癌细胞的伪装术:穿上马甲后,它们就能躲过巨噬细胞的追杀吗?-资讯-知识分子

癌细胞的伪装术:穿上马甲后,它们就能躲过巨噬细胞的追杀吗?

2020/11/19
导读
肿瘤细胞披上“别吃我”马甲,如何在巨噬细胞眼皮底下装成“良民”招摇过市。


图片来自sm.stanford.edu

唐元和年间,唐宪宗决心讨伐淮西节度使吴元济,削平藩镇复兴大唐。


公元817年十月初十,风雪交加,李愬夜间调动唐军敢死队三千人,身着白衣和茫茫大雪融为一体(民间传说待考证),并搅和城外池塘引得鹅鸭叫唤混淆视听,“愬至城下,无一人知者”,成功一举攻占吴元济的老巢蔡州城,由此便有了后人传颂的《李愬雪夜入蔡州》。


这是中国历史上一次著名的乔装奇袭取得胜利的战役。说起乔装打扮的“伪装术”,动物界也玩得炉火纯青。如卡利玛·伊纳库斯蝴蝶便是印度和日本发现的一种若虫蝴蝶,当它的翅膀紧闭时如同一片枯黄树叶,还原度几近百分之百。


伪装术竞技中肿瘤细胞也不甘示弱,本文来聊聊肿瘤细胞披上“别吃我”马甲,如何在巨噬细胞眼皮底下装成“良民”招摇过市。


如果读完本文意犹未尽,此系列还有三篇癌症科普文章:癌细胞也能玩“特洛伊木马计”,靠的是什么?”、“癌细胞胃口这么好,如何釜底抽薪 “饿死” 它们?”以及“在肿瘤治疗领域,为何它是半路杀出的黑马?

撰文 | 丁    零(生物化学博士)

责编 | 李珊珊、叶水送


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癌细胞披上“别吃我”马甲,能骗过巨噬细胞


近年来,肿瘤免疫疗法快速晋升为生物医药圈的流量明星,多种PD-1抑制剂及CAR-T疗法以“后浪拍前浪”之势,冲击着传统疗法。免疫疗法简单来说是组建免疫细胞部队,通过各种培训后解锁其抗肿瘤技能,冲锋陷阵和癌细胞进行斗争。


免疫细胞有两个支部,先天(Innate)免疫和适应性(Adaptive)免疫。


图一:适应性免疫系统成员;图片来源:Engineering the Immune System(Christopher S. Bond Life Sciences Center)。


适应性免疫的王牌部队“杀手T细胞”无疑是得力的精兵强将,有着“狠、准、久”主力军特性。在PD-1抑制剂等装备神助攻下,“杀手T细胞”敏锐发现癌细胞并使用“穿孔素”等“化骨散” ,果决地将敌军一网打尽。


虽“杀手T细胞”战果累累,但部分高冷实体瘤(cold tumor)却执意将它们挡在护城河外。隔岸观火的“杀手T细胞”心有余而力不足,于是免疫军营的将领们便商量着重用巨噬细胞这个看似佛性,出手起来也毫不留情的“先锋兵”。


巨噬细胞的英文名为Macrophage,希腊语里“Macro”是“大”的意思,Phage是“吃“的意思。人如其名,在人体内巡逻时,巨噬细胞如果遇到病原体和癌细胞等异军部队,就以简单粗暴的方法把它直接吃掉,这个过程就叫做“吞噬作用(phagocytosis),风格和上世纪风靡的“吃豆人”游戏有点类似。


图二:吞噬作用示意图;图片来源:Khan Academy。


巨噬细胞对癌细胞杀伤力没有T细胞那么强悍,但在某些肿瘤组织中巨噬细胞占到了肿瘤总重量的一半[1],理论上来说凭“人海战术”也能把癌细胞“吃”得个落花流水。然而,奇怪的是,部分巨噬细胞不但玩忽职守对癌细胞视而不见,还为其献上生长因子这种精品养分。


