PD-L1/PD-1药物研发带来的启示

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:21:31

近日，复旦大学一个大奖的颁发掀起了轩然大波。复旦的官方新闻中对肿瘤免疫治疗这一获奖工作只提到美国科学家James Allison以及日本科学家Tasuku Honjo教授，却对作出突出贡献的陈列平教授只字未提。在PD-L1/PD-1药物研发过程中，陈列平教授的一系列工作不管是在理论、基础研究、还是临床应用上都发挥了至关重要的作用。因此，鉴于学术界和工业界比较普遍的对PD-L1/PD-1药物的研发过程缺乏足够了解，华人抗体协会特别约请陈教授在美国耶鲁大学研究室的王俊博士厘清PD-L1/PD-1药物的研发历史，并着重分析这一药物对今后的肿瘤免疫药物研发带来的启示。

PD-L1/PD-1药物研发带来的启示

PD-L1/PD-1抗体的药物研发是人类征服肿瘤历史上的一个关键突破。这些药物的抗肿瘤机制不同于以往的任何药物，既不是单纯地针对肿瘤，也不是简单地调节免疫细胞，而是特异性地针对肿瘤微环境中关键免疫逃逸机制，通过改善肿瘤免疫微环境来控制和清除肿瘤；所以这种疗法的研发成功将肿瘤免疫推向前所未有的高度，而且为今后的肿瘤免疫基础以及临床研究带来了巨大的革新以及深远影响。目前这种疗法在美国、欧洲、以及日本均得到批准，在中国的临床试验也已经开始；在多种肿瘤治疗中疗效显著，并且效果稳定，副作用比较小，很多肿瘤病人受益其中。作为在肿瘤免疫领域耕耘十多年的一线科研工作者，笔者着重想厘清PD-L1/PD-1抗体药物研发历史的几个关键节点，并且讨论以下两个问题：

1. PD-L1/PD-1药物是怎么研发出来的？

2. PD-L1/PD-1药物特点以及对今后的抗肿瘤药物研发的启示？

PD-L1发现者耶鲁大学教授陈列平

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:22:12

PD-L1/PD-1药物研发史

PD-L1/PD-1药物研发得益于对肿瘤和免疫系统的深刻理解。肿瘤来源于机体自身细胞的突变和恶性增殖；而且这些特征大多是不稳定和异质(heterogeneous)的；所以单纯的针对肿瘤本身的疗法，不管是化疗，放疗，还是后来的肿瘤靶向治疗，在临床治疗上效果并不佳。要么是特异性差，副作用大；要么是只能控制一部分肿瘤，药物治疗后很快导致耐药以及更加恶性的肿瘤产生；所以多年来很少有药物能真正提高病人生存期或者彻底清除肿瘤。而免疫细胞特别是T细胞时刻监视外在致病原以及机体细胞的改变，并且通过独特的特异性调节机制在肿瘤发生发展的长期过程中起着很关键的控制作用。所以，从某种角度上讲，机体的免疫细胞和肿瘤一起进化发展，具备识别自身肿瘤的特异性以及消除肿瘤的能力，但是由于种种原因，失去了对肿瘤的控制能力，导致了肿瘤的发生。了解这种肿瘤与免疫系统之间的关键免疫逃逸机制，是了解PD-L1/PD-1药物研发的关键。

陈列平教授自1990年初就提出了肿瘤微环境存在免疫逃逸关键分子的假说，也一直孜孜不倦地寻找这样的分子来用于肿瘤治疗。陈教授于20世纪80年代从肿瘤临床果断转向基础免疫学研究。那个年代，免疫学家已经开始运用一些细胞膜表面分子来对免疫细胞进行分群。但是这些免疫细胞，特别是T细胞是如何活化的，免疫学家却不是特别清楚，所以期望对细胞的活化以及调控有更深的了解。当时很多科学家企图通过对免疫细胞膜受体的发现和鉴定来对免疫细胞的分子调节机制进行更深入的了解，不少科学家通过产生抗体，消减杂交等手段来企图发现一些对免疫调节重要的分子。在这个过程中，共刺激分子(co-stimulatory molecules) CD28, CTLA-4以及其配体B7的发现是关键事件，印证了Peter Bretscher于1970年提出的淋巴细胞双信号假说：即T细胞活化除了抗原／TCR介导的第一信号之外，还依赖B7配体/ CD28&CTLA-4受体等共刺激分子途径介导的第二信号。陈教授在西雅图的BMS（百时美施贵宝）药物研究所的工作是历史上第一次将共刺激分子引入到肿瘤领域；他证明了转染B7配体的肿瘤细胞可以在小鼠体内诱导极强的免疫反应从而在局部和全身彻底清除肿瘤 (Cell,1992)。这一工作建立了B7以及后续一系列共刺激分子途径在肿瘤免疫领域应用的理论基础，也对后续该领域的药物研发带来了很重要的提示。但是, B7/CD28&CTLA-4途径分子在体内大量表达，并不具有肿瘤特异的特点，并在免疫调节中起着广谱且不可或缺的控制作用。后续的的抗 CD28刺激性抗体(TGN1412)，以及抗CTLA4抗体(ipilimumab )的临床试验也证明了很强的甚至是致命的免疫副作用。在一系列试验性工作的同时，陈教授更加坚定了集中精力寻找肿瘤相关的免疫逃逸分子的信念，最终发现了PD-L1/PD-1途径在肿瘤免疫领域的巨大应用。

