CAR-T和PD1/PDL1免疫療法介紹，純乾貨知識

來源：2018-03-15 小筆記 eye聚焦生物

癌症相當於對一個人宣判死刑，但CAR-T細胞和PD1/PDL1免疫療法給人類戰勝癌症帶來了新的希望。儘管我們經常聽到這兩種技術，但真正了解其中原理的人並不多。本文旨在讓更多人了解這種「最有前景的腫瘤治療方式」，把握醫療未來發展趨勢。

CAR-T，全稱是Chimeric Antigen Receptor T-CellImmunotherapy，即嵌合抗原受體T細胞免疫療法，被認為是最有前景的腫瘤治療方式之一。

在了解這個技術之前，先給大家複習一下免疫學方面的知識，為理解CAR-T細胞作用原理做一個鋪墊，ps了解免疫學知識的可以跳過看後面的內容。

人體依靠免疫系統識別「自己」和「非己」成分，並通過免疫應答破壞和排斥進入人體的抗原物質，或人體本身所產生的損傷細胞和腫瘤細胞等，以維持人體的健康。

人體的免疫系統有三道防線：1.皮膚和黏膜；2.吞噬細胞和體內的殺菌物質；3.特異性免疫。前兩種是人生來就有的免疫防線，第三種則是後天獲得性免疫，只針對某一特定的病原體或異物起作用，因而叫做特異性免疫。

特異性免疫過程中，吞噬細胞和淋巴細胞（包括在胸腺中成熟的T細胞，和骨髓中成熟的B細胞）猶如「小戰士」，為身體清除異己立下汗馬功勞。其中T細胞介導的細胞免疫，主要參與胞內寄生的病原微生物以及腫瘤細胞的免疫應答。

腫瘤-免疫循環分為以下七個環節：1、腫瘤抗原釋放；2、腫瘤抗原呈遞；3、啟動和激活效應性T細胞；4、T細胞向腫瘤組織遷移；5、腫瘤組織T細胞浸潤；6、T細胞識別腫瘤細胞；7、清除腫瘤細胞。

然而，腫瘤細胞很「精明」，為了躲避免疫系統的追殺，它能夠採用不同策略，如形成免疫抑制微環境抑制人體的免疫系統，使T細胞不能殺傷腫瘤細胞。

了解了這個過程，CAR-T細胞免疫療法的原理就很容易明白。

1.什麼是免疫療法？

免疫療法是指利用人體自身免疫系統，來終止腫瘤細胞。它通過操縱免疫系統，來實現靶向癌症抗原或突破T細胞浸潤的障礙。

2.什麼是CAR-T細胞免疫療法？

嵌合抗原受體CARs是由結合靶抗原的免疫蛋白單鏈可變片段（scFv）、跨膜區和胞內T細胞信號區組成的工程受體，不同的CARs區別在於scFv的變化。

CAR-T細胞，可以理解為戴了CAR帽子的T細胞，這頂帽子能夠幫助T細胞找到命中注定的「它」—目標抗原。

簡單來說，CAR-T細胞免疫療法可以分為三步：

1. 將來源於病人免疫系統的T細胞從人體中被分離出來；

2. 通過病毒轉導的方式，使分離出的T細胞能夠表達CAR，這些CAR使T細胞能夠識別特定的抗原並與之結合，在多數情況下，這些抗原存在於癌症中；

3.最後將表達CAR的T細胞輸回病人體內，針對癌細胞進行靶向治療。

CAR-T細胞最著名的臨床案例就是對於急性淋巴細胞白血病（ALL）和慢性淋巴細胞白血病（CLL）突破性的治療。幾乎所有的ALL和CLL患者中B細胞上的CD19受體普遍表達，將CAR-T細胞的靶標設計為CD19，不僅脫靶作用比較低，而且CAR-T細胞對正常B細胞的毒性不會給患者帶來嚴重的副作用。

3.CAR-T細胞介導的免疫反應有什麼不同？

經過CAR改造的T細胞與天然T細胞表面受體（TCR）相比，CAR-T細胞能夠識別更廣泛的目標，並且它不通過APC/MHC複合物進行正常的激活過程，這是正常的效應T細胞和CAR-T細胞的另一個重要區別。