为了调查巨噬细胞是另有苦衷还是做锤失职的罪行,科学家们进行了几十年的探索,才找出巨噬细胞叛变的始作俑者CD47。


CD47是何方神圣?早在1990年,Hattie Gresham团队就发现了CD47[2]。时隔近二十年,斯坦福大学的Weissman教授十年磨一剑和CD47死磕打底,在2009年《细胞》杂志上刊登文章证据确凿地讨伐CD47,指出其就是迷惑巨噬细胞的头号嫌疑犯[3]。 


具体来讲,巨噬细胞有一个名为“SIRPα”的扫描神器,扫到访客身上有CD47便会出现“绿码”表示安全,于是SIRPα扫描仪得以激活并启动抑制吞噬程序。


肿瘤细胞识破了巨噬细胞的工作流程,便机智地套上CD47马甲。憨厚的巨噬细胞巡逻时遇到癌细胞,在CD47马甲的迷惑下,误当成自己人,不但友好放行还热心肠地提供各种便利。


图三:“别吃我”信号CD47和吞噬作用的关系;图片来源:Front Oncol. 2015 Jan 29;5:7.。


上述研究发现是在动物体内完成,CD47在人体内究竟有没有现实作用?


Weissman教授继续深耕,发现卵巢癌(Ovarian Cancer)、神经胶质瘤(Glioma)和胶质母细胞瘤(Glioblastoma)等患者的存活时间和CD47多少息息相关[4],间接肯定了CD47的重要性。


图四:CD47 mRNA水平和实体瘤预后的关联;图片来源:Nat Rev Cancer, 2019. 19(10): p. 541.。


拯救“迷途”的巨噬细胞


既然巨噬细胞得以沉冤昭雪,科学家又该如何帮助巨噬细胞摆脱癌细胞的操控,使其重新发挥抗癌作用?最简单的办法就是阻止CD47-SIRPα配对,于是靶向CD47/SIRPα的药物应运而生。


CD47/SIRPα特异性抗体等药物可解锁巨噬细胞对癌细胞的吞噬功能,破解“别吃我”迷魂阵,备受专家们吹捧,CD47也顺利成为后PD-(L)1时代肿瘤免疫最重要的明星靶点之一。



图五:SIRPα-CD47免疫检查点对吞噬作用的调节;图片来源:J Clin Oncol, 2019. 37(12): p. 1012-1014。


除了促进吞噬作用,科学家通过各种“缺胳膊短腿”抗体的设计和试验,惊喜地发现CD47/SIRPα抗体还有“一石多鸟”的功效。


图六:SIRPα-CD47抗体;图片来源:Trends Immunol, 2018. 393: p. 173-184。


一个完整的CD47抗体体型和大力水手类似,有着大而健硕的“Fab胳膊”用来抱住SIRPα,以及稍显苗条的“Fc腿”。既然CD47抗体是靠“Fab胳膊”和SIRPα勾搭,进而帮助癌细胞逃逸追捕,那“Fc腿”应该无关紧要?有意思的是,缺少“Fc腿”的抗体竟然无法有效消灭肿瘤细胞[5]。进一步试验证明,“Fc腿”本身也有促进吞噬作用的技能。

 

此外,CD47抗体还能协助树突细胞将抗原呈递给T细胞,召集T细胞过来帮忙,齐心协力对付癌细胞;也可以直接激活肿瘤细胞凋亡途径,诱导肿瘤细胞群体性“自杀”[6]

图七: 靶向CD47的四个作用机理;图片来源:Crit Rev Oncol Hematol. 2020 Aug;152:103014.。


是骡子是马拉出来遛遛,是时候拿数据说话了。


2017年年初,还是这位斯坦福的老先生Weissman教授,野心勃勃选取了五种恶性儿童脑瘤进行CD47抗体测试。这五种儿童脑瘤可是肿瘤界的大恶霸,极具致命性和杀伤力,一旦被盯上几乎等同于死亡判决。


