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Nature 为引,一文看懂个体化肿瘤疫苗前世今生

来源:生物谷 2017-08-01 11:46

进入2017年,当红辣子鸡PD-1疗法,一路横扫多个适应症。而CAR-T治疗的“小车”在获得FDA专委会推荐后也已经走上高速路,成为免疫治疗又一里程碑事件。PD-1、CAR-T之后,下一个免疫治疗产品又将花落谁家?

7月初,Nature同期发表2项临床试验结果,突然引爆个性化肿瘤疫苗热点,新技术是横空出世吗?还是有三生三世,十里桃花早已播种?

Nature 为引,本文让你一文看懂,解读个体化肿瘤疫苗前世今生,窥探未来发展。

个性化肿瘤疫苗星火早现,顶级联盟成立只为攻关克难

7月5日,《Nature》杂志同期发表两项独立临床I期试验结果,来自美国Dana-Farber癌症中心和德国美因茨大学的两个研究团队,分别展示了其“个性化肿瘤疫苗”在临床治疗上取得的重大突破。继PD-1/PD-L1抗体、CAR-T细胞治疗之后,“个性化肿瘤疫苗”迅速进入大众视野,并成为免疫治疗新的讨论和研究热点。但“个性化肿瘤疫苗”并不是横空出世的崭新技术,在进入大众视野之前,其早已受到学术界、产业界的热烈追捧。

在免疫治疗抗议癌症的战斗中,以PD-1/PD-L1抗体为代表的免疫药物疗法,和以CAR-T为代表的免疫细胞疗法,正在逐步革新肿瘤治疗的传统范式,但这两种疗法也都还存在一些不足:PD-1/PD-L1药物的作用机制非常复杂,受益群体相对有限,部分患者还可能存在耐药和加速进展的风险。CAR-T疗法涉及基因工程改造,还可能会引发细胞因子风暴,而且靶点过于单一,且在实体瘤中效果不佳。为此,科学家们努力尝试寻找新的治疗方法,以弥补上述两种免疫疗法的不足。研究肿瘤新抗原,并藉此开发个性化肿瘤疫苗,就成为了一个重要而又热门的方向。

个性化肿瘤疫苗如此重要,以至于MD Anderson Cancer Center、Broad Institure、BMS、Genetech等30多家国外顶级机构纷纷布局和追逐。去年12月份,在美国癌症研究所(CRI)和Parker研究所(PICI)的发起下,这30多家顶级机构达成一致,共同成立了新TESLA联盟(新抗原筛查联盟——the Tumor Epitope SeLection Alliance),目的在于共同推进“个性化肿瘤疫苗”的研究和应用。值得一提的是,《Nature》两篇文章主要研究者Catherine Wu和Ugur Sahin均为新抗原相关生物公司的创始人,而他们背后的单位——Neon Therapeutics公司以及BioNTech公司也都是新TESLA联盟的一员。

国际上的研究如火如荼,国内也不甘落后,一直朝着这一领域努力。裕策生物是中国首个加入新TESLA联盟的机构,其新抗原的检测分析实力上经过了全面的考核和评估,目前也已经参与到联盟内有关新抗原的项目合作。


图1 新TESLA联盟部分成员

从通用到个性化,肿瘤疫苗屡败屡战史

全球癌症疫苗研究已有近20年的历史,目前在美国ClinicalTrials.gov注册Cancer Vaccine的临床研发项目累计多达947项。但治疗性肿瘤疫苗的研发每一步都举步维艰,有幸被批准上市的治疗性癌症疫苗更是寥寥无几。早前几年,包括GSK,默克,赛诺菲在内的药企巨头都在癌症疫苗领域投入重金投入研发癌症疫苗,2011年前后,肿瘤疫苗产品的研发达到一段黄金期。2013年下半年以来,多个重磅疫苗的三期临床试验遭遇滑铁卢,在耗费大量精力财力后,不得不壮士断臂,其中不乏Stimuvax(靶向MUC1,默克公司)以及GSK1572932A(靶向MAGE-A3,GSK)这样的明星产品。即便是被FDA批准上市的首个肿瘤疫苗Provenge,也因为成本和有效性的问题,几经转手,最终被中国一家公司收购。从研发策略来看,这些疫苗选择的都是肿瘤相关性抗原(TAA)。江苏健安生物科技有限公司创始人王建新教授曾评价:TAA是机体自身具有的蛋白(只是在癌症细胞上大量表达而已),因此病人对这些抗原应该是早就有“中枢免疫耐受”了。因此无论如何刺激,也不能达到疗效。所以这类被称为“癌症相关抗原”的蛋白并非理想“抗原”。

随着新技术的发展,neoantigen(肿瘤新抗原)逐步进入科学家视野。neoantigen通常由肿瘤细胞基因组突变产生,仅存在肿瘤细胞,所以又称为肿瘤特异性抗原(TSA)。由于正常细胞不会产生和表达TSA,所以能更有效的激发机体免疫反应。《Nature》杂志同期发表两项独立临床I期试验结果,就是通过对肿瘤细胞进行DNA和RNA测序,寻找肿瘤细胞因基因突变而特异表达的neoantigen,然后构建个性化的肿瘤疫苗,回输到体内激活免疫细胞,并杀死带有上述抗原的肿瘤细胞。传统肿瘤疫苗和基于新抗原的个体化肿瘤疫苗的比较见图2。


