Nature综述：开发个体化癌症疫苗，BioNTech首席执行官分享新抗原发现洞见

▎药明康德内容团队编辑

癌细胞因为基因突变，能够产生只在肿瘤中表达的新抗原（neoantigens），这些新抗原可以被人体的T细胞识别，并且对表达它们的癌细胞进行攻击。因为这些新抗原不在健康组织中表达，因此它们是治疗性癌症疫苗的理想靶点之一。因为与辉瑞合作开发mRNA新冠疫苗而为人熟知的BioNTech公司在开发新冠疫苗之前，致力于开发基于mRNA的癌症疫苗。近日，该公司首席执行官兼联合创始人Ugur Sahin博士作为资深作者，和合作伙伴一起在Nature Reviews Drug Discovery上发表了一篇综述，分享了在发现用于个体化癌症疫苗的新抗原方面的洞见。

今天这篇文章中，药明康德内容团队将与读者分享这一综述的部分精彩内容，点击文末“阅读全文/Read more”，即可访问综述网址。

新抗原呈递和识别的基本原理

和细胞表达的其它内源性蛋白一样，癌细胞表达的新抗原会由蛋白酶体降解成为小的多肽链。这些多肽与I型主要组织相容性（MHC-I）分子形成复合体，然后被呈现在癌细胞表面。它们可以被CD8阳性T细胞识别。浸润肿瘤的免疫细胞，包括树突状细胞、巨噬细胞和B细胞可以作为抗原呈递细胞（APCs），摄取新抗原，并将它们呈递给曾经被激活的CD4和CD8记忆阳性T细胞。

值得注意的是，癌细胞和浸润肿瘤的APCs都不能直接激活幼稚T细胞（naïve T cells）。对幼稚T细胞的激活几乎完全由驻留在淋巴结中的树突状细胞完成。这些抗原呈递细胞从淋巴液中摄取可溶性新抗原，或者从迁移到淋巴结中的其它抗原呈递细胞上获取新抗原，然后呈现给幼稚T细胞。被激活的幼稚T细胞转变为可识别特定新抗原的CD4和CD8阳性记忆T细胞和效应T细胞。

激活幼稚T细胞需要高水平的抗原-MHC复合体和共刺激信号。一旦转换为记忆T细胞，它们可以被水平低很多的新抗原呈递激活。被激活的记忆T细胞和效应T细胞离开淋巴结，再迁移到肿瘤中，在有利的肿瘤微环境下，它们可以识别癌细胞表面或肿瘤内抗原呈递细胞表达的新抗原，行使控制肿瘤生长的多种功能。

▲新抗原呈递和激活T淋巴细胞的机制（图片来源：参考资料[1]）

癌症疫苗的最终目的，是刺激新的新抗原特异性T细胞的产生，或者重新激活已有的新抗原特异性T细胞，从而促进持续的适应性抗癌免疫反应，直至癌细胞被完全消灭。如何筛选癌症疫苗包含的新抗原是癌症疫苗能否有效的关键之一。并不是所有的新抗原都能够有效刺激抗原特异性T细胞的产生，根据新抗原激活抗原特异性T细胞的能力，综述作者将它们分为三类。

新抗原的三种类型

作者表示，不同的新抗原在不同的临床环境下产生激发抗癌免疫反应的作用。有些新抗原在尚未接受过治疗的患者体内就能激发强力的抗癌免疫反应，它们通常与更好的预后相关；而另一些新抗原只有在患者接受过免疫检查点抑制剂治疗之后，才能激活抗癌免疫反应。根据它们在不同临床环境下激发免疫反应的能力，作者将它们分为三大类。

守护新抗原（guarding neoantigens）

在未接受过治疗的癌症患者中，也可以发现自发产生的针对新抗原的CD4和CD8阳性T细胞。这些新抗原具有守护功能，它们能够在癌症临床症状尚不明显的时候介导早期的肿瘤排斥，或者降低肿瘤生长速度，抑制转移的发生。它们的主要特征是在未接受过免疫疗法治疗的患者中，这些新抗原的表达就足以驱动具有临床意义的抗癌免疫反应。

守护新抗原可以分为两类，一种是在肿瘤细胞中高度表达，而且可以与MHC蛋白高亲和力结合并且形成稳定复合体的新抗原。这些特征会在原位瘤出现早期就激发强力的细胞毒性T细胞反应，抑制原位瘤的生长和转移。这类抗原在人类中很难发现，关于它的最强证据来自小鼠模型。

第二类守护新抗原类型能够被已经存在的交叉反应性（cross-reactive）记忆T细胞识别。这是说幼稚T细胞在过去受到其它抗原的激活而生成了记忆T细胞，而这些记忆T细胞表达的T细胞受体（TCR）恰好能够识别肿瘤表达的新抗原。比如，曾经被病毒、肠道微生物组、和其它病原体激活的T细胞可能识别的某些肿瘤新抗原。

由于激活记忆T细胞的阈值比激活幼稚T细胞的阈值要低50倍，这意味着那些因为表达水平不够高、与MHC亲和力不强，或无法形成稳定复合体，而无法在淋巴结中激活幼稚T细胞的新抗原，可能激活已经存在的交叉反应性记忆T细胞。

守护新抗原控制着癌症的自然进展过程，并且与未接受过免疫疗法治疗的癌症患者的更好预后相关。而且免疫检查点抑制剂或新抗原疫苗可能进一步增强已有的T细胞反应。它的一个潜在缺陷是由于在癌症早期出现，可能成为癌症免疫逃逸的首要目标。