不过一物降一物,老先生惊喜地发现 CD47抗体Hu5F9-G4确实可以抑制这五种儿童脑瘤的生长:神经胶质瘤小鼠本21天左右就一命呜呼,注射高剂量Hu5F9-G4后竟活了38天[7]


图八:CD47抗体在具有免疫能力的C57BL/6宿主中抑制肿瘤生长;图片来源: Sci Transl Med, 2017. 9381)。


动物数据这么给力,Weissman教授团队于是一鼓作气启动人体临床的探究。两名患有透明细胞卵巢癌和输卵管癌的患者经过治疗后,肿瘤分别小了50%和44%[8]


图九:(A)透明细胞卵巢癌患者和(B)输卵管癌患者中观察到了CD47抗体疗效;图片来源:J Clin Oncol, 2019. 37(12): p. 946-953。


癌细胞的“伪装术”这么轻而易举就破解了?看到这,细心的读者可能意识到一个破绽:癌细胞处心积虑披上CD47马甲是为了乔装打扮成“自己人,不被巨噬细胞吃掉。用CD47抗体破坏癌细胞CD47的同时,如假包换的“自己人”是不是也会被连累?

 

很多正常细胞确实也穿着CD47这个“别吃我”马甲,但癌细胞还得瑟得插了一些“吃我”的信号旗帜(如钙网蛋白)。巨噬细胞在哈姆雷特式to eat or not to eat的思索中,悟出最佳解决方案是运用东方哲学的精髓,找到“吃我”和“别吃我”信号之间的平衡,所以大部分健康细胞哪怕没了“别吃我”马甲,得益于“吃我”信号的缺失也可躲过一劫。

 

棘手的是,人类重要的朋友红细胞也有“吃我”信号,这意味着靶向CD47药物在杀伤肿瘤细胞同时会不可避免误伤红细胞。事实上,有两个临床试验因为发现患者红细胞下降情况而被叫停。

 

兵来将挡,水来土掩。借鉴失败经验,科学家开启了CD47抗体2.0升级版本的探索,摸索出三个主要对策:




海选只识别癌细胞CD47的抗体

红细胞是两侧凹形,肿瘤细胞是球状,身材不同在挑选CD47马甲的时候自然品味各异,也就是说肿瘤细胞和红细胞表面的CD47其实款式不尽相同,理论上来说完全可以找出只破坏肿瘤细胞CD47的抗体。


在所有CD47抗体海选的主办方中,天境生物是绝对佼佼者。利用全人源抗体文库和噬菌体展示技术,天境生物另辟蹊径通过反向筛选最终获得了CD47单抗冠军选手TJC4。


与其他CD47抗体不同,TJC4能识别肿瘤细胞CD47独特标记,而该标记在红细胞上由于糖基化修饰不能充分暴露,因此TJC4对红细胞的结合力微弱。

TJC4临床一期初步结果显示单注射给药从1mg/kg至30mg/kg剂量范围内患者都未发生严重的血液学不良事件。天境生物也凭借TJC4这个种子选手,获得了艾伯维29亿美元的赞助费用。


抗体再改造

和海选并行开展还有抗体再改造。如果挑不到合适的,花功夫包装二类选手也不失为一捷径。 


Trillium Therapeutics全新打造的TTI-621就是人SIRPα的N端V结构域与人IgG1 Fc区融合构成的抗体融合蛋白,数据显示可最大限度减少与红细胞的结合,从而将贫血降至最低。


图十:TTI-621和红细胞的结合;图片来源:Trillium公司官网。

保全大局,牺牲衰老红细胞

和老化红细胞不一样,新生红细胞表面表达“吃我”信号较低,因此对CD47抗体介导的吞噬作用不太敏感。发现这一规律后,Weissman教授创始的Forty Seven公司开发了CD47抗体Hu5F9-G4,并且使用了别出心裁的二步给药方案。

