2014年，在圣路易斯華盛頓大學醫(yī)學院里，6名黑色素瘤患者接受了由他們自身免疫細胞構(gòu)成的癌癥疫苗的治療。研究人員在2個月前從患者血液中提取了免疫細胞，在實驗室中進行培養(yǎng)，并將這些稱為樹突狀細胞（dendritic cells）的免疫細胞與基于每位患者腫瘤基因組中特定基因突變而合成的多肽混合在一起。這些細胞像在體內(nèi)吞噬外來抗原一樣“吃掉”了多肽片段。科學家們希望這些注回患者體內(nèi)的樹突狀細胞能夠誘導T細胞的激活和擴增，在發(fā)現(xiàn)和殺死癌細胞的同時，避免傷及健康組織。這是最早進行的個體化癌癥疫苗臨床試驗之一。自此之后，個體化癌癥疫苗的魅力吸引了眾多學術(shù)研究機構(gòu)和醫(yī)藥公司開展了更多臨床研究。近日，明星癌癥疫苗公司Neon Therapeutics公司宣布，該公司的個體化新抗原癌癥疫苗，在臨床試驗中延長了黑色素瘤、非小細胞肺癌和膀胱癌患者的無進展生存期，展現(xiàn)了個體化癌癥疫苗的潛力。癌癥疫苗被人譽為繼免疫檢查點抑制劑和CAR-T療法之后，癌癥免疫領(lǐng)域?qū)霈F(xiàn)的第三大突破。想要讓這一預言成為現(xiàn)實，科學家們還需要作出哪些努力？
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個體化癌癥疫苗的開發(fā)是基于人體對癌癥抗原的免疫反應(yīng)。從腫瘤中釋放的抗原，會被像樹突狀細胞這樣的抗原呈遞細胞吞噬，然后經(jīng)過處理后，與主要組織相容性復合體（MHC）相結(jié)合，呈現(xiàn)在細胞的表面。然后，這些呈現(xiàn)癌癥抗原的細胞會遷移到淋巴結(jié)中，通過與T細胞表面的T細胞受體（TCR）的結(jié)合，激活T細胞并促進它們的增殖。激活后的T細胞可以遷移到腫瘤附近，對腫瘤進行攻擊。個體化癌癥疫苗的開發(fā)策略是從癌癥患者的腫瘤中發(fā)現(xiàn)因為基因突變，只在腫瘤中表達的新抗原（neoantigen），并且使用這些抗原構(gòu)建癌癥疫苗。因為這些抗原只在腫瘤中表達，它不會引起由于T細胞對健康組織的攻擊而產(chǎn)生的毒副作用。而且個體化的疫苗制造方式是確保疫苗會引發(fā)對患者腫瘤的免疫反應(yīng)的最佳方法。
▲癌癥免疫力產(chǎn)生的圖示（圖片來源：參考資料[1]）
目前有超過20個正在進行的臨床試驗，檢驗個體化癌癥疫苗治療不同癌癥類型的安全性和療效。按照疫苗的遞送方式，它們可以被分為三大類：合成長多肽、RNA/DNA、和樹突狀細胞。這些遞送方式有著各自的利弊：合成長多肽是最常見的遞送個體化癌癥疫苗的方式。通常，研究人員通過對患者腫瘤基因組的測序，發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生新抗原的基因突變，然后通過生物信息學模型，篩選出可能生成新抗原的多肽序列，在體外進行人工合成。這些多肽鏈的長度在20個氨基酸左右。多肽疫苗的優(yōu)勢在于由于是人工合成，它們的成產(chǎn)可以擴大化，而且多肽疫苗中可以包含多個新抗原表位，從而確保免疫細胞對疫苗產(chǎn)生免疫反應(yīng)。長多肽片段與短多肽片段相比，除了激活CD8+ T細胞以外，還可以激活CD4+ T細胞，從而更好地激發(fā)免疫反應(yīng)。然而，這些多肽需要在GMP環(huán)境下分別針對特定患者進行合成，然后混合在一起，隨著多肽鏈長度和多肽數(shù)目的增加，制造成本也隨之提升。多肽鏈長度越長，人工合成時出現(xiàn)的錯誤率越高，從而限制了合成過程的產(chǎn)量。這些因素可能限制這類個體化疫苗未來的推廣。
▲多肽類個體化癌癥疫苗的生產(chǎn)流程（圖片來源：參考資料[1]）