图2 传统疫苗 vs 个体化neoantigen疫苗

新抗原预测——计算出来的治疗新希望

个性化肿瘤疫苗技术的突破,关键在于neoantigen的检测及预测技术的发展。中山大学附属肿瘤医院张晓实教授认为:“肿瘤细胞的体细胞突变是随机的,相同病理类型肿瘤的不同患者之间出现相同新抗原的可能性低于1%,不可能“预制”新抗原。”所以每一例肿瘤患者接受治疗前,都必须检测肿瘤突变,并分析和预测可能作为治疗靶点的neoantigen。neoantigen领域的研究在上个世纪前半叶就已经开启,但受限于检测技术的落后,临床应用非常缓慢。

随着NGS测序技术的发展,筛选肿瘤特异性抗原实现了技术上的突破。2013年,Rosenberg团队率先利用外显子技术,在肿瘤细胞系上发现neoantigens,并验证了其免疫反应。通过使用NGS技术和构建算法模型,外显子测序和转录组测序能准确表征肿瘤细胞的DNA和RNA,找出可能引起免疫细胞识别的肿瘤突变,生物信息学工具的发展则提高了肿瘤新生抗原的筛选能力,基因组大数据和计算机算法加速了肿瘤表位预测以及MHC(主要组织相容性复合体)亲和力预测,推动了个体化肿瘤疫苗的发展。

但是,新抗原的准确预测依旧是构建个性化肿瘤疫苗的最主要挑战,算法是其中的核心。预测哪些癌症突变会导致能被免疫系统识别的新抗原,从而刺激免疫系统发现和杀死相关的癌细胞,每个实验室都有一套自己的算法和流程,标准不统一,而且由于分析复杂度的问题,国外科学家认为目前的算法准确性预计<40%。其中涉及基因数据预处理,突变检测,HLA分型鉴定,表达定量,neo-peptide预测,蛋白裂解,TAP转运,MHC亲和力预测,克隆状态分析以及新抗原筛选等,这也正是新TESLA联盟致力于解决的技术难题。

从实验室走向临床,临床结果终获认可

Neoantigen的检测及预测技术取得突破后,基于neoantigen的精准免疫治疗技术也快速发展。2014年-2015年,Rosenberg、Schreiber、Delamarre、Sahin等团队陆续应用该技术成功找到肿瘤新抗原,并在转移性胆管癌患者、晚期黑色素瘤等患者身上实现了有效的治疗。2016年2月4日,《nature medicine》杂志针对neoantigen做了专题新闻报道,认为肿瘤突变作为弹药库,可以让我们对肿瘤治疗有更进一步的了解和深入的观察。

基于肿瘤新抗原的精准免疫治疗技术热度随之而升高,2016年末,Rosenberg筛选出了靶向KRAS 基因G12D突变后新抗原的TIL细胞,扩增回输后使得肿瘤消退,文章发表在顶级医学杂志《NEJM》。进入2017年,不管是AACR年会,还是ASCO大会,都有不少肿瘤新抗原的报道, Dana-Farber癌症研究中心的Catherine Wu(本次发表的两篇《Nature》文章作者之一)也报道了个体化疫苗在临床上控制肿瘤的研究。在ASCO上检索有关neoantigen的摘要就有30篇。

之前的研究成果,都是个案的报道,《Nature》杂志的同期两篇文章,是首次在临床试验中取得成功的癌症疫苗研究。预期类似更多的研发工作将会开展,更多的临床试验结果将会发表。在美国临床医学实验官方网站clinicaltrials.gov上查询,目前与neoantigen相关的在线备案临床试验有49项,筛选出的免疫疗法临床试验有21项(见图4),黑色素瘤、胶质母细胞瘤,三阴性乳腺癌,滤泡癌和非小细胞肺癌等均有涉及。2016年1月12日,“癌症登月计划2020”(Cancer MoonShot 2020)启动,目标在2020年之前开发出以疫苗为基础的有效抗癌免疫疗法。基于neoantigen的精准免疫疗法将迎来发展的高潮,其应用也会受到广泛认可。


图3 肿瘤新抗原技术发展史


图4:neoantigen免疫疗法临床试验总结

注:截至2017年7月,圆圈大小代表临床试验数,最小为1

资本争相追逐,商业化产品未来可期

成功的临床治疗效果令人振奋,基于neoantigen的精准免疫治疗的应用潜力也让人们看到了其巨大的市场价值,所以neoantigen的商业化应用也得到了资本的热捧,一系列的企业纷纷投身其中。