第一步先给患者1mg/kg的启动剂量,用来牺牲掉体内老化红细胞,虽然会导致暂时性轻度贫血,但也可以刺激网织红细胞成熟,补偿性分化出新鲜的年轻红细胞;第二步便可以高枕无忧放心使用较高剂量的抗体(30 mg/kg)实现抗肿瘤作用。 

临床数据显示Hu5F9-G4联合阿扎胞苷对骨髓增生异常综合征(MDS)和急性髓系白血病(AML)患者治疗具有良好的效果。24名MDS患者中,总缓解率达到92%,50% 患者实现完全缓解;22名AML患者中,总缓解率为64%,完全缓解率为41%。


双剑合璧乘胜追击


CD47靶向药物千好万好毕竟身单力薄,下一步计划就是拉上志同道合的伙伴一起行动。要知道前辈PD-(L)1可是召集了几百号盟友[9],才进一步巩固了挥斥方遒的江湖地位。

 

上文已提到Hu5F9-G4联合阿扎胞苷的临床试验,接下来再举几个例子:


1
和其他免疫疗法强强联合


CD47抗体阻断吞噬作用后可将肿瘤抗原呈递给T细胞,从而诱导T细胞追杀癌细胞。因此与T细胞抑制剂(PD-(L)1)联合不失为一妙计。多项临床前研究已经表明CD47与PD-(L)1抑制剂确实合作愉快,发挥了一加一大于二的作用。 


图十一:CD47和PD-1联合疗法对肿瘤体积的影响;数据来源:[10]。


在临床试验中也CD47和PD-(L)1抗体也表现出色, 67%的患者接受RRx-001(CD47抗体)和纳武单抗治疗后疾病得以有效的控制(NCT02518958)

 

此外和利妥昔单抗(CD20抗体)的联合疗法也得到初步临床验证。临床1b期研究(NCT02953509)评估了CD47抗体5F9联合利妥昔单抗在22例复发或耐药的弥漫性大B细胞淋巴瘤(DLBCL)或滤泡性淋巴瘤中的有效性及安全性:50%患者客观缓解,其中36%为完全缓解。滤泡性淋巴瘤患者的客观缓解率为71%,高于DLBCL 患者(40%)[11]


图十二:5F9联合利妥昔单抗临床数据;数据来源:N Engl J Med, 2018. 379(18): p. 1711-1721。


2
增强“吃我”信号


既然癌细胞被不被吃掉取决于“吃我”和“别吃我”信号的平衡,按照这个思路不难想到增强“吃我”信号可让CD47抗体如虎添翼。增强“吃我”信号的方法包括化疗、细胞毒性剂、以及诱导细胞凋亡的药物等,比如上文提到的Hu5F9-G4和阿扎胞苷的联用。


3
进一步削弱“别吃我”信号


单单抑制CD47后仍有一些癌细胞对吞噬作用产生抵抗。是“吃我”信号太强?CD47抑制不够彻底?巨噬细胞触达不到肿瘤区域?还是另有蹊跷?

 

带着这些疑问, Weissman教授猜测极有可能CD47抗体奈何不了的癌细胞存在其它“别吃我”信号。不出所料,Weissman教授又发现了两个“不吃我”信号分子:MHC1和CD24。不得不说癌细胞玩的都是套路。

 

和正常细胞比,部分癌细胞有更多的CD24[12],并且CD24和巨噬细胞上的Siglec-10相结合(类似CD47和SIRPα这对CP)后也会释放“别吃我”信号:“将患者的癌细胞与巨噬细胞混合在一个培养皿中,然后阻断CD24与Siglec-10之间的相互作用,巨噬细胞就会像享用自助餐一样狼吞虎咽地吞噬癌细胞”[13]


图十三:CD24/Siglec-10信号通路;数据来源:Nature, 2019. 572(7769): p. 392-396 。


尽管还需要更多数据支撑,值得推敲的是CD24与CD47似乎以互补的方式发挥作用。有些癌症,如血癌,对CD47抗体非常敏感,但对CD24抑制剂却不那么感冒;而其它癌症如卵巢癌,情况正好相反。果然是一个萝卜一个坑。



