[科普]PD-1免疫疗法的那些事儿(超全攻略)

[科普]PD-1免疫疗法的那些事儿(超全攻略)

我们人体的免疫系统可以识别并且杀死癌细胞,然而癌细胞还是能逃脱免疫系统的追杀。

那么癌细胞是如何逃脱的呢?immune checkpoint (免疫检查点)起到了关键的作用。通过抑制T细胞,它可以抑制肿瘤微环境(TME)中免疫系统对肿瘤的防御力。

相对的,阻断immune checkpoint可以重新激活T细胞,帮助免疫系统清除癌细胞。

在众多的immune checkpoint中,PD-1是一个重要的靶点。在这篇文章中,我将配合思维导图帮大家详细了解PD-1免疫疗法的那些事儿。


表达 (Expression)

Naive T细胞在TCR信号通路激活的时候,会飞快地表达PD-1。而当T细胞被连续不断地刺激时,T细胞会变成exhausted T,会持续性地表达很高的PD-1。

除了在CD4, CD8 T细胞上有表达,PD-1在Treg, B, NK, NKT细胞也有表达。

目前已知的PD-1的ligand有两个:

  • PD-L1 (CD274)
  • PD-L2 (CD273)


和PD-L1相比,PD-L2跟PD-1有更好的粘性,但是表达范围没有PD-L1那么广。

PD-L1在很多种细胞上都有表达。免疫细胞中有T,B, macrophage,DC;非免疫细胞中有epithelial (上皮细胞), stromal(基质) 和endothelial (内皮细胞)。

PD-L2的表达主要集中在免疫细胞上,比如DC, macrophage, B, Th2细胞。至于非免疫细胞,PD-L2会在上皮细胞有表达,尤其是肺的上皮细胞。

很多跟发炎有关的分子都可以刺激PD-L1/2的表达,比如IFNg,至于其它的分子大家可以参照上图。这个现象总结一下就是:发炎-->PD-L1/2增高 -->免疫细胞被抑制 ,属于“负反馈”调节。在免疫学中,这也叫adaptive immune resistance (后天免疫抵抗性)。这种抵抗性在健康的人体中是用来保护正常组织,但在病人中却可以帮助肿瘤细胞逃脱。

除了和PD-1结合,PD-L1和PD-L2还可以和其它分子结合。

  • PD-L1和T细胞上的B7-1 (CD80)结合,来抑制T细胞。
  • PD-L2和RGMb结合,调节肺部的T细胞。


PD-1信号通路

PD-1的信号主要会经历以下几步:

  1. PD-1 cytoplasmic部分的tyrosine motifs的磷酸化,也就是ITIM(immune-receptor tyrosine based inhibitory motif)和ITSM (switch motif)的磷酸化。
  2. 磷酸化会招来并激活SHP2(去磷酸的酶)
  3. SHP2会抑制 Zap-70 (TCR signaling)和PI3K (CD28 co-stimulatory signaling)
  4. TCR/CD28信号降低,T细胞活性被抑制。



PD-1信号激活之后有什么后果呢?

  • T细胞活性被抑制
    • T细胞周期停留在G1
    • 细胞毒性(cytotoxic)物质降低
    • 凋亡因子上调,比如Bim


  • T细胞的机动性和与DC接触的长度发生改变,使得DC没法有效地激活T细胞


  • T细胞内新陈代谢的变化,正常T细胞新陈代谢一般是用glycolysis, 但是在抑制的T细胞中,glycolysis降低,更多的是fatty acid oxidation。


  • PD-1信号的激活会涉及它的ligand,表达ligand的细胞会受到影响。
    • 实验证明,anti-PD-L1可以影响肿瘤细胞的活性,换而言之,PD-L1信号激活可以促进肿瘤细胞。


现在我们知道了PD-1信号激活对于T细胞的影响了,那么它在我们人体内主要有什么功能呢?


