收藏 | 抗癌明星免疫检查点抑制剂疗法作用机理详解（一）
免疫检查点抑制剂疗法使多种癌症得到持久缓解，使其成为最耀眼的抗癌明星。但是随之而来的一个问题就是患者的实际响应率偏低，这表明其仍需要我们探索更加成熟和新颖的方式来提高有效率。
目前大量的临床前研究和临床研究都在不断地探索免疫检查点抑制剂联合疗法，但是对于免疫检查点抑制剂的生物学机制和功能的深入研究却远远落后。唯有不断地探索和深入，才能帮助我们找到治疗效果更好的免疫疗法。
而在这我们有必要回顾目前来说最成功的T细胞共刺激机制和检查点阻断机制的代表——CTLA4和PD-1/PD-L1的现状，以此来为我们开发更好的疗法指路。
免疫检查点阻断疗法已被FDA批准用于治疗多种类型的肿瘤治疗(表1)，并可能在不久的将来获批更多的适应症。
在一部分患者中实现长期持久的缓解是癌症治疗的里程碑。自2011年FDA批准ipilimumab(抗CTLA4) 治疗转移性黑色素瘤以来，另外6个靶向PD-1/PD-L1轴的检查点阻断疗法已被批准用于广泛的肿瘤类型的治疗。
表1. 概述免疫检查点阻断疗法被FDA批准的肿瘤类型
注:概述肿瘤适应症、治疗药物和FDA批准免疫检查点阻断疗法的年份。FDA的批准包括2018年5月的常规批准和加速批准。Ipilimumab是一种抗CTLA4抗体。Nivolumab和pembrolizumab是抗PD-1抗体。Atezolizumab、avelumab和durvalumab是抗PD-L1抗体。肿瘤类型为已批准的治疗适应症。标注了FDA唯一首次批准的治疗剂的每个广泛组织类型或适应证。如果多个治疗方法在同一年获得了相同肿瘤类型的批准，则药物按字母顺序列出。
缩写：MSI，微卫星不稳定性；MMR，错配修复。
此外，ipilimumab（CTLA-4）加 nivolumab(抗PD-1)联合治疗已被批准用于治疗晚期黑色素瘤，同单药治疗相比效果更好。然而，当我们展望未来并渴望将这些显著的疗效扩展到更多的患者和肿瘤类型时，T细胞激活的许多方面和检查点阻断的机制仍有待理解。
免疫检查点阻断去除T细胞活化的抑制信号，使肿瘤反应性T细胞克服调控机制，并产生有效的抗肿瘤反应。这种调节机制通常会使免疫反应维持在期望的生理范围内，并保护宿主不受自身免疫的影响。
免疫耐受是通过多种不同的机制来实现的，这些机制可以区分为中枢耐受和外周耐受。在胸腺的负性选择过程中，高亲和力自反应性克隆的克隆删除介导了中枢耐受。然而，由于在胸腺的正选择过程中选择了自我反应性，因此需要额外的机制来抑制自反应性。
外周耐受是通过多种机制介导的，包括调节性T细胞(Treg)、T细胞失能、细胞外致耐受信号和外周克隆删除。免疫系统在肿瘤进展过程中施加强大的选择压力，导致肿瘤发生免疫编辑（包括免疫监视、免疫平衡和免疫逃逸）。
因此，恶性肿瘤往往采用免疫抑制和耐受机制来避免免疫破坏。免疫检查点阻断抑制T细胞负性共刺激，以释放识别肿瘤抗原的抗肿瘤T细胞反应。
CTLA4介导负性共刺激的作用机制
CTLA4的表达和功能与T细胞激活具有内在联系。随着T细胞受体(TCR)接合(信号1)，CTLA4立即上调，其表达在激活后2 - 3天达到峰值。CTLA4通过与共刺激分子CD28竞争B7配体B7-1 (CD80)和B7-2(CD86)来抑制TCR信号，而CTLA4具有更高的亲和性(图1)。因为B7-1和B7-2都通过CD28提供正共刺激信号（信号2），通过CTLA4对这两种分子同时进行竞争性抑制是有效减弱T细胞活化的必要条件。CD28和CTLA4与B7-1具有快速结合动力学，结合强度的不同使得CTLA4可以迅速地竞争抑制。
