深度解读：免疫疗法为啥能获诺贝尔生理学或医学奖

　　来源：学术经纬微信公众号

　　昨日，万众瞩目的诺贝尔生理学或医学奖公布了获奖者名单，免疫疗法先驱James Allison教授与本庶佑教授摘得桂冠。正如众人所说的那般，Allison教授与本庶佑教授，以及其他科研人员在免疫疗法上的开拓性贡献，彻底改变了人类对抗癌症的格局。



　　免疫系统与癌症

　　用免疫系统对抗疾病并不是什么新鲜事。据记载，在1718年，一名英国外交官的夫人在伊斯坦布尔观察到，“人痘接种”在当地非常流行。这是指将天花患者的痘疤磨成粉末，或是直接从患者身上获取脓汁，让其接触正常人。当时的人们还不知道免疫系统的工作机制，但他们知道，这样做能将天花高达30%的致死率降到1%-2%。


▲“疫苗之父”爱德华?詹纳（图片来源：See page for author [CC BY 4.0 （https：//creativecommons.org/licenses/by/4.0）]， via Wikimedia Commons）

　　不久后，人类在天花的预防上又取得了重大突破。1796年，英国皇家学会会员爱德华?詹纳（Edward Jenner）用实验证明，牛痘能让人类对天花产生免疫力。詹纳本人因此被誉为“疫苗之父”，他的发现更是启发了后人对免疫能力的研究――1882年，埃黎耶?梅契尼可夫（Ilya Mechnikov）基于对吞噬作用的观察，提出了首个关于免疫的完整理论；路易?巴斯德（Louis Pasteur）则发展了关于细菌致病的相应理论，并为人类带来了狂犬病疫苗和炭疽病疫苗。

　　这些天才凭借免疫学研究在全球获得了显赫声名，相比之下，威廉?科莱（William Coley）医生的名气就要小得多。但在当时的肿瘤治疗领域，许多人都听说过他的激进疗法。在对大量癌症病例进行分析后，科莱医生发现与恶性肿瘤相伴的感染，看似能带来病情的缓解。其中，由链球菌引起的丹毒症状，与软组织肉瘤的缓解之间，有着非常明显的关联。于是，他决定给癌症患者注射细菌或细菌产物，缓解他们的病情。


▲现代不少科学家认为威廉?科莱医生是免疫疗法最早的开拓者之一（图片来源：See page for author [CC BY 4.0 （https：//creativecommons.org/licenses/by/4.0）]， via Wikimedia Commons）

　　1891年，科莱医生在一名病情已无法通过手术控制的癌症患者身上，注射了链球菌。如他想象中的一样，患者的肿瘤尺寸变小了。于是在接下来40年的行医生涯中，他为超过1000名癌症患者进行了相近的治疗，并声称在骨瘤和软组织肉瘤上取得了杰出的疗效。

　　但质疑的声音从未停止。一方面，部分注射了细菌或其产物的患者死于败血症；另一方面，许多医生也不相信简单的细菌产物能在癌症治疗上有什么效果。尽管科莱医生最终被誉为“免疫疗法之父”，但在当时，人们管他的疗法叫做“科莱毒素”。随着放疗与化疗的发展，科莱医生的疗法逐渐被人遗忘。癌症与免疫系统的第一次交锋，就这样草草收场。

　　T细胞的激活

　　在上世纪60年代，人们发现了一种叫做T细胞的白细胞。从功能上看，它对免疫系统至关重要――自诞生后，我们体内的T细胞就会慢慢发育，并学会识别身体中的异常。等到它们成熟后，一旦发现微生物入侵，或是恶化的细胞，就会开始增殖，并让免疫系统对威胁发起攻击。


　　▲T细胞是人类免疫系统的重要组成部分（图片来源：By NIAID/NIH （NIAID Flickr‘s photostream） [Public domain]， via Wikimedia Commons）

　　T细胞是怎么识别这些威胁的呢？原来在它们表面，存在一种叫做T细胞受体（TCR）的分子。这种分子能识别外来细胞表面呈现的异体蛋白，从而激活T细胞引起免疫反应，杀死那些表现出异常的细胞。

