国自然专题:溶瘤病毒——“以毒攻毒”的肿瘤免疫疗法

前言

肿瘤免疫疗法目前已成为抗肿瘤治疗市场的中流砥柱,占据抗肿瘤药物市场超过一半的份额,年复合增长率达到14.6%,预计全球市场规模将会从2016年的430亿美元增长到2022年的近千亿美元。溶瘤病毒(Oncolytic virus,OV)是肿瘤免疫疗法的重要分支,2015 T-vec 的获批标志溶瘤病毒疗法的成熟。溶瘤病毒,是指能特异性感染肿瘤细胞并在肿瘤细胞中大量复制,最终裂解肿瘤细胞的肿瘤杀伤型病毒。因其能特异性感染并杀伤肿瘤细胞已成为新近肿瘤治疗研究的方向。近期,溶瘤病毒联合用药的临床试验取得突破性进展,相较于其它肿瘤免疫疗法,溶瘤病毒具有靶向性好、杀伤效率高、副作用小、多种杀伤肿瘤途径避免耐药性和成本低廉等优势。溶瘤病毒有可能成为继免疫检查点抑制剂药物之后的另一重大突破。

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溶瘤病毒治疗概述

利用病毒治疗肿瘤的概念历经百年发展,在1904年,一位患白血病的患者因感染流感而使肿瘤有所消退;1912年意大利医生发现注射狂犬疫苗可以使宫颈癌消退。一个世纪以来,人们不断地发现和探索某些病毒具有杀伤肿瘤的特性,并逐渐提出是否存在某些天然或特异性病毒能够利用其自身对肿瘤的感染力和杀伤力来治疗肿瘤。但是直到近年来,在基因工程的帮助下,才有一小部分患者受益于“以毒攻毒”的病毒抗癌疗法——溶瘤病毒疗法(Oncolytic Therapy)在溶瘤病毒治疗中,一些天然或者人工改造后的病毒被注射到肿瘤组织内(图1),感染并杀死癌细胞,激活免疫反应,进一步抵御癌细胞的入侵。溶瘤病毒治疗与基因治疗不同,它不必发现肿瘤相关抗原,只需保证病毒在肿瘤细胞内特异性增殖就可起到杀伤肿瘤细胞的作用。病毒攻入癌细胞内,大量复制后导致癌细胞裂解,杀死癌细胞,同时提升免疫应答,进而获得较好的治疗效果。目前在美国已有120个针对溶瘤病毒的临床试验,并有26个正在II期阶段,治疗种类涵盖了卵巢癌、实体瘤、肝癌、头颈部肿瘤等。近年来已有大量数据证实,溶瘤病毒能够有效地在动物模型和患者的临床试验中发挥溶瘤作用。 20151027日,FDA首次批准安进(Amgen)公司药名为Imlygic的溶瘤病毒制剂——用于治疗黑色素瘤的基因改造过的单纯疱疹病毒(HSV-1),该药适用于黑色素瘤患者术后复发的局部治疗(Talimogene laherparepvec, T-vec)。2017823日,Zhang等研究了靶向含缬酪肽蛋白增强溶瘤病毒抗肝癌的效应,该研究为溶瘤病毒治疗肿瘤找到了有力的助手,从而使其抗肿瘤活性增幅高达3000多倍。该研究的另一项重大突破是在最接近人类的非人灵长类食蟹猴身上进行了安全性实验,并证实了溶瘤病毒的安全性。此外,还有不下于20种溶瘤病毒毒株正在用于临床研发过程中。例如,改造后的腺病毒、疱疹病毒、呼肠孤病毒、麻疹病毒、牛痘病毒等。如果病毒致病性低(如呼肠孤病毒),或者宿主不是人类,则可采用野生型病毒进行动物或临床实验。

图1  溶瘤病毒的结构

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溶瘤病毒的分类

根据溶瘤病毒的作用机理,大致分为两类:第一类为自身具有对某些肿瘤细胞亲和性的野生型病毒和弱病毒株,如新城疫病毒、单纯疱疹病毒、西尼罗河脑炎病毒,以及自主复制的细小病毒等,这些病毒能够在某些肿瘤细胞中自主复制并裂解细胞,实现特异性溶瘤作用;第二类为基因改造后可作为疫苗或载体的病毒,利用肿瘤细胞中抑癌基因失活或缺失的特点,通过突变或敲除某些基因以及加载肿瘤特异性启动子或插入肿瘤靶向性基因等方法,使其丧失在正常细胞中复制的能力,增强对肿瘤细胞靶向感染的能力并在其内大量复制最终发挥溶瘤作用。已获批的T-vec为第二类,是由HSV-1去除两个病毒基因后,再连上人粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)基因进行改造的产物。T-vec可以在肿瘤中复制并产生GM-CSFII期临床结果显示,相比于注射GM-CSF的对照组,T-vec不仅能提高针对癌细胞的CD8+ T细胞的数量,还能降低抑制型T细胞的数量。随后的III期临床数据表明,T-vec可以在6个月内持续缩小晚期黑色素瘤病人的肿瘤,并且在未注射的肿瘤处也产生了远端应答效应,提示了T-vec可以系统性的提升免疫应答。