除了在T细胞激活后上调CTLA4表达，细胞内囊泡中所含的CTLA4也被迅速转运到免疫突触。CTLA4募集到免疫突触的程度与TCR信号强度直接相关。一旦转运到免疫突触上，CTLA4就会被B7配体结合稳定下来，使其累积并有效地超过CD28。通过这种机制，CTLA4减弱CD28的正性共刺激，从而限制主要由PI3K和AKT介导的CD28下游信号。这构成了对TCR信号强度和T细胞活性的稳健调节。因为CTLA4 负性共刺激与B7配体表达及CD28介导的正性共刺激具有内在联系，CTLA4主要功能是在T细胞启动位点(例如，二级淋巴器官)调节T细胞的活性。
除了这一核心功能外，CTLA4还减弱了周围组织中T细胞的活化，因为B7配体在抗原提呈细胞(APC)中可不同程度的组成性表达，也可以被活化的T细胞表达。由于CTLA4在调节T细胞激活中的核心作用，因此它的负性共刺激对于耐受性至关重要。这反映为Ctla4的双等位基因缺失会导致小鼠在3 - 4周龄时发生大量的淋巴组织增殖。
图1. CTLA4和PD-1减弱T细胞活化的分子机制。
CTLA4和PD-1与各自配体结合诱导的分子相互作用和下游信号通路示意图。对于CTLA4和PD-1都强调了下游细胞内在信号机制的可能性。
CTLA4除了通过细胞的内部功能减弱T细胞活性之外，CTLA4还可以通过多种细胞外部机制调节T细胞激活。加入能产生CTLA4的T细胞的存在足以防止由于Ctla4基因缺失而导致的致命性淋巴组织增殖，提示存在细胞外调节机制。
CTLA4的细胞外抑制作用主要是通过Tregs介导的。特定在Tregs中缺失CTLA4足以诱导异常T细胞激活并引起自身免疫。这表明Treg来源的CTLA4对于维持免疫耐受是必要的，尽管Treg来源的CTLA4足以维持T细胞介导的耐受性的可能性不大。就潜在的分子机制而言，Treg细胞表达的CTLA4可能通过限制B7配体B7-1和B7-2用于CD28介导的附近效应T细胞正共刺激，以细胞外的方式减弱T细胞的活化。CTLA4在效应细胞中也有细胞外的贡献。效应T细胞表达的CTLA4可以反式竞争B7配体。此外，有报道称CTLA4还可以通过APCs中B7配体的反式内吞作用来限制B7配体的总可用性。这些细胞外过程对T细胞耐受的影响程度仍有待完全解决，特别是在肿瘤免疫的情况下。
夏普和他的同事最近的研究表明，当Treg中的CTLA4基因在成年期丢失时，会赋予了抵抗实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE) 的能力。Ctla4在Treg中的条件缺失对于增强对EAE的抗性是必要的和充分的，提示不受限制的外周血Treg扩增和/或增强Treg激活可以防止自身免疫。这一结果的一个重要意义是，Treg清除可能会抵消CTLA4阻断诱导的Treg细胞的扩张，从而提高抗CTLA4治疗的疗效。
这一发现也提出了CTLA4在发育和成年期间在常规和调节性T细胞中具有不同功能的可能性。另外，全身和条件Ctla4敲除小鼠之间明显不一致的观察结果可能是常规T细胞和Treg抗原亲合力内在差异的结果。Treg被对自体肽MHC复合物高亲和性的TCR选择，由于CTLA4表达与TCR信号强度相关，Treg的CTLA4表达也随之更高。这种机制减弱了强TCR信号，使中等强度的TCR信号也能产生强大的T细胞激活。
因此，CTLA4的缺失可能会不成比例地影响具有高亲和性抗原受体的T细胞。这些发现可能支持20多年前提出的信号强度模型。接下来，精确解析下游信号元件的功能，评估它们对CTLA4介导的T细胞活性调控的相关功能贡献，将是至关重要的。
PD-1介导的减弱T细胞活性的作用机制
PD-1的主要生物学功能是维持外周耐受，并维持T细胞反应在期望的生理范围内。
由于PD-1/PD-L1调节系统是由免疫反应诱导的(下文将详细讨论)，这就形成了一个负反馈回路，以减弱局部T细胞反应，并将组织损伤降至最低。
