靶向药物的免疫调节机制

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靶向药物的免疫调节机制


前言


过去三十年来,大量的临床前和临床资料表明,几乎所有靶向抗癌药物都或多或少地发挥了免疫刺激或免疫抑制作用,从而影响治疗效果。靶向抗癌药物的免疫调节活性可来源于药物与癌细胞的相互作用,以及药物与免疫细胞相互作用并改变其功能的能力。

靶向抗癌治疗的这些免疫调节的一般机制可以涉及直接(即特异性作用的增加)或间接(即拮抗作用的减少)途径。例如,靶向抗癌药物可通过促进促炎细胞因子的分泌或通过限制免疫抑制因子的释放或活性来介导免疫刺激效应。此外,靶向抗癌药物可触发癌细胞死亡的高免疫原性,以启动所谓的癌症免疫周期或选择性地促进免疫抑制细胞的耗尽,如调节性T(Treg)细胞。
              
靶向药物的免疫调节机制

靶向抗癌药物介导免疫调节作用的能力为开发涉及免疫治疗的组合方案提供了强有力的理论基础。下面,我们共同回顾美国食品和药物管理局(FDA)批准的和实验性靶向抗癌药物的主要免疫调节作用的最新机制进展,从而获得将这些药物与免疫治疗相结合以获得更高临床疗效的潜在途径。

CDK抑制剂


周期蛋白依赖性激酶(CDK)是一个丝氨酸/苏氨酸激酶家族,调节细胞周期进程和其他细胞过程,包括DNA修复、转录和代谢。CDK作为开发新型抗癌疗法的潜在靶点已引起了广泛关注,最近三种不同的CDK4/CDK6抑制剂被批准用于HR+乳腺癌患者。越来越多的证据表明,CDK4/CDK6抑制剂以及其他CDKs的抑制剂不仅能阻止恶性细胞的增殖,还能介导多种免疫调节作用。
                           
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首先,对CDK4/CDK6的抑制通可以过促进肿瘤细胞表面MHC I类分子的暴露来介导免疫刺激效应;其次,CDK4/CDK6抑制剂还通过促进促炎细胞因子的分泌来介导免疫刺激作用,如III型干扰素和CC趋化因子配体5(CCL5);最后,各种CDK4/CDK6抑制剂通过直接与免疫细胞相互作用而介导多种免疫刺激效应,这些效应包括(1)效应T(TEFF)细胞对活化T细胞的核因子1(NFATC1)信号和白细胞介素-2(IL-2)分泌的激活,(2)通过抑制DNA甲基转移酶1(DNMT1)抑制免疫抑制性Treg细胞,随后通过CDK抑制剂1A(CDKN1A)阻断细胞周期。

CDK4/CDK6抑制剂的免疫刺激活性可以被其通过转录和翻译后机制上调免疫抑制分子CD274(PD-L1)的能力所抵消。因此,靶向PD-L1或其受体(PD-1)的免疫检查点抑制剂(ICI)是CDK4/CDK6抑制剂理想的组合伙伴。

此外,CDK4/CDK6抑制剂还可以与其他靶向抗癌药物结合,以获得更好的免疫刺激和优越的疗效。例如,MEK抑制剂trametinib与palbociclib协同诱导SASP依赖的血管反应,通过免疫效应细胞实现肿瘤浸润。

KRAS和PI3K抑制剂


一些肿瘤是由KRAS、PI3KCA或B-Raf原癌基因(BRAF)以及磷酸酶和张力蛋白同源物(PTEN)的功能获得性突变或缺失所驱动,通过AKT1、MTOR或MEK的信号途径产生组成性促有丝分裂信号。目前,尽管BRAF、PI3K、MTOR和MEK抑制剂已成功开发成FDA批准的靶向抗癌药物,但KRAS抑制剂尚未获得用于人类的许可,AKT1抑制剂的开发也处于起步阶段。有趣的是,这些药物中的许多不仅限制了癌细胞中的有丝分裂信号,而且还介导了一系列治疗相关的免疫调节作用。
     
