科研

测序周报 · 科研篇:从癌症免疫疗法的关键里程碑说起……

上周,FDA的咨询委员会专家以10:0的投票结果,建议批准诺华公司的CAR-T疗法CTL019,用于治疗儿童和青少年晚期急性淋巴性白血病。这个投票结果也成为这一类个体化细胞免疫疗法的关键里程碑。

此外,在本月初发表于Nature期刊两项临床试验中,研究人员发现根据个人特定的癌症突变定制的疫苗能够在少数患者中避免肿瘤复发,研究报告表明,这是一种可以对抗人类的癌症的有效方法。研究人员还提出了癌症疫苗与免疫治疗相结合来提高疫苗功效的理念。

肿瘤免疫疗法给肿瘤的有效控制带来了令人惊喜的进展,本文聚焦于了免疫肿瘤学领域的最新进展,包括演变趋势、研究人员的需求以及可推动这一快速发展领域的基因组技术。我们回顾了免疫治疗中三个大有前途的领域,包括检查点抑制剂、疫苗免疫治疗和过继细胞转移。

引言

从传统意义上说,癌症治疗的手段包括手术、放疗和化疗。最近,免疫肿瘤学领域出现了一些前景良好的治疗选择,它们有望发展成抗癌治疗的新方法。高通量的新一代测序(NGS)在癌症和免疫学研究的作用显著,并促进了个性化免疫治疗的开发。例如,NGS已经大大改善了我们对癌症基因组以及肿瘤发展所涉及到的细胞内机制的了解。目前的肿瘤分析方法可有效发现新的表位(新抗原),它们有望成为免疫系统的靶点。测序也能确定免疫组库,从而高度灵敏地实时监控肿瘤生长或治疗时细胞群体的克隆扩增和收缩。

免疫系统天生就有能力识别肿瘤细胞中的突变,并激活针对肿瘤特异抗原的T细胞反应,防止宿主的癌症发展。尽管免疫系统定期清除来源于宿主的潜在肿瘤,但是当肿瘤细胞设法逃避免疫反应时,癌症就只能成功出现了。因此,大量的研究旨在了解肿瘤和免疫系统之间的复杂相互作用,这有望带来改良的癌症治疗。

基因组学方法已经提供了大量的新信息,在这些信息的指导下,对免疫反应的操控已经带来了一些前景良好的疗法,它们或促进免疫系统瞄准癌症,或限制肿瘤逃避天然免疫反应。NGS技术的进一步发展增加了人们对调控免疫反应的复杂通路的了解(图1),并改良了人们在确定肿瘤是否是特定免疫治疗的适当候选时所用的方法。

图1:T细胞介导的免疫力 – 建立一个成功的免疫反应需要很多步,这可被免疫治疗所扩大。死亡的肿瘤细胞释放肿瘤特异的抗原。新抗原被抗原呈递细胞识别,并呈递给T细胞,当它们绕过了免疫检查点时,T细胞被激活。激活的T细胞在血液中循环,直至肿瘤渗透。当肿瘤被识别时,它必须绕过其他的检查点,否则全身性的T细胞反应就会建立。橙色文字代表了这篇应用聚焦中介绍的免疫调控治疗。图片改编自Chen和Mellman。

检查点抑制剂

免疫系统采用一套精心安排的机制来识别外来的病原体或肿瘤细胞带有的突变表位。在过去几十年,人们的种种努力带来了目前对免疫细胞固有的检查点的了解,它们可防止T细胞激活。这些通常被肿瘤所利用,以逃避免疫反应。在最近的治疗方法中,检查点的操控已经表现出巨大的潜力。一个关键的检查点存在于抗原呈递细胞启动T细胞的过程中,这需要B7配体的共刺激结合。CTLA-4受体与B7的结合导致T细胞反应被抑制(图2A)。2011年,美国FDA批准了一种针对这个受体的单克隆抗体(Ipilimumab),用于转移性黑色素瘤的临床治疗。另一个关键的检查点在PD1与PDL1的结合,其中2种PD1抗体(pembrolizumab和nivolumab)在2014年被批准(图2B),而更多的抑制性药物还在开发当中。这两种疗法都在一定时间内表现出良好的临床反应。然而,只有少数肿瘤有着内源的T细胞反应,可对免疫检查点阻断作出反应。