展望未来,历史有可能会惊人的相似,抗PD-1药物和CAR-T疗法的进程,都是先经历具有划时代意义的临床研究个例,再推广到大量临床研究,进而在重要会议(PD-1在2015年ASCO上独占鳌头;CAR-T在2016年ASCO上成为焦点)上大规模披露积极临床数据,因为CAR-T技术的复杂性和涉及到基因修饰的伦理安全性,CAR-T疗法上市比PD-1治疗滞后不少,但仍然在这个月获得FDA评审专家的全票通过,未来非常有可能在今年10月份之前被FDA批准。以此推断的话,如果一切顺利,未来在2020年,基于neoantigen的个体化肿瘤疫苗可能会在诸如ASOC这样的国际重要会议上展示大量积极的临床数据,并且有希望在经过两三年后取得上市资格。衷心希望个体化肿瘤疫苗能够给肿瘤治疗带来新的治疗理念和效果,将如今谈之色变的癌症变成慢性病,实现带瘤生存的中期目标。


图5 个体化肿瘤疫苗未来发展历程及预测


图6 肿瘤新抗原领域相关公司融资情况汇总

未来充满挑战,“天梯计划”助推行业发展

“我认为,在我们祝贺两篇Nature论文作者的精彩工作之后,我们需要冷静下来,仔细思考新抗原疫苗会面临的问题和挑战。这些问题并不都很“新”。”——美国约翰·霍普金斯大学的郑雷教授在接受《中国医学论坛报》采访时谈到。虽然未来可期,但由于neoantigen预测算法尚不成熟,对肿瘤微环境认知依旧缺乏,个性化肿瘤疫苗、neoantigen的应用仍面临巨大挑战。

为了加速最新的癌症免疫疗法,实现肿瘤防治的跨越式突破。国内的肿瘤基因组领先技术企业裕策生物,发起了中国抗癌“天梯计划”。“天梯计划”由中国工程院詹启敏院士担任专家顾问委员会主任委员,核心目标是建立中国首个万人级别的3D肿瘤免疫基因组数据库,不仅包括肿瘤基因组的数据,还包括肿瘤微环境和免疫治疗临床试验,建立3个维度的测序数据和临床数据,从而进一步加深对免疫治疗、肿瘤微环境的认知。同时,“天梯计划”还计划建立国内首个开源、开放的neoantigen技术评测体系和标准。期望国内的学术界、产业界能够集中力量、通力合作,共同解决相关技术难点和痛点,为细胞免疫治疗建立neoantigen(肿瘤新抗原)的检测方法和标准,为免疫治疗新技术的研发和发展奠定基础。

总结

此次黑色素瘤个体化肿瘤疫苗的早期临床结果取得了积极数据,令人振奋,为人类抗肿瘤事业的成功又增添了新希望,但我们更需要有对照的、随机的、有更多参与者的阶段 II、Ⅲ 期临床试验,排除其他因素,例如在Catherine Wu的研究中心,首先对患者进行了手术切除,以进一步证明个体化疫苗对癌症治疗的有效性。

总的来说,基于肿瘤新抗原的精准免疫治疗方法,并不是对目前免疫治疗方法完全颠覆和抛弃,而是仍然建立在目前主流的免疫治疗方法之上,所以该方法的应用与发展,也应该是建立现有免疫治疗产业的基础之上。随着对肿瘤-免疫相互作用机制理解的深入、基因数据解读能力的提高、新抗原预测算法的优化等科学认识和技术的发展,基于新抗原的肿瘤精准免疫治疗研究应用也将逐步扩大,未来的发展可能同样会是三步走的态势:短期内作为手术、放化疗、靶向治疗之外的辅助治疗;中期来看,跟其他疗法或药物联合治疗,清楚肿瘤微小残留,防止复发和转移;最终有可能实现对肿瘤的长久控制。



参考文献:

1. A dendritic cell vaccine increases the breadth and diversity of melanoma neoantigen-specific T cells. doi: 10.1126/science.aaa3828.

2. Cancer immunotherapy based on mutation-specific CD4+ T cells in a patient with epithelial cancer. doi: 10.1126/science.1251102.

3. Mutational landscape determines sensitivity to PD-1 blockade in non-small cell lung cancer. doi: 10.1126/science.aaa1348.

4. Radiation and dual checkpoint blockade activate non-redundant immune mechanisms in cancer. doi: 10.1038/nature14292.

5. Parker Institute for Cancer Immunotherapy and Cancer Research Institute Launch Collaboration on Cancer Neoantigens

6. An immunogenic personal neoantigen vaccine for patients with melanoma. Nature. 2017 Jul 5. doi: 10.1038/nature22991.

7. Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific therapeutic immunity against cancer. Nature. 2017 Jul 5. doi: 10.1038/nature23003.

8. Personalized tumor vaccines keep cancer in check .Science DOI:10.1126/science.aaa3828

9. 独家 | 个性化癌症疫苗、诺华CAR-T ,免疫治疗进入了怎样的新阶段?

10. 张晓实教授:肿瘤特异性免疫治疗的时代正在来临

11 郑雷教授:新疫苗创造新突破,但面临“旧”挑战
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