普通的T細胞效應過程：

1.抗原提呈細胞（APCs）消化致病物，並在MHC Ⅰ/Ⅱ複合體上表達病原體的一部分；

2.T細胞（MHC II型的CD4細胞和MHC I型的CD8細胞）與APCs MHC複合物結合，這給T細胞提供了關於體內病原體的特徵信息；

3.APC表達協同刺激分子與T細胞結合，激活T細胞活性；

4.T細胞分泌細胞毒素破壞病原體，或在目標區域釋放細胞因子吸引巨噬細胞、中性粒細胞和淋巴細胞。

CAR-T細胞的激活不依賴MHC途徑，因為當T細胞受體（TCR）與抗原結合的時候，CAR-T細胞直接被激活。而這種不依賴MHC的激活，也對CAR-T細胞的激活和攻擊作用具有重要意義。

首先，CAR-T細胞可以被設計用來應對通常不會激活效應T細胞的抗原。APCs沒有能力提供大量的癌症抗原，因此，不能為特異性殺傷癌症細胞提供T細胞。但CAR-T細胞則可以被設計成APC-MHC不涉及的抗原，靶向特定類型的癌症。

其次，癌症細胞能夠通過抑制MHC複合體來保護自己免受免疫系統的影響。這使癌細胞能夠通過抑制APCs對T細胞的激活，進行免疫逃逸。而CAR-T細胞通過不依賴APC的方式直接與目標抗原結合，從而避開了這個問題。

4.CAR-T細胞免疫療法的瓶頸在哪裡？

CAR-T細胞在治療血液癌症方面表現出非凡的功效，在實體腫瘤的治療中，CAR-T細胞的浸潤、積累和存活是清除腫瘤的關鍵，在這方面，CAR-T細胞免疫療法可發展的空間還很大，主要有以下原因：

1. 由於腫瘤微環境的獨特特性，實體腫瘤所帶來的挑戰比較多。

首先，由腫瘤相關的成纖維細胞（CAFs）組成的腫瘤基質為CAR-T細胞的浸潤提供了一個物理屏障，CAFs還會分泌細胞外基質蛋白將T細胞從癌細胞中分離出來。

其次，腫瘤微環境的代謝環境不利於CAR-T細胞的持久性。因為一旦腫瘤形成被激活，腫瘤細胞就會停止通過氧化磷酸化產生ATP並轉換為有氧糖酵解，導致腫瘤環境變得酸性，這就是所謂的"瓦氏效應"pH值從7.4降至6.5。

最後，腫瘤微環境造成缺氧狀態進一步產生免疫抑制。在低氧環境腫瘤細胞產生一種HIF1-ɑ分子，它通過吸引調控T細胞（Tregs）到腫瘤部位來減少CAR-T細胞功能（Tregs），Tregs抑制免疫反應，因此限制CAR-T激活。此外，缺氧也促進了腫瘤細胞小RNA的釋放，可以降解CAR-T細胞的mRNA。

2. 腫瘤細胞特有的特定抗原並不多；

3.在實體腫瘤中，由於腫瘤細胞位於血管外，所以CAR-T細胞不能簡單地傳輸到感興趣的部位。CAR-T細胞很難歸巢到腫瘤部位，導致CAR-T細胞難以聚集和有限的存活率；

4. 腫瘤細胞通過將靶標分子的損失或突變的方式抵抗CAR-T細胞治療；

5. 患者會產生抗CAR的抗體，並且成本和物流是CAR-T細胞治療的另一個挑戰。

2018年3月5號發表在Nature的文章顯示，CAR-T細胞中的il-7和CCL19表達改善了腫瘤中免疫細胞浸潤和CAR-T細胞存活的情況。這意味著完美的CAR-T細胞免疫療法正在路上……

二. PD1/ PDL1抑製劑

在介紹PD1/PDL1之前，我們首先進行背景介紹，幫助大家理清思路，從而更好的理解PD1/PDL1抑製劑的作用原理。

1.一個中心——T細胞

機體：激活T細胞對腫瘤細胞進行攻擊

腫瘤：抵制T細胞，想方設法保命

T細胞是免疫療法的核心，它承擔著細胞毒性功能的大部分責任，因此當病人出現腫瘤時，T細胞擁有巨大的能量。一方面T細胞可以對腫瘤進行攻擊，或保持緘默，讓腫瘤繼續繁殖，因此腫瘤細胞在擾亂T細胞攻擊方面有「巨大的進展」。