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激活恶性细胞中的KRAS和BRAF突变通过多种机制支持免疫抑制微环境的建立。因此,BRAF和MEK抑制剂(包括FDA批准的药物vemurafenib、dabrafenib和trametinib)介导各种癌细胞依赖性免疫刺激效应,包括(1)上调TAAs;(2)改善MHC I类分子的抗原呈递;(3)诱导ICD;(4)分泌TH1细胞因子,如CXCL9和CXCL10;(5)下调免疫调节因子,包括IL8、VEGFA,以及SPP1。

另一方面,当肿瘤在KRAS、BRAF或MEK抑制剂治疗后仍有进展时,在临床前研究中都普遍观察到抗原呈递丧失、TEFF细胞衰竭和免疫抑制细胞浸润。这在一定程度上反映了MEK信号在启动原始T细胞扩张中的关键作用,以及在保护肿瘤浸润的CD8+CTL免遭耗竭的作用。这种潜在的有害作用可以用除PD-1/PD-L1阻滞剂以外的多种药物避免或逆转(至少部分),这些药剂包括(但不限于)(1)CTLA-4或TIM-3阻滞剂;(2)包含CD40、OX40、4-1BB和Toll样受体7(TLR7)激动剂的免疫刺激分子,以及重组IL15和FLT3LG;(3)CDK4/CDK6抑制剂;(4)增强一般免疫能力的益生元,如菊糖。

总之,解除调控的KRAS和PI3K信号介导了强大的致癌效应,同时有利于免疫逃避。与这一概念一致,KRAS和PI3K信号的抑制剂通常发挥强大的和治疗相关的免疫刺激作用,尽管在特定情况下,T细胞衰竭作为一种抵抗机制出现,可通过ICIs以外的多种免疫疗法克服。

DDR和凋亡靶向药物


某些恶性肿瘤细胞表现出对cDNA损伤修复(DDR)机制或强大的抗凋亡信号的高度依赖性,这种依赖性已被用于开发基于合成致死原理的靶向抗癌药物。如今,多聚(ADP)-核糖聚合酶1(PARP1)抑制剂被许可用于治疗具有DDR缺陷的癌症,例如具有BRCA1或BRCA2突变的乳腺和卵巢肿瘤。类似的,BCL2抑制剂被批准用于CLL或小淋巴细胞淋巴瘤(SLL)患者。所有这些DDR靶向药物都显示出介导治疗相关性的免疫调节作用。

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各种FDA批准的和实验性的PARP抑制剂已被证明能促进多种肿瘤细胞中I型干扰素分泌,在某些情况下,伴随着T细胞化学引诱剂(包括CXCL10)的释放,以及DC中旁分泌激活,最终导致MHC II类分子和共刺激配体的上调,以支持T细胞启动。

此外,无论BRCA1/2状态如何,PARP抑制剂都与各种癌细胞中的PD-L1上调相关,这可能是I型干扰素或干扰素信号转导的结果。事实上,各种ICI已成功用于增强PARP抑制剂在临床前肿瘤模型中的治疗活性。

ATM已被证明与PARP1合作激活一个非经典的STING依赖程序,该程序集中在NF-kB驱动的I型干扰素和IL6分泌。此外,ATM独立于其在DDR中的作用驱动乳腺癌细胞分泌IL8,最终通过自分泌或旁分泌机制促进疾病进展。因此,ATM/NF-kB信号轴不仅是实现局部免疫刺激的靶点,而且也是对抗癌细胞内在疾病进展途径的靶点。

另一种DDR相关激酶ATR已被证明介导强有力的免疫抑制作用,因此,ATR抑制剂不仅增强CGAS信号和随后的I型干扰素应答(涉及CCL5和CXCL10),而且增强MHCI类分子的抗原呈递,最终有利于DC的肿瘤浸润,TAM向免疫刺激方向复极,以及T细胞依赖性抗癌免疫。

DDR驱动的BCL2可抑制凋亡的主要参与者之一p53在多种恶性肿瘤中基因或功能缺失,与局部免疫抑制相关。p53药物再激活相关的其他免疫刺激效应包括(但不限于)(1)与肿瘤进展相关的免疫调节细胞因子的下调,如IL6;(2)NKALs的上调;(3)建立与免疫刺激性SASP相关的细胞衰老,该SASP有利于NK细胞、TEFF细胞和巨噬细胞的招募和激活。