图片来源:Nat Rev Drug Discov. 2019 Sep;18(10):747; Simon Bradbrook。


CD47-SIRPα 吞噬信号通路最早于1990年被发现,一直到2009年,人们才发现抑制CD47可恢复巨噬细胞吞噬癌细胞的技能[14]。接下来短短10年间,超过20个CD47抗体纷纷进入临床试验阶段,MHC1 -LILRB1[15]和CD24- Siglec-10[12]两条新的“别吃我”信号通路也被相继发现。


第二代CD47抗体从初期临床数据来看很好地控制了“伤及无辜”,但整体治疗功效如何,是否能为PD-(L)1不响应患者提供新的治疗方案,除了已知的“别吃我”信号是否还有其他漏网之鱼?如何科学地替CD47抗体寻找合作伙伴?相信在不久的将来这些问题会被一一解答,CD47等抗体也会有更多崭露头角的机会。


作者简介:

丁零,生物化学博士,青年写作者。曾就职霍华德·休斯医学研究所及MD安德森癌症中心,现从事咨询行业。


参考文献:


1.Morrison, C., Immuno-oncologists eye up macrophage targets. Nat Rev Drug Discov, 2016. 15(6): p. 373-4.

2.Brown, E., et al., Integrin-associated protein: a 50-kD plasma membrane antigen physically and functionally associated with integrins. J Cell Biol, 1990. 111(6 Pt 1): p. 2785-94.

3.Jaiswal, S., et al., CD47 is upregulated on circulating hematopoietic stem cells and leukemia cells to avoid phagocytosis. Cell, 2009. 138(2): p. 271-85.

4.Bradley, C.A., CD24 - a novel 'don't eat me' signal. Nat Rev Cancer, 2019. 19(10): p. 541.

5.Veillette, A. and J. Chen, SIRPalpha-CD47 Immune Checkpoint Blockade in Anticancer Therapy. Trends Immunol, 2018. 39(3): p. 173-184.

6.Feng, R., et al., CD47: the next checkpoint target for cancer immunotherapy. Crit Rev Oncol Hematol, 2020. 152: p. 103014.

7.Gholamin, S., et al., Disrupting the CD47-SIRPalpha anti-phagocytic axis by a humanized anti-CD47 antibody is an efficacious treatment for malignant pediatric brain tumors. Sci Transl Med, 2017. 9(381).

8.Sikic, B.I., et al., First-in-Human, First-in-Class Phase I Trial of the Anti-CD47 Antibody Hu5F9-G4 in Patients With Advanced Cancers. J Clin Oncol, 2019. 37(12): p. 946-953.

9.Xin Yu, J., V.M. Hubbard-Lucey, and J. Tang, Immuno-oncology drug development goes global. Nat Rev Drug Discov, 2019. 18(12): p. 899-900.

10.Li, Y., et al., Vaccination with CD47 deficient tumor cells elicits an antitumor immune response in mice. Nat Commun, 2020. 11(1): p. 581.

11.Advani, R., et al., CD47 Blockade by Hu5F9-G4 and Rituximab in Non-Hodgkin's Lymphoma. N Engl J Med, 2018. 379(18): p. 1711-1721.

12.Barkal, A.A., et al., CD24 signalling through macrophage Siglec-10 is a target for cancer immunotherapy. Nature, 2019. 572(7769): p. 392-396.

13.New ‘don’t eat me’ signal may provide basis for cancer therapies, in Standford Medicine News Center. 2019.

14.Feng, M., et al., Phagocytosis checkpoints as new targets for cancer immunotherapy. Nat Rev Cancer, 2019. 19(10): p. 568-586.

15.Barkal, A.A., et al., Engagement of MHC class I by the inhibitory receptor LILRB1 suppresses macrophages and is a target of cancer immunotherapy. Nat Immunol, 2018. 19(1): p. 76-84.


制版编辑 | Morgan

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