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:22:26

以下是PD-L1/PD-1药物研发的一些关键节点：

1. 1990年代初，陈列平教授提出肿瘤微环境存在特异性的免疫逃逸关键分子的假说。

2. 1990～1991年，BMS 科学家Peter Linsley发现B7配体和CD28以及CTLA-4受体的相互作用。这一途径后来被普遍认为是T细胞从初始状态活化的关键途径。(PNAS, 1990; JEM,1991)

3. 1992年陈列平教授在历史上第一次将B7共刺激分子引入到肿瘤领域，验证了共刺激分子在肿瘤免疫领域的巨大潜力，也更加坚定了他寻找肿瘤相关的免疫逃逸分子的信念。(Cell,1992)

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:22:36

4. 1992年日本科学家Tasuku Honjo 从凋亡的B细胞系中克隆了PD-1，并一直认为这是一个参与B细胞调节，跟凋亡相关的分子。Honjo教授的研究兴趣一直在于自身免疫领域，所以他在PD-1分子的工作，多年来一直局限在B细胞以及自身免疫方面。(EMBO J, 1992)

5. 1997年，陈列平教授发现4-1BB抗体活化T细胞从而介导超强的抗肿瘤功能，使这一途径成为肿瘤免疫研究的热点。(Nature Medicine, 1997)

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:22:45

6. 1997左右，时逢人类基因组计划的成功，陈列平教授研究组开始从人类基因EST（表达序列标签）库中寻找新的B7同源分子，从而开启了一系列免疫调节新分子的发现工作。

7. 1999年陈列平教授首次克隆并鉴定了人类B7-H1的T细胞调节功能(Nature Medicine, 1999) 。陈教授在后面的几年之内又陆续鉴定了B7-H2,B7-H3,B7-H4等免疫调节分子。

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:22:57

8. 1999年Honjo教授发现PD-1敲除小鼠具有多器官的轻微自身免疫症状，这一工作清楚阐述了PD-1基因的免疫抑制功能，并揭示有可能参与自身免疫性疾病的发生发展。(Immunity, 1999)

9. 2000年Gordon freeman在陈列平教授发现B7-H1之后，证明了B7-H1/PD-1的相互作用，并将这一分子改名为PD-L1。(JEM,2000)

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:23:09

10. 2002年陈列平教授首次证明了B7-H1(PD-L1)途径作为肿瘤免疫逃逸的可能机制。B7-H1在多种人类肿瘤组织而非正常组织中高表达,并且其表达主要由干扰素来调节。重要的是，用抗体在体外或体内阻断该途径均可以恢复T细胞的免疫功能来攻击肿瘤。(Nature Medicine,2002)

11. 2004年，陈列平教授发现B7-H1(PD-L1) 敲除小鼠并没有明显的自身免疫表型，只是在肝脏有一定的免疫活化，这一工作进一步验证了B7-H1作为免疫负调分子的作用，并且验证了这一途径作为药物靶点的安全性。(Immunity,2004)

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:23:24

12. 2005年陈列平教授发现抗体阻断B7-H1(PD-L1)或者PD-1途径均可以提高抗肿瘤免疫反应。(Cancer Research, 2005)

13. 2005年Rafi Ahmed 通过LCMV慢性病毒感染模型验证了PD-L1/PD-1途径介导T细胞功能衰竭(exhaustion)的机制。不过这一慢性病毒感染模型和肿瘤有一定区别，所以这一发现在肿瘤领域的涵义此后争议不断。(Natue,2005)

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:23:34

14. 2006年陈列平教授, Suzanne Topalian等开始在约翰霍普金斯大学医院倡导开展anti-PD-1抗体的首次临床试验。

15. 2012年约翰霍普金斯大学医院，耶鲁大学纽黑文医院等研究机构开展anti-PD-1抗体首次临床试验结果发表。(NEJM,2012)

youmeng · 发表于 2016-12-23 14:23:43

16. 陈教授研究组很早就开发出PD-L1的肿瘤染色方法，于2012年首次发表PD-L1肿瘤阳性率可以反映anti-PD1/PD-L1抗体临床效果的结果; 并完善了PD-L1/PD-1途径的肿瘤免疫调节机制：介导肿瘤局部的获得性免疫逃逸 (adaptive resistance mechanism of immune escape in the tumor site)。(Science translational medicine, 2012)

17. 2013年肿瘤免疫治疗被Science评为当年的科学突破之首。