　　这个发现马上让科学家们重燃用免疫系统对抗癌症的希望。我们知道，癌细胞就是一类与正常细胞有明显区别的细胞，它们表面有一些看似奇怪的蛋白分子。如果T细胞能识别这些分子，并随之攻击癌细胞，岂不美哉？

　　然而初步的研究却进行得相当不顺。人们逐渐意识到，仅仅让幼稚T细胞（na?ve T cells）与异体蛋白相结合，还不足以引起强烈的免疫反应。换句话说，为了让T细胞生效，我们还需要找到其他的核心因子。



　　▲CD28（绿色）与相应抗体结合时的结构（图片来源：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）

　　进一步的研究发现，T细胞表面一种叫做CD28的蛋白可能是它生效的关键。James Allison教授与他的团队证明了这一点――他们证明，一旦幼稚T细胞表面的CD28与TCR同时被激活，就足以让这些细胞增殖，并保持激活状态。

　　T细胞表面上还有其他分子可能参与这个过程吗？序列分析发现，一种叫做CTLA-4的蛋白与CD28非常相似。为此，包括James Allison教授在内的诸多免疫学家又将注意力转向了CTLA-4，试图理解它的功能。

　　当时谁也没有想到，数十年后，针对CTLA-4的研究竟给人类的癌症治疗带来了颠覆性的影响。

　　松开激活T细胞的刹车

　　最初，很多科学家认为CTLA-4只是CD28的一个补充。万万没想到，在上世纪90年代初的一系列研究，竟然没有得出一个统一的结论――最早的一些研究发现它能增强T细胞的激活，与预期一致。然而Allison教授团队，以及Jeffrey Bluestone教授（加州大学旧金山分校）与Craig Thompson教授（纪念斯隆-凯特琳癌症中心）的联合团队独立发现，结论不能下得太早。这些实验结果固然可以理解为“踩下油门”，也可以理解为“松开刹车”。

　　CTLA-4究竟是油门，还是刹车？为了回答这个问题，这两支团队又进行了深度探索，并指出CTLA-4的确起到了抑制T细胞激活的作用。这样一来，一幅关于T细胞活性调控的画卷就徐徐展现在了人类面前：尽管CD28与CTLA-4结构接近，但两者功能截然相反。前者是油门，后者是刹车。这其实很合理。为了防止T细胞过度活跃导致自身免疫疾病，负面调控是必不可少的。

　　但并非所有的科学家都接受这一结论，关于CTLA-4的具体功能也一直未能有定论。直到这两支团队构建出了缺乏CTLA-4的小鼠，才用确凿的证据让反对者噤声。研究表明，缺乏CTLA-4的小鼠，器官内充满了T细胞，且只能存活短短几周。这清楚地表明，CTLA-4的确抑制了T细胞的功能。

　　而Allison教授敏锐地意识到，这个发现可能会带来突破性的抗癌疗法。在他看来，诸多癌症疫苗之所以不起效，是由于T细胞上的CTLA-4也会被激活，抑制T细胞的活性。因此，如果能抑制CTLA-4的功能，也许就可以让T细胞尽情发挥潜力，对癌细胞进行攻击。


▲研究人员们用确凿的证据表明，抑制CTLA-4能增强抗肿瘤效果（图片来源：参考资料[2]）

　　为了测试这一假设，他的团队开发了一种抗CTLA-4的抗体，以抑制其功能。一系列实验结果表明，这种抗体具有一定的抗癌潜力。首先，在一些容易产生肿瘤的小鼠中，一旦接受了该抗体注射，小鼠就好似对肿瘤有排斥能力一般，不容易产生肿瘤；其次，这种抗肿瘤的效应能让免疫系统产生记忆。这些对肿瘤有排斥力的小鼠中，对2个月后注射进体内的肿瘤细胞也产生了免疫力；最后，科学家们又在一项经典实验里，证实对于已有的肿瘤，CTLA-4抗体能够起到抑癌的效果。