图2:检查点抑制剂疗法 – 人体内存在天然的机制来抑制T细胞反应,这取决于配体与受体PD-1和CTLA-4的结合。这些受体的单克隆抗体已经表现出积极的临床结果,但只是在某些患者中。目前的工作包括寻找生物标志物,作为检查点抑制剂疗法是否成功的预后指标,或建议组合疗法。A. 抗原呈递细胞启动T细胞的激活需要共刺激配体B7的结合。B7与CTLA-4受体的结合抑制共刺激,而用抗体阻断CTLA-4实现共刺激。B. 当抑制性配体PD-L1与T细胞上的PD-1受体结合时,肿瘤特异配体的识别并不足以激活T细胞。PD-1抗体阻断这一相互作用,并激活T细胞。

随着检查点抑制剂的成功,鉴定那些能预测是否响应这些疗法的因素就成了当务之急。这些新药的疗效在部分程度上取决于每个肿瘤的免疫原性水平。不过还需要肿瘤微环境中相互作用通路的更多信息,才能改善预测能力。有时,单个检查点介质的表达与阳性临床反应直接相关,但在其他情况下,对动态免疫反应的复杂性还知之甚少。人们观察到肿瘤的突变负荷与对单个检查点抑制剂的反应存在正相关,但其本身不是预测性的。因此,人们通过外显子组测序和RNA测序来开发鉴定生物标志物图谱的方法,这些图谱能指示特定治疗方案的良好搭配。例如,RNA分析可用于鉴定肿瘤微环境中的其他因素,它们影响了检查点疗法的效果,如诱导性和抑制性细胞因子、可能抑制T细胞反应的其他细胞类型的局部招募,以及肠道的微生物组成。

疫苗免疫治疗

癌细胞的蛋白编码基因中存在的突变是新抗原(neoantigen)的潜在来源,它们是免疫系统可能针对的目标。为了增强组织特异的T细胞免疫,疫苗在1980年之后被开发出。这一领域的早期尝试很少成功,在部分程度上是因为呈递了全细胞裂解液,其中高效的免疫原被免疫上无关的抗原所稀释。最近NGS的进步实现了新抗原的预测性选择,这有可能激发肿瘤特异的反应。

质量相对数量的方法正在表现出潜力。

通过外显子组测序或转录组测序,癌细胞的DNA和/或RNA正被高效鉴定,其重点放在免疫细胞可能呈递的突变上。通过改进生物信息学工具来分析特定的突变图谱,促进了新抗原的选择(图3)在计算机算法的指导下,表位预测模型能够智能选择出那些可能产生高亲和力表位并与MHC分子结合的突变。

重组DNA技术的进一步突破,如将表达RNA的新抗原转导到抗原呈递细胞,使得激发肿瘤特异的免疫反应获得了成功。肿瘤分析和疫苗开发的快速周转促进了近期临床试验的成功,预示着这种类型的治疗有望增加。

图3:外显子组和转录组测序对个性化免疫疗法的开发十分关键 – 通过测序肿瘤细胞的编码区和表达基因可确定新抗原。通过改良的预测性算法可进一步改善表位的选择及与HLA受体的亲和力。之后,利用一小组智能选择的新抗原来进行疫苗开发或过继细胞转移。

过继细胞转移

过继细胞转移(ACT)的疗法涉及到肿瘤特异的淋巴细胞的选择。与疫苗开发相似,新抗原的选择可能要在淋巴细胞的筛选或改造之前完成(图4)。最近,黑色素瘤和某些白血病的ACT试验已经成功,目前正被应用在其他类型的癌症上。根据所使用的细胞类型,ACT可分为两个子类。

图4:过继细胞转移 – 人们利用新抗原选择的改良方法来筛选那些表现出肿瘤特异性识别的淋巴细胞。淋巴细胞经过改造和/或体外扩增,可输注患者,增强免疫反应。

CAR T细胞

T淋巴细胞可在体外进行修饰,以表达针对肿瘤特异抗原的嵌合抗原受体(CAR)。经过修饰的CAR T细胞被输注患者,以便在体内靶定作为抗原来源的肿瘤。这种方法已带来一些输注CAR T细胞的报告,它们扩增了1000倍,说明抗原特异的反应。此外,这些方法还带来阳性的临床结果,以及CAR的持续表达,和免疫记忆细胞持续存在的证据。

肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)