HER2、EGFR、VEGFA和TGF-β抑制剂


在过去的二十年中,许多单抗和TKI已经被开发出来以这些蛋白质或其结合伙伴为靶点,其中一些分子,包括HER2-、EGFR-和VEGFA特异性药物,已经被许可用于多种肿瘤适应症。而TGF-β受体或配体抑制剂的安全性和有效性仍在继续检查,所有这些药物都被证明介导了治疗相关性的免疫调节作用。
                 
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HER2靶向单克隆抗体似乎参与了某种程度的CD8+和CD4+T细胞依赖的HER2特异性免疫应答,至少部分反映了MHC I类和II类分子上抗原呈递的改善,以及MYD88依赖性免疫刺激,最终导致DC增加抗原处理和呈递。多种免疫治疗剂,包括基于DC的疫苗、TLR2激动剂、重组IL21以及PD-L1阻断剂可用于放大HER2靶向单抗的疗效,同时激发强大的抗肿瘤免疫。

各种EGFR靶向制剂可改善癌细胞的MHCI类抗原呈递,并有利于DC摄取肿瘤物质以及在没有额外免疫刺激信号的情况下激发T细胞和促进NK细胞活化的能力。

此外,多种靶向EGFR的TKIs有效地降低了NSCLC细胞的PD-L1表达,反映了它们阻断NF-kB和IL6信号的能力。与此免疫调节特征一致,暴露于EGFR靶向药物的NSCLC的TME显示出DC和CD8+Teff细胞的丰度增加,以及Treg细胞和M2 TAM的耗尽。

VEGFA单克隆抗体以及靶向VEGFA受体的药物介导独立于ADCC和ADCP的免疫刺激效应,在很大程度上反映了VEGFA在建立癌症相关免疫抑制中的关键作用。例如,VEGFA信号直接参与Treg细胞扩增和共抑制受体的表达,包括CD8+CTL的PD-1。此外,转录组分析显示,乳腺癌患者活检组织以及乳腺癌和结直肠癌临床前模型中VEGFA水平与CD8+CTL浸润特征呈负相关。最后,在卵巢癌小鼠模型中,免疫抑制细胞(包括TAM)的累积与VEGFA靶向抗体的耐药性有关。

TGF-β最为人所知的是它能够上调TME中恶性细胞和髓系细胞的PD-L1,促进T细胞的PD-1表达,并有利于Treg细胞和MDSCs的扩增,最终导致局部和全身免疫抑制。此外,TGF-β与免疫排斥的建立密切相关,通过这个过程,癌细胞与癌相关成纤维细胞结合,以防止免疫效应细胞对肿瘤的浸润。

对TGF-β或其受体的抑制可解决免疫排斥并改善恶性细胞的抗原呈递,最终产生有效的抗肿瘤免疫反应,可与ICIs共同作用以消除肿瘤并建立保护性免疫记忆。此外,尽管TGF-β在肿瘤相关免疫抑制的建立中起着中心作用,但是需要一个或多个ICI的组合方案来充分发挥TGF-β抑制剂在临床上的潜力。在这种情况下,治疗顺序可能是成功的关键决定因素。事实上,通过支持基质金属肽酶9(MMP9)驱动的PD-L1裂解,前期TGF-β抑制似乎至少在一定程度上促进了对PD1阻断剂的抵抗。相反,一旦获得PD-1耐药性,TGF-β抑制剂的施用就会产生强有力的治疗效果。