一般而言，免疫抑制是癌症治療過程中最大的難題，因為癌症細胞和腫瘤微環境能夠表達受體，從而限制免疫系統對腫瘤的攻擊。但程序性死亡受體PD1的發現，使科研人員能夠創造新的抗體來抑制腫瘤細胞的免疫抑制作用。

通過靶向免疫抑制檢查點受體——細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白（CTLA4）或程序性死亡蛋白（PD1）及其配體（PDL1，PDL2），來抵抗腫瘤微環境的免疫抑制作用。

2.什麼是免疫檢查點（Immune Checkpoints）？

為了排除了機體自身免疫，免疫系統進化出多種「預防機制」，它以免疫檢查點的形式表現出來，免疫檢查點降低了自身免疫的概率，在免疫激活過程中保護正常組織免受損傷。

免疫檢查點——包括細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白（CTLA4）或程序性死亡1（PD1）及其配體（PDL1，PDL2），它們可以使激活的T細胞失去效應功能。

免疫耐受和免疫激活是個精細活兒，T細胞的激活過程受多種物質的調控。首先T細胞受體識別外來抗原，再經歷一個被多種下游效應物激活的過程（ZAP70, FYN, LCK, LAT等）。下游激活效應物的質量和數量基於T細胞接收到的共刺激和抑製劑分子信號，這些信號通常位於抗原呈遞細胞（單核細胞、巨噬細胞、樹突細胞）、B細胞和NK細胞等。

3.什麼是免疫檢查點抑製劑？

在腫瘤中T細胞激活的受體和配體不會被過表達，但抑制T細胞激活的受體會在腫瘤及其微環境中過表達。這一發現使得科學家們能夠開發出一種能夠減少腫瘤脫靶效應的抗體療法——免疫檢查點抑製劑：靶向T細胞上的受體或配體。

目前在癌症中使用的大多數常規療法都是針對癌細胞本身，從而間接提高免疫系統攻擊腫瘤細胞的能力。然而，現代治療靶向T細胞而不是腫瘤本身，這就是免疫檢查點抑製劑。免疫檢查點抑製劑可以使原本失去效應活性的T細胞重新被激活，發揮攻擊作用。

4.CTLA4和PD1的「兄弟情」

在了解PD1之前，我們不能忽視它的老大哥——CTLA4。

細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4（CTLA4）是第一個被鑒定的抑制受體，它主要位於T細胞上並參與抑制T細胞效應。

CTLA4通過抑制CD28的刺激激活來達到這一功能，抗原呈遞細胞（APCs）通過B7複合體提供刺激，使T細胞具有殺傷活性。由CD80和CD86組成的B7複合體與CD28受體結合在T細胞上，並允許T細胞執行殺傷功能。與CD28相比，CTLA4對B7複合物具有更高的親和力，它通過細胞內信號通路，將CD28與B7複合體隔離並直接抑制T細胞的活性。

CTLA-4與B7的結合能夠有效阻斷T細胞與APC的相互作用，從而抑制T細胞的激活。這一發現意味著：CTLA-4的活性一旦被人為抑制，則能夠讓T細胞充分地激活，這對於腫瘤免疫反應具有正面的調控作用。

此外，CTLA4還能抑制CD4細胞的激活，並促進Treg細胞的抑制作用。這也意味著，CTLA4的封鎖只適用於在腫瘤區域已經存在CD4細胞和Tregs的情況，它不能在非免疫的腫瘤中起作用。

因此，CTLA4隻能促進持續的免疫反應。百時美施貴寶公司研發的CTLA4抑制抗體，於2010年獲得了FDA批准的ipilimumab（貿易名稱耶沃伊）用來治療黑色素瘤，這是首個FDA批准用於免疫檢查點封鎖的藥物。

總的來說，CTLA4的封鎖並沒有達到最初的預期，因為缺乏明顯的腫瘤衰退和未明確的客觀臨床反應。但這是對免疫檢查點封鎖的最初嘗試，為靶向pd1/pdl1的治療方法鋪平了道路。

與CTLA4不一樣的是，PD1位於成熟T細胞和外周組織，能夠調控腫瘤組織內T細胞的活性，而CTLA4隻有在APC提呈抗原之後才會在T細胞上表達，這使得PD1具有更高的臨床療效。