肿瘤外显子组的鉴定已经促进了肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)的发现,这些细胞识别和瞄准癌症突变的产物。在体外生长和激活后,TIL经过筛选,再重新注入患者,带来积极的肿瘤靶向。黑色素瘤的治疗已产生最好的结果,但进一步筛查确定了TIL的存在,它们可能识别其他肿瘤的新抗原。

个性化免疫疗法的明智开发

各种临床试验已经表明,将靶向治疗或化疗与免疫治疗相结合,可成功增强天然的免疫反应,其结果比单独使用任一种方法要好。T细胞免疫周期(图1)的几个阶段可被同时操控。显然,我们还需要更多信息来开发策略,才能弄清楚哪种肿瘤适合个性化的治疗方案。为了达到这一目标,那些旨在全面评估各种因素的方法将让这一领域受益,包括但不限于,免疫检查点分子的表达、肿瘤的突变负荷、预测的新抗原、肿瘤微环境以及肠道的微生物组成。领先的研究人员正在不断利用NGS技术来发现新的生物标志物,以及新的分析工具,它们将指导更加个性化的医疗方法。

由于新抗原的存在并不一定与T细胞免疫的诱导相关联,肿瘤突变谱以外的因素的拷问可能有助于鉴定新的预后指标。肿瘤组织的微环境相差很大,而其他细胞类型的存在可能影响T细胞渗透和攻击肿瘤细胞的能力。人们利用NGS分析来鉴定免疫组库,微环境中的各种细胞群体,以及抑制或改善T细胞反应的基因的表达。TIL的数量和特定克隆扩增的程度都是适应性免疫反应的指标。更多T细胞和B细胞受体的特异分析有望指导组合疗法。

最近的小鼠模型研究为宿主微生物组影响免疫反应的强度的可能性提供了原理证明。在一项研究中,CTLA-4的阻断治疗得到了阴性结果,这与缺乏特定的肠道细菌相关联。然而,一些组合方法改善了结果,如细菌灌胃、利用细菌抗原来免疫,或将抗原特异的T细胞过继转移。一项独立研究利用微生物测序(16S RNA-Seq)鉴定出另一种介导了PD-L1治疗效果的微生物。同样地,组合方法明显影响了肿瘤生长。这些研究指出了推动这一领域的其他方法,包括涉及到操控微生物群的组合方法,或鉴定新的预后指标。

NGS在免疫肿瘤学研究中的应用

外显子组测序和转录组测序的应用对免疫调控疗法的发现、开发和了解至关重要。此外,预测性算法的不断改进也更好地实现了新抗原预测。这种方法及其他方法有望受益于更大量的基因组数据,这将带来更好的关联,可确定特定疗法的临床响应。

目前免疫治疗的成功还说明,关于免疫系统的复杂性,很多还有待了解。尽管在一部分晚期癌症患者中看到持续的临床响应,但还需要了解更多,才能用个性化医疗的方法去操控免疫系统。未来需要从整体上观察许多病例的宿主环境。跳出新抗原图谱的范围,对肿瘤细胞当中和周围的生物标志物的搜索会带来新的预后指标和新的治疗方法。局部肿瘤环境的RNA测序有望检测与介导T细胞反应有关的支持性和抑制性细胞群体。

大量证据将基因的表观遗传调控与肿瘤发生相关联。对于介导免疫反应的基因,进一步的研究可能说明引起基因表达提高和/或降低的相似机制。例如,在某些病例中,人们发现表观遗传沉默降低了HLA基因的表达,这继而破坏了T细胞介导的免疫。尽管RNA分析可检测免疫调控基因的异常表达,但基于NGS的表观遗传分析的出现让样品得以快速研究,以便更好地确定异常的原因。同时,非编码调控RNA的分析(小RNA-Seq)也有助于确定肿瘤逃避的机制。这些知识可能指向其他模式的组合疗法,比如治疗方案中表观遗传调控药物的合理使用。

监控肿瘤发展常用的其他方法也适用于免疫治疗方法。NGS的应用为全面获得信息提供了多种灵敏且高通量的工具(表1)。

表1:免疫肿瘤学的应用

结语

目前,科学家正在进入癌症免疫治疗的下一个阶段,我们也期待惊喜的到来。但是该领域仍然面临许多挑战。或许有一天,免疫治疗能够成为我们带来更多的惊喜,并成为攻克癌症的“终极武器”。