使用DNA或RNA編碼新抗原從制造工藝上來看比長多肽類的疫苗更為簡便，產(chǎn)品的質(zhì)量檢測也可以通過簡單的測序來進行（多肽類疫苗的質(zhì)量檢測需要質(zhì)譜技術(shù)）。它們可以編碼多個新抗原表型，提高免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫反應(yīng)的機率。這類疫苗面臨的最大挑戰(zhàn)是如何將編碼新抗原的DNA/RNA序列成功導入到細胞中，讓它們能夠被翻譯成多肽片段。專精于開發(fā)mRNA療法的Moderna公司的研發(fā)管線中就有一項個體化癌癥疫苗研究，目前它已經(jīng)進入2期臨床階段。上述兩種類型的癌癥疫苗還需要在體內(nèi)被樹突狀細胞或其它抗原呈遞細胞吞噬并且處理，才可能生效，而基于樹突狀細胞的疫苗已經(jīng)在體外完成了這一步驟。基于樹突狀細胞的癌癥疫苗在激發(fā)免疫反應(yīng)方面非常有效，因為樹突狀細胞在免疫系統(tǒng)中的功能就是呈遞抗原。然而，這類疫苗的合成需要對從血液中獲取的免疫細胞進行謹慎的培養(yǎng)。在GMP環(huán)境下完成原先在實驗室中進行的步驟，并且擴大樹突狀細胞疫苗的生產(chǎn)，需要對復雜制造工藝的大量優(yōu)化。
▲個體化癌癥疫苗臨床試驗分類數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來源：參考資料[2]，藥明康德內(nèi)容團隊制圖）
發(fā)揮個體化癌癥疫苗需要克服的挑戰(zhàn)
開發(fā)個體化癌癥疫苗面對的最大挑戰(zhàn)是如何找到能夠最大限度激發(fā)免疫反應(yīng)的新抗原。對癌癥基因組進行測序發(fā)現(xiàn)的基因突變并不一定會生成蛋白，因此，從DNA測序中發(fā)現(xiàn)的編碼新抗原的DNA序列需要與對腫瘤進行RNA測序獲得的信息進行對照，確認攜帶突變的DNA序列能夠被腫瘤細胞表達。除此之外，這些攜帶基因突變的DNA序列都要經(jīng)過生物信息學模型的篩選，找出最可能產(chǎn)生免疫原性的序列。目前，各家公司都有自己的計算科學平臺，使用人工智能對已有免疫表位庫進行分析，根據(jù)它們的三維結(jié)構(gòu)和結(jié)合數(shù)據(jù)，訓練計算工具來發(fā)現(xiàn)構(gòu)成癌癥疫苗的最佳序列。抗原呈遞是一個復雜的過程，抗原會被樹突狀細胞內(nèi)的蛋白酶體降解，然后生成的多肽片段需要與MHC產(chǎn)生特異性結(jié)合，才能夠被呈現(xiàn)在樹突狀細胞表面。已有的計算工具并不能夠很好地預測這一過程。因此，科學家們已經(jīng)開始從細胞中提取MHC-抗原復合體，從中分解出能夠與MHC結(jié)合的抗原，然后利用質(zhì)譜技術(shù)對這些抗原的特征進行分析。利用質(zhì)譜分析獲得的數(shù)據(jù)對計算工具重新進行訓練，可以提高預測性模型的準確性。日前，TScan公司的科學創(chuàng)始人，哈佛大學醫(yī)學院的Stephen Elledge博士率領(lǐng)的研究團隊在《細胞》雜志上發(fā)表了一篇科學論文，介紹了名為TScan的高通量篩選技術(shù)，能夠篩選出與T細胞表面表達的TCR相結(jié)合的抗原，并且對它們的特征進行分析。這一技術(shù)不但可能發(fā)現(xiàn)作為癌癥疫苗的新抗原，而且對這些抗原結(jié)構(gòu)進行分析積累的數(shù)據(jù)，可以用于進一步優(yōu)化預測新抗原的計算模型。
▲TScan技術(shù)平臺圖示（圖片來源：參考資料[3]）
除了發(fā)現(xiàn)新抗原以外，如何優(yōu)化輸入患者體內(nèi)的疫苗激發(fā)的免疫反應(yīng)也是科研人員創(chuàng)新的方向。由于抗原呈遞細胞需要在淋巴結(jié)中與T細胞接觸，完成激活T細胞的過程。很多癌癥疫苗采用淋巴結(jié)注射的給藥模式。然而，基于多肽或者RNA的疫苗由于分子量比較小，可能從淋巴管壁滲出，導致這些疫苗成分還沒有接觸到免疫細胞就被血液循環(huán)帶到身體其它部位，降低了免疫反應(yīng)的強度。Elicio Therapeutics公司開發(fā)的雙親性分子（amphiphiles）平臺在多肽鏈上添加了一個親脂性分子，讓疫苗成分能夠與淋巴系統(tǒng)中的白蛋白（albumin）結(jié)合，幫助將疫苗成分從注射位點運送到淋巴結(jié)中，大幅度提高免疫反應(yīng)的強度。該公司近日公布的臨床前實驗結(jié)果表明，基于這一技術(shù)開發(fā)的KRAS疫苗能夠激發(fā)針對癌細胞的強力細胞裂解反應(yīng)。