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溶瘤病毒的作用机理

溶瘤病毒是肿瘤选择性、机制多样性的抗肿瘤制剂。溶瘤病毒的作用机理为:肿瘤细胞在强化对免疫细胞的防御过程中发生了变异,进而表达了很多能介导病毒进入的受体。这些受体就像不同的,溶瘤病毒可以通过相关的病毒特异性受体后门,进入癌细胞;随后病毒随着癌细胞的快速分裂变异而加速复制,并激活免疫反应。待癌细胞死亡后,复制形成的病毒释放肿瘤相关抗原,进一步感染癌细胞,并创造出一个亲免疫的细胞因子环境,使免疫系统发现并完成免疫应答,清除癌细胞。此外,溶瘤病毒就像GPS导航一样,为免疫系统发现并清除癌细胞提供关键信息。基于上述特性,溶瘤病毒被归类为免疫疗法。

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溶瘤病毒靶向溶瘤的分子机制

正常细胞中不仅存在着严密的抗肿瘤机制,同时也具有严密的抗病毒机制。当正常细胞被病毒感染后,可激活自身抗病毒免疫应答,分泌细胞因子如IFNI和双链 RNA (dsRNA)等应激分子,这些分子在抗病毒感染中起到重要作用。 IFNI和双链 RNA都能够有效激活蛋白激酶 R(protein kinase R),介导翻译起始因子Eif-2a α亚基磷酸化,进而终止蛋白合成和病毒增殖,促进感染细胞的凋亡以达到自身抗病毒免疫效应。被感染细胞发生凋亡的同时也向周围细胞提供预警信号,使周围细胞级联扩大抗病毒免疫应答进一步起到抗病毒作用。然而,由于肿瘤细胞发生突变导致其在遗传特性和生理特性上与正常细胞有显著区别(如原癌基因活化、抑癌基因失活、特异性表面受体高表达、肿瘤细胞异常增殖等),且在肿瘤微环境中,CTL的作用往往受到了抑制, IFN-γ的分泌减少,这就为溶瘤病毒在细胞内复制提供了有利环境。以上原因导致肿瘤细胞中缺失了一套完整的抗病毒免疫应答机制,促使肿瘤细胞易感溶瘤病毒并使其大量复制发挥溶瘤作用。

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溶瘤病毒细胞载体

作为一种新型治疗肿瘤的方法,大多数的溶瘤病毒制剂尚未应用于临床,其主要原因是,对于一些非实体瘤而言大多采取静脉注射溶瘤病毒的方式进行治疗,其进入体内会引起机体自身的抗病毒免疫反应,被抗体阻断或被补体蛋白溶解。而在实体瘤中,静脉注射给药不能使其很好地到达肿瘤病灶,只有少数的溶瘤病毒被运输到肿瘤位置发挥作用。针对溶瘤病毒不能有效到达肿瘤发生部位的情况,一般采取对溶瘤病毒进行包装,使用细胞载体作为其到达肿瘤发生部位的载体。细胞载体作为溶瘤病毒的诺亚方舟可使溶瘤病毒有效地逃避免疫监视系统,且两者联合具有更好的抗肿瘤效果,这是由于机体自身的免疫细胞能够避免免疫排斥反应,并且能向肿瘤细胞浸润,是运输溶瘤病毒的有效方式。

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溶瘤病毒疗法和其他免疫疗法的联合

基于溶瘤病毒的2个优点:(1)对肿瘤细胞的特异靶向选择性;(2)提高机体免疫应答强度,研究者试图在此基础上找出更为有效对抗癌症的方法,其中一项便是将溶瘤病毒疗法和其它免疫疗法强强联合。这种联合疗法基于以下构想:肿瘤为了持续生长,对抗免疫细胞的入侵而将其周围环境调节为免疫抑制环境。肿瘤浸润淋巴细胞(Tumor infiltrating lymphocyte, TIL)的比例过低,同时在肿瘤组织中,免疫检查点(Immune checkpoint)表达较低。这就导致了一部分患者在使用市面上流行的免疫检查点抑制剂(Immune checkpoint inhibitor)疗法时,药效大打折扣。此时,肿瘤成为了一个油盐不进的冷肿瘤