来源:生物通

本周科研进展

1. 近日,在一项新的研究中,来自美国波士顿儿童医院、哈佛医学院和哈佛干细胞研究所的研究人员发现细胞让这些印记基因沉默的一种新方法:通过化学手段标记组蛋白。组蛋白有助让DNA在细胞核中紧密缠绕着。相关研究结果于2017年7月19日在线发表在Nature期刊上。

2. 7月19日,发表在Science Advances杂志上的一项研究表明,利用基因测序和行为测试的结合,研究人员鉴别出了几个似乎与狗狗性格有关的基因突变。了解释狗如何演变成我们所了解和喜爱的宠物,科学家已经鉴别出了一些可能使狗形成温顺性格的基因突变。这项新研究更广泛地推动了解了犬类神秘起源的一部分,并且解释了它们如何成为人类最好的毛茸茸的朋友。

3. 7月16日,Nature子刊Scientific Reports在线发表了一项最新文章,揭示了一种检测乳腺癌患者血液中循环肿瘤细胞的定量微流控设备。这一新型便携式设备由来自于罗维拉•维尔吉利大学(URV)物理、无机化学学院的科研团队开发。它能够实时计量血液样本中肿瘤细胞的数量,具有高效、便捷、无创的优势,可提高癌症监测、诊断和治疗效率。

4. 日前,一项刊登在国际杂志Science Translational Medicine上的研究报告中,来自宾夕法尼亚大学的研究人员通过研究发现开发出了一种新型生物标志物检测盘(biomarker panel),或能够帮助进行胰腺癌的早期诊断并且开发新型治疗癌症的疗法。

5. 近日,德国Max Planck研究所的免疫生物学和表观遗传学研究人员获得有力的证据:在生命的传递过程中,下一代不仅继承了DNA本身,也继承了有助于在后代中基因表达调节的表观遗传指令。Nicola Iovino的实验室首次描述了这种遗传信息的生物学后果,新见解于7月14日发表在Science上。研究证明,母亲的表观遗传记忆对新一代的发育和生存至关重要。

6. 7月17日,在发表于Nature Genetics上的最新研究中,宾法尼亚大学Schellenberg博士及其国际研究团队在小神经胶质细胞中发现了三种变异编码的蛋白质,这三种蛋白质是脑损伤反应系统的一部分。文章描述的遗传变异是一种“自然现象”,特定的编码变异对阿尔茨海默病的发病风险有深刻影响。

7. 近日,一项研究显示,人体内75%的DNA是“垃圾”,再度引发行业的热议。数十年来,生物学家一直为人类大多数基因都有某些作用。但该研究却驳斥了这一观点,指出人类大部分DNA毫无用处。

8. 日前,我国科学家近日在染色体 3D 结构以及在早期胚胎发育过程中染色体结构的重编程变化方面取得重大科学突破,相关成果发表于国际著名期刊Cell。此次研究成果为深入了解哺乳动物如何从受精卵发育成一个多功能的个体打下了重要的基础,为研究者认识早期胚胎中真实的 3D 基因组结构做了良好的铺垫,哺乳细胞早期胚胎发育高分辨率染色体高级结构图谱数据将为表观遗传、生物信息研究领域提供宝贵的资源,帮助揭示胚胎发育的奥秘。

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1. Analysis of the gut bacterial communities in beef cattle and their association with feed intake, growth, and efficiency.Myer PR et al. J Anim Sci. 2017 Jul

2. Genome analysis of E. coli isolated from Crohn's disease patients.Rakitina DV et al.BMC Genomics. 2017 Jul 19

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4. Complete genome sequencing and characterization revealed a recombinant subgroup B isolate of avian leukosis virus with a subgroup J-like U3 region.Wang P et al.Virus Genes. 2017 Jul 17.

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4. An Atlas of Human Regulatory T Helper-like Cells Reveals Features of Th2-like Tregs that Support a Tumorigenic Environment.Halim L et al.Cell Rep. 2017 Jul 18

5. TMEM88, CCL14 and CLEC3B as prognostic biomarkers for prognosis and palindromia of human hepatocellular carcinoma.Zhang X et al.Tumour Biol. 2017 Jul

6. Widespread alternative exon usage in clinically distinct subtypes of Invasive Ductal Carcinoma.Bjørklund SS et al.Sci Rep. 2017 Jul 17

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本文由 测序中国 作者:王迪 发表,转载请注明来源!

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