　　Allison教授知道，是时候将这个重磅发现转化为人类抗癌疗法了。如果取得成功，这将是人类首次驾驭免疫系统对抗癌症。

　　免疫疗法的诞生

　　但新药研发从来不是一条轻松的道路。即便是如此重磅的科学发现，也未能立刻赢得医药公司的垂青。相反，许多人认为Allison教授的想法“过于激进”。首先，这个想法缺少成功的人类疗法作为支持。其次，在缺乏CTLA-4的小鼠中观察到的副作用，也让医药公司顾虑重重。

　　这时，一位老朋友向他抛出了橄榄枝。Allison教授曾经的同事Alan Korman博士当时在一家叫做Medarex的公司任职，而这家公司拥有一项独特的技术，能够在小鼠体内开发人源抗体。在与Medarex达成协议后，这家公司开始着力研发针对CTLA-4的抗体。其中，一款叫做ipilimumab的抗体展现出了不俗的潜力，它能有效地结合CTLA-4，并抑制它的功能。



　　但这并没有立刻带来圆满的结果，相反，这款抗体的后续研发，依旧充满了坎坷。尽管在难治的转移性黑色素瘤中展现出了良好的潜力，但正如许多专家所担心的那样，这款抗体能带来“令人担忧的副作用”。此外，通常用于评估化疗效果的临床试验标准，也不能很好地应用在这款免疫疗法上。我们知道，化疗对肿瘤的杀伤快速而直接。一旦接受治疗，患者的肿瘤体积会快速出现缩小。相反，免疫疗法需要免疫系统的逐渐生效，而这需要时间。因此在免疫疗法的治疗下，患者短期内的病情不但没有得到明显控制，肿瘤还可能继续生长。

　　后续的科学家们花了很大的功夫，才找到了评估免疫疗法治疗效果的标准，并开发了一系列抑制这款疗法毒性的技术。功夫不负有心人，在2010年，ipilimumab针对转移性黑色素瘤的首个3期随机临床试验以大捷收场。研究表明，抗CTLA-4的疗法延长了这一疾病的总生存率，这在历史上还是头一遭！

　　一个个令人欣喜的数据接踵而来。历史上看，罹患这种难治疾病的患者，有一半会在一年内去世。而在免疫疗法的治疗下，有20%的患者可以活过4年。这一比例在对照组中是0%。2011年，美国FDA批准ipilimumab上市，商品名Yervoy。


▲几种免疫疗法合用，效果更佳（图片来源：参考资料[3]，Cassio Lynm）

　　PD-1：另一个幸运的发现

　　许多重要的科学突破，最初往往来自于幸运的发现。就拿牛痘疫苗来说，现在我们知道，活性得到削减的病原体是疫苗研发的良好出发点，而詹纳当年用来接种的病原体，其活性已经得到了天然的“减活”，是一个极为幸运的事件。在上世纪90年代，另一个偶然的发现，为后世带来了深远的影响。

　　当时的日本是全世界的免疫学研究重镇之一，不少日本科学家发现了全新的细胞因子，鉴定出了它们的相关受体，并阐明了其信号通路，为免疫学的进展做出了重要贡献。京都大学的本庶佑教授就是诸多免疫学专家之一。他的课题组探明了IL-4与IL-5的cDNA序列，并发现了在抗体形成过程中起到重要作用的AID酶。在20多年前，他的课题组将注意力集中在了细胞的程序性死亡（programmed cell death）上。

　　一位叫做石田靖雄的研究生接过了这个项目。他们获得了两种在特殊条件下，会发生程序性死亡的细胞系（LyD9，一种造血祖细胞；2B4.11，一种T细胞杂交瘤细胞），并做出了合理的假设：在细胞启动程序性死亡的步骤，就会启动相应的RNA与蛋白合成。如果能找到这些RNA或蛋白质，也许就能发现在其中起到关键作用的基因。顺着这个思路，研究人员们筛选出了一系列可能参与程序性细胞死亡的cDNA，其中的第一个基因被命名为PD-1（programmed cell death protein 1）。