▲Elicio公司雙親分子平臺作用機制（圖片來源：Elicio公司官網(wǎng)）
已有的癌癥疫苗研究表明，獲得強力免疫反應(yīng)需要三個因素：多個具有免疫原性的抗原，有效的遞送載體，和克服免疫抑制環(huán)境的有效方法。因此，與抗PD-1抗體等免疫檢查點抑制劑聯(lián)用可能個體化癌癥疫苗充分發(fā)揮其潛力的有效方法。已經(jīng)公布的臨床試驗結(jié)果表明，個體化癌癥疫苗與PD-1抑制劑聯(lián)用可能在患者中引發(fā)更持久的緩解。目前進行的個體化癌癥疫苗臨床試驗中，大部分都包含與免疫檢查點抑制劑聯(lián)用的患者組。除了優(yōu)化新抗原的選擇和遞送方式以外，開發(fā)驗證疫苗效力的生物標志物將幫助對疫苗進行檢測和篩選，從而最大化疫苗的效果。個體化癌癥疫苗在最近公布結(jié)果的早期臨床試驗中顯示了可喜的療效，這些進展離不開癌癥基因組學、癌癥免疫學、疫苗開發(fā)、腫瘤學和診斷領(lǐng)域研究人員的系統(tǒng)努力。而擴大癌癥疫苗的生產(chǎn)和開發(fā)需要醫(yī)藥級別的生產(chǎn)專家和對疫苗反應(yīng)、腫瘤因此產(chǎn)生的抗性，以及患者嚴重副作用的系統(tǒng)性臨床監(jiān)控。這將需要學術(shù)界和工業(yè)界的緊密合作。我們期待，在生態(tài)圈所有成員的努力下，個體化癌癥疫苗能夠充分發(fā)揮它的潛力，成為癌癥免疫領(lǐng)域繼免疫檢查點抑制劑和CAR-T療法之后的第三個突破！
參考資料：
[1] The New Personalized Cancer Treatment: Why Neoantigen Vaccines Could Be The Next Big Immunotherapy Breakthrough. Retrieved August 9, 2019, from https://www.cbinsights.com/research/report/what-are-neoantigen-vaccines-personalized-cancer-treatment/
[2] Personalized Cancer Vaccines in Clinical Trials. Retrieved August 9, 2019, from https://www.the-scientist.com/features/personalized-cancer-vaccines-in-clinical-trials-66075
[3] Kula et al. (2019). T-Scan: A Genome-wide Method for the Systematic Discovery of T Cell Epitopes. Cell, https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.07.009.
[4] Aldous and Dong, (2018). Personalized neoantigen vaccines: A new approach to cancer immunotherapy. Bioorganic & Medicinal Chemistry.
[5] Hollingsworth & Jansen, (2019). Turning the corner on therapeutic cancer vaccines. NPJ Vaccines, https://doi.org/10.1038/s41541-019-0103-y