PD-1通过与PD-L1和PD-L2的相互作用调节T细胞的活化。PD-1在T和B淋巴细胞活化后表达。由于PD-1的配体广泛表达于非淋巴组织，其主要作用是抑制外周T细胞的活化。对炎性细胞因子（如IFNγ）的响应诱导PD-L1表达，并在较小程度上的表达PD-L2。因此，PD-1对T细胞活性的调控以可诱导的方式对细胞溶解和效应T细胞功能作出反应[例如，CD8细胞毒性T淋巴细胞和1型辅助(Th1) CD4 T细胞]。与PD-L1和PD-L2结合后，PD-1主要通过酪氨酸磷酸酶SHP2传递负共刺激信号来减弱T细胞激活。SHP2的募集通过邻近信号元件去磷酸化直接减弱TCR信号。这种分子机制反映了CTLA4和PD-1接合在调控模式上的二分性。
这些数据表明，与CTLA4介导的调控相比，PD-1直接调控TCR信号来减弱T细胞活性。然而，最近的证据表明CD28是PD-1诱导的T细胞信号衰减的主要靶点。这些研究利用无细胞膜重构模型检测T细胞激活过程中的功能关系，发现PD-1通过招募SHP2而导致CD28优先去磷酸化，而不是TCR。这表明CTLA4和PD-1至少在一定程度上都通过类似的衰减CD28介导的共刺激(信号2)的分子机制起作用。
因此，CD28信号的调节可能代表CTLA4-和PD-1介导的调控的功能会聚点。
有趣的是，最近的研究表明SHP2在体内对抗PD -1治疗或诱导T细胞耗竭的反应中并不是必不可少的。这提示PD-1下游信号通路存在功能冗余。这种冗余很可能是通过冗余的磷酸酶(如SHP1)介导的，但也可以通过完全不同的机制介导。进一步证实CTLA4和PD-1下游的即时信号事件对于区分这些T细胞调控通路的共享和不同的分子机制至关重要。
从功能上讲，PD-1对于维持外周耐受的内稳态至关重要，这一点可以从Pdcd1基因(编码PD-1)缺失引起的自身免疫病得到证明。
例如，Pdcd1基因缺失导致老年C57BL/6小鼠发生狼疮样自身免疫病，而BALB / c小鼠发生自身免疫性扩张型心肌病。PD-1敲除表型对小鼠品系依赖性强，提示在PD-1抑制信号缺失的情况下，观察到的自身免疫可能是由品系特异性抗原的识别驱动的；然而，这仍然需要进一步检验。尽管PD-1经常被用作耗竭的标志，但其不足以确定一个功能衰竭的群体，这是一个关键点。PD-1是激活的T细胞的标记物，耗竭的T细胞是其中一个子集。耗竭型T细胞常用共表达PD-1、LAG3和TIM3来确定。然而，一个本质差别是耗竭型T细胞(据表型定义的)在功能上仍然是有活性的，只是功能活性下降了。例如，耗竭型CD8 T细胞仍然能够有助于抗肿瘤免疫反应，但在每个细胞基础上的效力可能较低。
T细胞耗竭是一种重要的机制，限制在慢性抗原刺激下的T细胞活性，并保护T细胞克隆，否则在这种情况下会由于激活诱导的细胞死亡而枯竭。
与这个概念一致的是，持久的PD-1信号传导诱导了代谢限制，这是一个T细胞耗竭的功能驱动 。在与配体结合后，PD-1减弱糖酵解，但同时促进脂肪酸氧化和脂质分解代谢，从而导致能量来源的转换。与之相反，CTLA4与配体的结合后可以不依赖于脂质代谢调节而减弱糖酵解作用。有趣的是，这种代谢开关与决定T细胞成为效应T与记忆T的命运有关，这部分是由线粒体调节驱动的。这种变化可能是由持续的PD-1接合所导致的基因表达和表观遗传调控的变化所驱动的。
事实上，病毒系统中的慢性抗原刺激导致了基因调控的显著变化和T细胞的稳定表观遗传重编程。总之，这种转录、表观遗传和代谢的变化定义了耗竭型T细胞状态。最近的证据表明，这种表观遗传变化可以阻止通过检查点阻断来摆脱耗竭状态，并减弱肿瘤对治疗的反应。
新发现的证据也证实了PD-1/PD-L1信号轴的新功能。例如，巨噬细胞表达PD-L1可能导致T细胞从肿瘤微环境中主动清除。这表明，除了调节T细胞激活和细胞溶解能力，PD-1信号通路也可能调节T细胞转运和迁移。此外，有报道称PD-1也可能具有肿瘤细胞内功能。需要进一步的研究来确定这种“非经典”机制对治疗效果的影响程度。
本文由上海细胞治疗集团研究院刘韬翻译，汪鹏整理，文章最终解释权和图片所有权归原作者所有。
此文为文献《fundamental Mechanisms of ImmuneCheckpoint Blockade Therapy》翻译第一篇，第二篇将在下周四同一时间连载，尽请期待~