PD-1的功能

  • 参与T细胞在thymus(胸腺)内的成长


这里我科普一下T细胞是如何在胸腺内走向成熟的。

下图中蓝色的部分是胸腺,始祖T细胞会从骨髓中迁移到胸腺。

始祖T在胸腺中会经历以下几个阶段:

Double-negative是CD4-CD8-; double-positive 是CD4+CD8+

TCR有两种,αβ TCR和 γδ TCR。我们经常说的CD4 T细胞和CD8T细胞都属于αβ这一类。

αβ这个名字来源于TCR结构的两条链,如下图。


对于普通的T细胞,也就是αβ T细胞,DN2到DN3阶段是进行β链重组,重组成功之后,会先和一个假的α链 (pTα, pre-TCRα)配对,表达在细胞膜上,并且释放一个信号,使得另一个chromosome上的β链停止重组(因为我们chromosome都是一对一对的嘛,一条来自妈妈,一条来自爸爸),这个信号同时会促进细胞表达CD4和CD8,因此形成了Double positive (DP) T细胞。

DP阶段中,α链会进行重组,来自父母双方的两条chromosome上的α链会同时重组,好处是如果其中一个α链重组失败,还有另一条。坏处是,容易形成有两种TCR,即α1β和α2β,但这个问题可以由post-translation(翻译后修饰)来解决。

拥有完整TCR的T细胞会经历正向选择(positive selection)和负向选择(negative selection)。

正选可以决定T细胞最后是CD8还是CD4 T细胞。DP T细胞的TCR会和胸腺上皮细胞(thymic epithelial cell, TEC)的MHC相接触。如果TCR识别MHCI,最后会变成CD8;如果识别MHCII,最后会变成CD4。如下图。

这个TCR和MHC的接触只能是浅尝辄止,如果二者契合度过高,细胞就会凋亡,从而形成了负向选择,如下图。

负向选择主要由胸腺DC和胸腺上皮细胞负责。胸腺上皮细胞可以表达我们人体很多器官特有的抗原,这个表达主要是由转录因子AIRE来调控,上皮细胞还可以把这些抗原传给DC。一旦T细胞识别这些抗原,就会立即凋亡。因此,负向选择可以帮我们消除自身免疫(即免疫细胞不会攻击我们自身)。

这基本就是T细胞在胸腺中走向成熟的全过程了,下图是一个概括。

成熟的T细胞也叫naive T,会转移到2nd lymphoid tissues(淋巴组织),即下图。

以上就是T细胞在胸腺内的成长历程。

回到PD-1,实验证明,PD-1可以影响T细胞的正向选择。缺失PD1或PD-L1的小鼠在胸腺拥有更多的DP T细胞。至于如何影响T细胞库,目前还不是非常清楚。

PD-1除了会影响T细胞库,还会对secondary lymphoid tissue中的naive T细胞有影响。

  • PD-1可以左右naive T细胞的命运
    • DC 和 T细胞接触时PD1的信号会决定naive T细胞是否被激活 (activation or tolerence)


除此之外,PD-1还可以保护我们身体的器官。

  • PD-1保护器官不受到免疫细胞的攻击
    • 在EAE 模型中,self-react T细胞会表达很高的PD-1,器官会表达很高的PD-L1
    • PD-1缺失的老鼠有很强烈的自身免疫。


[关于EAE模型,全称是experimental autoimmune encephalomyelitis, 是一种免疫实验里常见的模型。主要是把CNS(中枢神经系统)的蛋白,比如myelin相关物质-->PLP, MBP, MOG,和adjuvent混合(常用CFA),皮下打入到老鼠体内进行immunization。老鼠之后会产生抗CNS的免疫细胞,形成自身免疫。]


长期病毒感染的PD-1

在长期感染(chronic infection)中,T细胞会不再产生IL-2, TNF, IFNg,而是进入了exhaustion(衰竭)状态。

  • 连续不断的抗原/TCR刺激使得T细胞高表达PD-1
  • 长期感染会促成很多发炎分子的产生,这些分子会刺激T细胞使其维持PD-L1的高表达


注意的是,PD-1的高表达对于T细胞的衰竭并不是诱因,而是起维持作用。

  • 去掉PD-1,衰竭的T细胞会变成彻底衰竭(terminally exhausted)的T细胞
  • 彻底衰竭的T细胞不会再被重新激活。


PD-1和肿瘤

研究PD-1/PD-L1在肿瘤中的作用主要会问两个问题:

  • 是肿瘤的PD-L1影响力大?
  • 还是体内(host-derived)的PD-L1影响力大?