其它


被批准或正在开发的靶向抗癌药物的列表正在不断增加,这样的列表包括相对选择性的ALK受体酪氨酸激酶(ALK);AXL受体酪氨酸激酶(AXL);Bruton酪氨酸激酶(BTK);zeste同源物2增强子(EZH2);组蛋白脱乙酰基酶(HDAC);异柠檬酸脱氢酶1(IDH1);Janus激酶1(JAK1);MET原癌基因,受体酪氨酸激酶(MET);ret原癌基因(RET);ROS原癌基因1,受体酪氨酸激酶(ROS1);平滑卷曲类受体(SMO)和exportin 1(XPO1)抑制剂;特异于CD20、CD22、CD33、CD52、CD58的单克隆抗体;IL2受体亚单位α(CD25);IL3受体亚单位α(IL3RA);肿瘤相关钙信号转导子2(TROP2);以及多靶点TKIs。有趣的是,这些临床使用的药物中的大多数至少介导某种程度的免疫调节,为设计涉及ICIs的组合治疗方案提供了理论依据。

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展望与仍待解决的问题


靶向抗癌药物介导强大的免疫调节作用,它们或者有利于正向的免疫反应,或者抵消负面的免疫抑制途径,因此,靶向抗癌药物与ICIs和其他免疫治疗策略的组合治疗展现出极富前景的应用。然而,靶向抗肿瘤药物免疫调节的生物学基础研究刚刚起步,在这方面还有一些问题有待解决。

首先,这些药物对其分子靶点的实际特异性是什么?伊马替尼被设计为靶向ABL1的激酶结构域以抑制BCR-ABL1嵌合体的组成性信号传导,结果发现它抑制了多种临床相关激酶。按照类似的思路,abemaciclib被认为可以抑制CDK4/CDK6,但已经证明可以靶向其他CDK以及CDK无关激酶。因此,尽管在某些情况下,靶向抗肿瘤治疗的免疫调节明显源于靶向效应,但在许多其他情况下,它源于替代的(通常没有特征的)其它参与分子。特别是当免疫细胞直接参与时,识别这些替代靶点是非常迫切的。

第二,当免疫调节实际上源于对恶性细胞中预期分子靶点的抑制时,起作用的确切分子机制是什么?没有专门设计靶向抗癌药物来介导免疫调节作用,这意味着支持肿瘤发生的各种蛋白质也影响肿瘤细胞传递免疫刺激或免疫抑制信号的能力。例如,活跃的CDK4/CDK6信号限制了DNMT1驱动内源性逆转录病毒元件表达的能力,否则会促进III型IFN分泌,这一途径可通过临床使用的CDK4/CDK6抑制剂发挥作用。准确地识别由靶向抗癌药物诱导的类似途径将提供多种额外的靶点,这些靶点可用于增强具有临床意义的肿瘤特异性免疫反应。当一种药物的免疫调节活性是多功能的,并且涉及到有利和有害的影响时,这一点尤其重要,这些影响可以通过靶向下游信号转导子而得到不同的利用。

第三,在特定环境下,某些靶向抗癌药物介导的免疫调节效应差异的关键因素是什么?大多数药物都与免疫刺激和免疫抑制作用有关,这取决于具体的实验场景。然而,尽管在某些情况下,这种差异的来源是显而易见的,但在许多其他情况下,潜在的机制仍然不清楚。在后一种情况下,实验变量如药物浓度、精确的培养基组成和时间可能会对生物学结果产生意想不到的影响。此外,潜在被忽视和/或难以控制的异质性遗传、表观遗传或代谢来源可能具有关键影响,尤其是在体内。需要进一步研究肿瘤异质性对靶向抗癌药物免疫调节作用的影响。

第四,如何利用常规化疗和放疗,最大限度地发挥靶向抗肿瘤药物的能力,以驱动具有临床意义的肿瘤特异性免疫反应?很明显(至少有一些)靶向抗癌药物是各种免疫疗法的有希望的组合伙伴,包括ICIs。然而,这些联合疗法的疗效是否可以通过常规化疗或RT进一步提高尚未得到充分的研究。

总之,只有深入了解靶向抗肿瘤药物介导临床相关免疫调节的分子途径,并设想具有良好免疫刺激活性的多模式治疗方案,才能进一步扩大使用靶向抗癌治疗获得临床益处的肿瘤适应症的数量。

参考文献:

1.Immunomodulation by targeted anticancer agents. Cancer Cell. 2020 Dec 17;S1535-6108(20)30601-2.


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