▲不同类型新抗原的特征（图片来源：参考资料[1]）

限制性新抗原（restrained neoantigens）

并不是所有在患者中自发产生的新抗原特异性T细胞都能够行使杀伤癌细胞的作用。有些针对新抗原的T细胞只有在接受免疫检查点抑制剂治疗之后才重新被激活。综述作者将这些T细胞识别的抗原归为限制性新抗原。

限制性新抗原仍然需要在肿瘤中高度表达，与MHC蛋白高亲和力结合并且构成稳定复合体。它们能够预测免疫疗法的临床效益。

被忽略的新抗原（ignored neoantigens）

不过在人类癌症中，只有很少一部分突变能够生成激起自发T细胞反应的守护新抗原或者限制性新抗原。大部分基因突变产生的蛋白虽然也能够被MHC分子呈现，但是无法激起自发的T细胞反应。作者将这些抗原称为“被忽略的新抗原”，这些抗原的呈现水平不足以激活幼稚T细胞，但是超过激活记忆T细胞的阈值。

但是这不代表这些新抗原无法为杀伤肿瘤做出贡献，已有研究显示，在小鼠中利用新一代测序发现的癌症基因突变中，15-40%的突变作为疫苗抗原可以激发强力的抗癌T细胞反应。癌症疫苗的作用就是让在淋巴结中驻留的树突状细胞呈递足够数量的这些新抗原，从而激活幼稚T细胞。

综合来看，守护新抗原和限制性新抗原是个体化癌症疫苗应该包括的高度相关靶点，特别是治疗早期疾病或者作为辅助（adjuvant）疗法。被忽略的新抗原为新抗原疫苗提供了丰富和互补的靶点来源。这三种类型的新抗原都应该被纳入包含多种新抗原的癌症疫苗中，并且在临床试验中评估不同类型新抗原的功用。

筛选候选新抗原考虑的因素

个体化癌症疫苗的制造首先需要从患者体内获取肿瘤组织并且对癌细胞的基因组进行测序，发现肿瘤基因组中出现的突变，然后需要预测新抗原的产生和选择哪些新抗原被纳入到癌症疫苗中。目前已经有多种算法来对候选新抗原进行排序，这些算法考虑了候选新抗原有可能激活T细胞，或避免癌细胞出现免疫逃逸的多个特征。它们包括：

新抗原疫苗的设计流程和作用方式（图片来源：参考资料[1]）

与MHC的结合和稳定性

能够与至少一类MHC分子结合是T细胞识别的基本要求。不过作者指出，抗原特异性CD4和CD8阳性T细胞之间的相互作用对于产生有效抗癌免疫反应至关重要。在小鼠模型中，只表达单一MHC-I新抗原并不能产生有效免疫反应，需要至少一种MHC-II新抗原的表达。因此，个体化疫苗应该包括预计能够与MHC-I和MHC-II结合的抗原表位。

与MHC的亲和力之外，新抗原-MHC复合体的稳定性也同样重要。更稳定的复合体可能提高复合体被T细胞识别的几率。

与野生型序列的差异性和与病原体相关表位的相似性

新抗原序列与野生型序列的差异越大，出现高亲和力T细胞的可能性也越高。新抗原表位与病原体序列的相似性可能提高它们被常见病原体激活的已有T细胞交叉识别的可能性。

基因突变的普遍性和不可或缺性

肿瘤的一大特征是它的异质性，这意味着肿瘤其实是由携带不同基因突变的细胞克隆组成的。在选择突变时，在所有克隆中都出现的躯干突变（truncal mutations）可能优于只在部分克隆中出现的分支突变（branched mutations）。这可以解决肿瘤异质性的问题。大多数癌症驱动基因突变出现在肿瘤演化的早期，因此更有可能在所有克隆中出现。

肿瘤免疫逃逸的一个主要方式是通过基因突变降低或消除被T细胞识别的抗原的表达。如果新抗原的表达是肿瘤生长必需的，那么它就不容易因为表达丢失而产生免疫逃逸。从这个角度来说，出现杂合性丢失（Loss of heterozygosity）的必需基因可能是非常优秀的新抗原疫苗靶点。杂合性丢失指的是基因组中的两个等位基因中一个等位基因缺失。这时候如果另一个等位基因产生了生成新抗原的突变，肿瘤细胞就无法通过新抗原表达丢失来产生免疫逃逸。目前的遗传学已经提供了与细胞生存相关的1600-2500个基因，它们可能促进对候选新抗原的排序。

▲肿瘤异质性对新抗原识别的影响（图片来源：参考资料[1]）

展望未来

作者表示，在过去的十年里，在新一代测序、计算能力的增强和先进算法的推动下，新抗原发现领域获得了长足的进步。公布临床试验信息的clinicaltrials.gov网站目前列出了61项和新抗原疫苗相关的临床研究。新抗原疫苗单药或与PD-1和PD-L1抑制剂联用的早期临床研究也显示出抗癌活性。

最终，作者指出，当发现新抗原技术成熟之后，我们可以将它与利用基因组序列发现肿瘤耐药机制的手段结合起来，根据肿瘤发生的突变，开发出针对耐药性肿瘤的增强癌症疫苗，达到长期控制肿瘤生长的效果。

参考资料：

[1] Lang et al., (2022). Identification of neoantigens for individualized therapeutic cancer vaccines. Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41573-021-00387-y

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