当其它免疫疗法联合使用溶瘤病毒后,病毒进入体内不仅导致抗病毒的免疫反应,还会导致1型干扰素的分泌,进而增加PD-L1在癌细胞表面的表达。这样,溶瘤病毒就抹去了肿瘤的“隐身涂料”,让免疫检查点抑制剂持续发挥效用。该联合疗法已在临床实验中获取了较好的结果:在一项针对21名患者的1b期临床试验中,来自美国、西班牙、瑞士和澳大利亚的研究人员测试了免疫治疗药物派姆单抗(Pembrolizumab)T-vec溶瘤病毒组合使用时的安全性和疗效。结果提示着这种组合疗法获得62%的反应率,而且要比单独治疗时表现得更好(图3)。同时,在另一个研究中,患有黑色素瘤的病人在接受了T-vec ipilimumab的联合疗法后,其肿瘤缓解率高于单一使用免疫点抑制剂的患者。随着联用疗法数据的积累,未来可能会有更多病人受益于这一治疗手段。

图3  溶瘤病毒治疗促进瘤内T细胞增殖并改善抗PD-1免疫治疗溶瘤病毒药物T-vecPD-1抗体药物对黑色素瘤进行治疗,肿瘤缓解率高达62%

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溶瘤病毒疗法的安全性

在安全性这一块,溶瘤病毒的一大问题便是体内的抗病毒反应。单一使用溶瘤病毒常见的不良反应包括轻微流感症状和注射部位疼痛,可通过服用对乙酰氨基酚减轻。理论上需要找到能发挥最大抗癌效果的安全剂量。近来在一些临床实验中,溶瘤病毒即便在最大耐受剂量(maximum tolerance dose, MTD)下,也能表现出令人满意的安全性。但是在现今联合疗法的趋势下,溶瘤病毒的安全性能否得到保证,研究者普遍存在疑虑。比如检查点抑制剂本身就存在自身免疫反应的问题,有可能在联用溶瘤病毒后出现更严重的不良反应。此外,在机体免疫力进一步下降的情况下,将有可能发生病毒变异、进化和重组、出现细胞毒性产物等。因此,在进行中的临床实验中,受试病人通常不包含病毒感染或免疫力低下人群。

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溶瘤病毒疗法的未来

虽然溶瘤病毒在动物模型和临床试验中均获得了显著的效果,但其临床安全性的研究尚需进一步探讨。随着对溶瘤病毒研究的不断深入,如何将溶瘤病毒制剂有效安全地向临床转化必然会成为肿瘤临床治疗的重要研究方向。对于患者和医生,在面对这种新兴治疗手段时,除了疗效外,其次需要考虑的就是治疗成本效用(cost-effectiveness)问题:获批的T-vec治疗费用为$65000美元/疗程。在一项针对黑色素瘤患者的研究中,T-vecBMSipilimumab联合疗法与单一使用后者相比较,并不能显著延长患者的无进展生存期(progression free survival, PFS)。而在当前美国政府对高药价的指控中,联合疗法能否最终得到医患以及资本市场的青睐,仍然需要更多临床数据来支持。

溶瘤病毒具有两个潜在发展方向:其一是与T细胞疗法结合,协助T细胞在局部肿瘤微环境中的增殖、移动、实现疗效;T细胞想要触发成功的抗肿瘤反应,必须得经历四个关键步骤: T细胞致敏、移动与浸润、规避免疫抑制、结合肿瘤细胞,而溶瘤病毒能在这四个步骤中对T细胞进行协助。其二是通过对免疫机制的进一步了解,研究者有望开发出更好的溶瘤病毒,进一步拓展它的潜力。毫无疑问,溶瘤病毒的前方充满机遇。我们应当将溶瘤病毒与现有疗法进行充分结合,利用前者对免疫反应的影响能力,对肿瘤残余病灶进行有效的清除。随着免疫系统抗肿瘤机制的不断阐明,溶瘤病毒有望为免疫疗法提供一个重要的平台。

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本文涉及到的部分参考文献

1. Oncolytic Virus Therapy: Using Tumor-Targeting Viruses to Treat Cancer.

2. Oncolytic Viruses and Immune Checkpoint Inhibition:The Best of Both Worlds.

3. Checkpoint inhibitors go viral.

4. Oncolytic Virotherapy Promotes Intratumoral T Cell Infiltration and Improves Anti-PD-1 Immunotherapy.

5. Oncolytic viruses: a new class of immunotherapy drugs. 

6. DNA-PK inhibition synergizes with oncolytic virus M1 by inhibiting      antiviral response and potentiating DNA damage.
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