[关于host-derived PD-L1: 文章的第一部分我们说了PD-L1的表达,它存在于T,B, macrophage,DC, 所以host-derived PD-L1其实就是看这些细胞对于清除肿瘤的重要性。]

验证第一个问题,往往需要在肿瘤细胞里敲掉PD-L1,再打入老鼠体内观察肿瘤生长即可。

验证第二个问题,则需要在PD-L1缺失的老鼠,把肿瘤细胞打入,再观察肿瘤生长。

不同的肿瘤类型,给出的答案也不一样。

在MC38肠癌这种免疫性很强(high immunogenic)的肿瘤里,PD-L1是更重要的,因为敲掉PD-L1大大地降低了MC38肿瘤的生长。

AH Sharpe, 2017 JEM

而在没那么免疫性强的肿瘤里,比如在B16和D4m黑色素瘤中,host-derived的PD-L1更为重要。

AH Sharpe, 2017 JEM


在通过用PD1/PD-L1阻断抗体来清除肿瘤的过程中,其它因素也必不可少:

  • T细胞需要在场
  • 需要BATF3+ DC用来表达抗原
  • 需要DC STING激活,并且分泌IFNg来起始(initiate)清除。
  • 需要一些微生物的合作,帮助DC。(原理未知)
  • 抗体fc的部分和macrophage的协作。
  • 等等......


PD-1/PD-L1的阻断抗体和其它药物的组合


临床PD-1/PD-L1的阻断抗体

以上是目前批准的阻断抗体(欢迎大家来补充),但我觉得知道nivo是anti-PD1 和ipi是anti-CTLA4就够了。

在人体中,这些抗体被发现可以促进血液中CD8细胞的繁殖,即有更多的Ki67+ CD8细胞。

另一个问题是,抗体的效果是取决于PD-L1在APC的表达还是PD-L1在肿瘤上的表达?

这个回答一直是有争议的。在一些肿瘤中,PD-L1表达和抗体的效果呈正相关,而在一些肿瘤中,二者根本没有相关性。

还有一些证据则表明,抗体的效果取决于APC和T细胞之间是否有B7/CD28结合,这意味着APC也相当重要。

由于人体里不能做基因敲除的实验,所以抗体的在人体内的效果到底是取决于哪一方并不是很清晰。


PD-1/PD-L1阻断抗体的效果预测

众所周知,PD-1/PD-L1抗体不仅价格昂贵,在人体内还有一些副作用。而且这些抗体只在一部分患者体内有效果。因此,预测抗体是否有效就变得很重要了。

目前的方案:

  • 根据肿瘤中PD-L1的表达来预测
    • 比较难,虽然在肺癌患者中,PD-1抗体只允许给肿瘤表达PD-L1的患者用,但并不意味着PD-L1的表达可以当作绝对指标。事实上在肾癌和膀胱癌中,PD-L1和抗体效果根本没联系。
  • 通过MHC1的抗原来预测,即通过neoantigen来预测
  • 看肿瘤的突变量(tumor mutational burden)
    • 肿瘤内基因突变量越高,抗体效果往往越好
  • 看肿瘤内转录因子表达的规律
    • 比如看IFN信号通路的基因表达,目前在临床三期(phase III)测试IFN通路上16个基因的表达和抗体效果的关联。


对抗体的抵抗性

为什么抗体对于一些病人无效呢?

研究发现,有以下几个原因:

  • MHC1 的表达出问题了
    • 患者如果缺失B2M,抗体治疗就会无效。B2M参照下图的A


  • 肿瘤内Wnt/b-catenin通路激活
    • 这条通路激活的肿瘤往往是cold tumor,即免疫细胞缺失的肿瘤。


  • IFN通路缺失
    • 研究发现,在那些对CTLA-4抗体疗程没反应的患者中,他们的肿瘤有IFN通路上基因的缺失。


  • 还有其它的inhibitory checkpoint (免疫检查点)尚未未阻断
    • 在肾癌(RCC)中,同时阻断CTLA-4和PD-1才会有效。


  • 等等,欢迎来补充



-----------------------------------我是结束的分界线--------------------------------------


以上就是全部的思维导图了,不知道你对PD-1/PD-L1有没有一些了解了呢?欢迎大家在下面留言喔,我也会定期来补充新的东西:)

编辑于 2019-02-17

文章被以下专栏收录