物信息學(xué)模型，篩選出可能生成新抗原的多肽序列，在體外進(jìn)行人工合成。這些多肽鏈的長度在20個(gè)氨基酸左右。多肽疫苗的優(yōu)勢(shì)在于由于是人工合成，它們的成產(chǎn)可以擴(kuò)大化，而且多肽疫苗中可以包含多個(gè)新抗原表位，從而確保免疫細(xì)胞對(duì)疫苗產(chǎn)生免疫反應(yīng)。長多肽片段與短多肽片段相比，除了激活CD8+ T細(xì)胞以外，還可以激活CD4+ T細(xì)胞，從而更好地激發(fā)免疫反應(yīng)。然而，這些多肽需要在GMP環(huán)境下分別針對(duì)特定患者進(jìn)行合成，然后混合在一起，隨著多肽鏈長度和多肽數(shù)目的增加，制造成本也隨之提升。多肽鏈長度越長，人工合成時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤率越高，從而限制了合成過程的產(chǎn)量。這些因素可能限制這類個(gè)體化疫苗未來的推廣。
▲多肽類個(gè)體化癌癥疫苗的生產(chǎn)流程（圖片來源：參考資料[1]）
使用DNA或RNA編碼新抗原從制造工藝上來看比長多肽類的疫苗更為簡便，產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)也可以通過簡單的測(cè)序來進(jìn)行（多肽類疫苗的質(zhì)量檢測(cè)需要質(zhì)譜技術(shù)）。它們可以編碼多個(gè)新抗原表型，提高免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應(yīng)的機(jī)率。這類疫苗面臨的最大挑戰(zhàn)是如何將編碼新抗原的DNA/RNA序列成功導(dǎo)入到細(xì)胞中，讓它們能夠被翻譯成多肽片段。專精于開發(fā)mRNA療法的Moderna公司的研發(fā)管線中就有一項(xiàng)個(gè)體化癌癥疫苗研究，目前它已經(jīng)進(jìn)入2期臨床階段。上述兩種類型的癌癥疫苗還需要在體內(nèi)被樹突狀細(xì)胞或其它抗原呈遞細(xì)胞吞噬并且處理，才可能生效，而基于樹突狀細(xì)胞的疫苗已經(jīng)在體外完成了這一步驟。基于樹突狀細(xì)胞的癌癥疫苗在激發(fā)免疫反應(yīng)方面非常有效，因?yàn)闃渫粻罴?xì)胞在免疫系統(tǒng)中的功能就是呈遞抗原。然而，這類疫苗的合成需要對(duì)從血液中獲取的免疫細(xì)胞進(jìn)行謹(jǐn)慎的培養(yǎng)。在GMP環(huán)境下完成原先在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的步驟，并且擴(kuò)大樹突狀細(xì)胞疫苗的生產(chǎn)，需要對(duì)復(fù)雜制造工藝的大量優(yōu)化。
▲個(gè)體化癌癥疫苗臨床試驗(yàn)分類數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源：參考資料[2]，藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)制圖）
發(fā)揮個(gè)體化癌癥疫苗需要克服的挑戰(zhàn)
開發(fā)個(gè)體化癌癥疫苗面對(duì)的最大挑戰(zhàn)是如何找到能夠最大限度激發(fā)免疫反應(yīng)的新抗原。對(duì)癌癥基因組進(jìn)行測(cè)序發(fā)現(xiàn)的基因突變并不一定會(huì)生成蛋白，因此，從DNA測(cè)序中發(fā)現(xiàn)的編碼新抗原的DNA序列需要與對(duì)腫瘤進(jìn)行RNA測(cè)序獲得的信息進(jìn)行對(duì)照，確認(rèn)攜帶突變的DNA序列能夠被腫瘤細(xì)胞表達(dá)。除此之外，這些攜帶基因突變的DNA序列都要經(jīng)過生物信息學(xué)模型的篩選，找出最可能產(chǎn)生免疫原性的序列。目前，各家公司都有自己的計(jì)算科學(xué)平臺(tái)，使用人工智能對(duì)已有免疫表位庫進(jìn)行分析，根據(jù)它們的三維結(jié)構(gòu)和結(jié)合數(shù)據(jù)，訓(xùn)練計(jì)算工具來發(fā)現(xiàn)構(gòu)成癌癥疫苗的最佳序列。抗原呈遞是一個(gè)復(fù)雜的過程，抗原會(huì)被樹突狀細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶體降解，然后生成的多肽片段需要與MHC產(chǎn)生特異性結(jié)合，才能夠被呈現(xiàn)在樹突狀細(xì)胞表面。已有的計(jì)算工具并不能夠很好地預(yù)測(cè)這一過程。因此，科學(xué)家們已經(jīng)開始從細(xì)胞中提取MHC-抗原復(fù)合體，從中分解出能夠與MHC結(jié)合的抗原，然后利用質(zhì)譜技術(shù)對(duì)這些抗原的特征進(jìn)行分析。利用質(zhì)譜分析獲得的數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算工具重新進(jìn)行訓(xùn)練，可以提高預(yù)測(cè)性模型的準(zhǔn)確性。日前，TScan公司的科學(xué)創(chuàng)始人，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Stephen Elledge博士率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了一篇科學(xué)論文，介紹了名為TScan的高通量篩選技術(shù)，能夠篩選出與T細(xì)胞表面表達(dá)的TCR相結(jié)合的抗原，并且對(duì)它們的特征進(jìn)行分析。這一技術(shù)不但可能發(fā)現(xiàn)作為癌癥疫苗的新抗原，而且對(duì)這些抗原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析積累的數(shù)據(jù)，可以用于進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)測(cè)新抗原的計(jì)算模型。