PD1途徑可以減少T細胞功能以應對慢性炎症。PD1表達上調是為了響應周圍組織的炎症水平，而γ干擾素與T細胞之間的相互作用誘導PD1的表達。

5.PDL1與PD1是一對「情侶「

PD1位於T細胞，能夠與基質細胞中的PDL1結合，兩者結合後使T細胞失去攻擊癌細胞的能力。PDL1與PD1的結合作為介導T細胞活化的共抑制信號，抑制T細胞的殺傷功能，對人體免疫應答起到負調節作用。

在正常細胞中，PD1的激活使T細胞失去攻擊能力，它在減輕由於慢性感染引起的組織損傷方面起著重要作用，這種機制是為了保護機體在炎癥狀態時免受不必要的組織損傷。

然而腫瘤，再一次，將這種機體免疫保護機制用於自身的生存。因為腫瘤細胞能夠上調PD1配體（PDL1和PDL2）的表達， PDL1是癌症細胞使用的主要的PD1配體，PDL1與PD1的結合導致腫瘤浸潤淋巴細胞的失去殺傷能力，從而導致腫瘤生長不受抑制。PDL2也在腫瘤中表達，如B細胞淋巴瘤和霍奇金氏病，但PDL2在患者生存中扮演的角色並不像PDL1那麼重要。

6.PDL1/PD1抑製劑

PDL1/PD1的結合，使T細胞失去殺傷能力，因此破壞PDL1/PD1之間的相互作用，在釋放免疫系統對癌細胞的殺傷力方面展現出巨大的潛力。要想破壞PDL1/PD1這對小情侶帶來的負面影響，我們只需攻破其中一個即可。

基於這種原理，Nivolumab和Pembrolizumab兩種抗PD1單克隆抗體應運而生，它們能夠抑制PD1/ PDL1的相互作用，從而使T細胞對靶標進行攻擊。Nivolumab是靶向PD1的人類單克隆抗體，Pembrolizumab則靶向PDL1。

FDA於2014年12月14日批准了Nivolumab對未切除（免疫手術）和轉移性黑色素瘤的治療。與傳統化療相比，Nivolumab展現出更好的療效（73%

PD1/PDL1免疫抑製劑展示了前所未有的超過15種癌症類型的臨床療效，包括黑色素瘤、非小細胞肺癌（NSCLC）、腎細胞癌（RCC）、膀胱癌和霍奇金淋巴瘤。

6.PD1/ PDL1免疫抑製劑的副作用

儘管免疫抑製劑的治療給癌症的治療帶來了新的希望，然而這些藥物的毒性引起了人們的關注。

由於免疫抑製劑治療是通過利用機體自身的免疫系統殺傷腫瘤，能夠解除免疫系統的抑制狀態，因此免疫檢查點抑製劑的相關不良事件包括幾乎所有的器官。

在炎症過程中，PDL1對於維護免疫抑制的環境是至關重要的，任何由干擾素激發的組織都會表達PDL1來減輕T細胞在炎症過程中所造成的損傷。如果對病人使用PDL1抑製劑，會使系統的免疫抑制失效，這增加了腫瘤周邊炎症損傷的可能性。

PDL1抑製劑組成的治療會導致副作用和自體免疫事件的發生率更高，而PD1抑製劑主要影響T細胞，因此不會使身體發生不必要的自體免疫事件。免疫和非免疫細胞都具有表達PDL1的能力，PDL1無處不表達的潛力是理解PD1和PDL1抑製劑之間安全性差異的關鍵。

6.腫瘤免疫療法展望

癌症已經成為現代醫學的主要挑戰，現代的免疫療法已經引發了一場癌症治療方法的革命。CAR-T細胞通過改造病人的內源性免疫細胞，提供了較安全的針對特定癌症抗原的方法，它們已被證實在血液惡性腫瘤中是有效的，目前正被用於實體腫瘤中。免疫檢查點抑製劑也同樣為癌症的治療帶來了巨大的影響。

CAR-T細胞以及PD1/ PDL1抑製劑的在臨床試驗中都取得了巨大的成功，目前正在臨床使用中。然而，針對不同類型的癌症以及在減小副作用方面，這些免疫療法還有很大的發展空間。

相信下一個十年我們將會看到，安全高效的腫瘤免疫療法被廣泛用於臨床，也許，我們能夠不再談癌色變。

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