　　研究人员们随后做了一系列的分析，确认了PD-1基因的表达模式。通过这些数据，他们在论文中指出“PD-1基因的激活，可能参与到了经典的程序性细胞死亡过程中”。由于PD-1在癌症免疫疗法中的重要地位，这篇论文至今已被引用超过1600次。但在当时，谁也没有意识到这个发现的巨大临床潜力。

　　PD-1，免疫系统，癌症

　　人类将PD-1与免疫系统挂起钩来，还是几年后的事。在1999年，本庶佑教授的课题组决定在小鼠中敲除PD-1基因，看看它究竟有什么功能。有趣的是，缺乏PD-1的小鼠，有一半出现了红斑狼疮般的症状，这是一种严重的自身免疫疾病。研究人员们据此推断，这些小鼠体内的免疫系统得到了异常激活。也就是说，PD-1在小鼠体内，起到了抑制免疫系统的作用。

　　在与本庶佑教授的合作之下，Arlene Sharpe教授与Gordon Freeman教授随后找到了PD-1的两个配体PD-L1与PD-L2，并阐明了PD-1参与的信号通路。研究表明，PD-1的确能抑制T细胞的功能，这也证实了本庶佑教授课题组的猜测。更重要的是，研究人员们在一篇《Nature Immunology》的论文中指出，“在许多肿瘤细胞系中，PD-L1与PD-L2的mRNA水平都有所上调”，暗示了这条通路与癌症有着关联。


▲在免疫疗法问世的道路上，做出了重要科学发现的陈列平教授（图片来源：耶鲁大学官方网站）

　　而说到PD-1在癌症治疗上的应用，就不得不提陈列平教授的名字。1999年，他在梅奥诊所的课题组率先发现了PD-L1（当时被称为B7-H1）。随后，他的团队用无可辩驳的证据，表明PD-L1对肿瘤的生存有至关重要的作用。在2002年的一篇《Nature Medicine》论文里，他们又发现，黑色素瘤与肺癌等肿瘤组织上表达有PD-L1，且能够促进肿瘤特异T细胞的凋亡，让它们无法对癌细胞展开攻击。在一项关键的实验里，研究人员们还在培养皿中表明，靶向PD-L1的抗体，能逆转T细胞的这种凋亡！陈列平教授课题组在论文的摘要中富有前瞻性地写道，“这些发现可能带来基于T细胞的癌症免疫疗法。”

　　后记

　　这些发现开启了一个波澜壮阔的免疫疗法时代。不久后，人类也同样迎来了针对PD-1/PD-L1通路的免疫疗法。与CTLA-4一样，PD-1也是一种“刹车”。通过抑制PD-1的功能，T细胞也能得到激活，治疗癌症。目前，已有6款PD-1或PD-L1抑制剂获批。在中国，也有两款PD-1抑制剂已获批上市。它们的问世，彻底改变了人类对抗癌症的格局。原本生命仅剩几个月的患者，如今有一些在治疗后，已经活过了10年。

　　这正是Allison教授，本庶佑教授，以及其他诸多科学家为人类做出的卓越贡献。在这里，我们再次祝贺Allison教授与本庶佑教授摘得诺贝尔生理学或医学奖的桂冠。这是对免疫疗法的最好认可！

　　本文题图：Photo by Adam Baker， ‘Nobel Prize Medal in Chemistry’ CC BY 4.0 （https：//www.flickr.com/photos/atbaker/8459286843）， via Flickr

　　参考资料：

　　[1] The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2018，Retrieved October 1， 2018， fromhttp://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。 RetrievedSeptember 30， 2018， from http://www.amc.edu/news/trailblazing-researchers-in-immunotherapy-selected-to-receive-americas-most-distinguished-prize-in-medicine.cfm

　　[6]欧狄沃诞生记：改写抗癌历史的重磅疗法 - 药明康德微信公众号，Retrieved September 30， 2018， fromhttps：//mp.weixin.qq.com/s/CysyW2oYt21-xuBynguu1w