▲TScan技術(shù)平臺(tái)圖示（圖片來源：參考資料[3]）
除了發(fā)現(xiàn)新抗原以外，如何優(yōu)化輸入患者體內(nèi)的疫苗激發(fā)的免疫反應(yīng)也是科研人員創(chuàng)新的方向。由于抗原呈遞細(xì)胞需要在淋巴結(jié)中與T細(xì)胞接觸，完成激活T細(xì)胞的過程。很多癌癥疫苗采用淋巴結(jié)注射的給藥模式。然而，基于多肽或者RNA的疫苗由于分子量比較小，可能從淋巴管壁滲出，導(dǎo)致這些疫苗成分還沒有接觸到免疫細(xì)胞就被血液循環(huán)帶到身體其它部位，降低了免疫反應(yīng)的強(qiáng)度。Elicio Therapeutics公司開發(fā)的雙親性分子（amphiphiles）平臺(tái)在多肽鏈上添加了一個(gè)親脂性分子，讓疫苗成分能夠與淋巴系統(tǒng)中的白蛋白（albumin）結(jié)合，幫助將疫苗成分從注射位點(diǎn)運(yùn)送到淋巴結(jié)中，大幅度提高免疫反應(yīng)的強(qiáng)度。該公司近日公布的臨床前實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于這一技術(shù)開發(fā)的KRAS疫苗能夠激發(fā)針對(duì)癌細(xì)胞的強(qiáng)力細(xì)胞裂解反應(yīng)。
▲Elicio公司雙親分子平臺(tái)作用機(jī)制（圖片來源：Elicio公司官網(wǎng)）
已有的癌癥疫苗研究表明，獲得強(qiáng)力免疫反應(yīng)需要三個(gè)因素：多個(gè)具有免疫原性的抗原，有效的遞送載體，和克服免疫抑制環(huán)境的有效方法。因此，與抗PD-1抗體等免疫檢查點(diǎn)抑制劑聯(lián)用可能個(gè)體化癌癥疫苗充分發(fā)揮其潛力的有效方法。已經(jīng)公布的臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，個(gè)體化癌癥疫苗與PD-1抑制劑聯(lián)用可能在患者中引發(fā)更持久的緩解。目前進(jìn)行的個(gè)體化癌癥疫苗臨床試驗(yàn)中，大部分都包含與免疫檢查點(diǎn)抑制劑聯(lián)用的患者組。除了優(yōu)化新抗原的選擇和遞送方式以外，開發(fā)驗(yàn)證疫苗效力的生物標(biāo)志物將幫助對(duì)疫苗進(jìn)行檢測(cè)和篩選，從而最大化疫苗的效果。個(gè)體化癌癥疫苗在最近公布結(jié)果的早期臨床試驗(yàn)中顯示了可喜的療效，這些進(jìn)展離不開癌癥基因組學(xué)、癌癥免疫學(xué)、疫苗開發(fā)、腫瘤學(xué)和診斷領(lǐng)域研究人員的系統(tǒng)努力。而擴(kuò)大癌癥疫苗的生產(chǎn)和開發(fā)需要醫(yī)藥級(jí)別的生產(chǎn)專家和對(duì)疫苗反應(yīng)、腫瘤因此產(chǎn)生的抗性，以及患者嚴(yán)重副作用的系統(tǒng)性臨床監(jiān)控。這將需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的緊密合作。我們期待，在生態(tài)圈所有成員的努力下，個(gè)體化癌癥疫苗能夠充分發(fā)揮它的潛力，成為癌癥免疫領(lǐng)域繼免疫檢查點(diǎn)抑制劑和CAR-T療法之后的第三個(gè)突破！
參考資料：
[1] The New Personalized Cancer Treatment: Why Neoantigen Vaccines Could Be The Next Big Immunotherapy Breakthrough. Retrieved August 9, 2019, from https://www.cbinsights.com/research/report/what-are-neoantigen-vaccines-personalized-cancer-treatment/
[2] Personalized Cancer Vaccines in Clinical Trials. Retrieved August 9, 2019, from https://www.the-scientist.com/features/personalized-cancer-vaccines-in-clinical-trials-66075
[3] Kula et al. (2019). T-Scan: A Genome-wide Method for the Systematic Discovery of T Cell Epitopes. Cell, https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.009.
[4] Aldous and Dong, (2018). Personalized neoantigen vaccines: A new approach to cancer immunotherapy. Bioorganic & Medicinal Chemistry.
[5] Hollingsworth & Jansen, (2019). Turning the corner on therapeutic cancer vaccines. NPJ Vaccines, https://doi.org/10.1038/s41541-019-0103-y
