一類稱為免疫檢查點抑制劑的免疫治療藥物徹底改變引發了癌症治療變革：許多直到最近還被認為無法治療的惡性腫瘤患者正在經歷長期緩解。但是，大多數患者對這類藥物沒有反應，而且它們對某些癌症的治療效果要比其他癌症好得多，其中的原因令科學家們困惑不解。如今，在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校的研究人員發現了一個令人驚訝的現象，這或許可以解釋為什麼許多癌症對這些藥物沒有反應，並提出了激活免疫系統對抗疾病的新策略。相關研究結果發表在2019年4月4日的Cell期刊上，論文標題為“Suppression of Exosomal PD-L1 Induces Systemic Anti-tumor Immunity and Memory”。
圖片來自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.02.016。
論文通訊作者、加州大學舊金山分校泌尿學教授Robert Blelloch博士說道，“在最好的情況下，比如對黑色素瘤而言，只有20%到30%的患者對免疫檢查點抑制劑有反應，而在其他情況下，比如對前列腺癌而言，只有個位數的反應率。這意味著大多數患者沒有反應。我們想知道其中的原因。”
在惡性腫瘤組織中，一種稱為PD-L1的蛋白起“隱形斗篷”的作用：癌細胞通過在其表面上展示PD-L1來保護自己免受免疫系統的攻擊。一些最成功的免疫治療藥物通過干擾PD-L1或它的受體PD-1---位於免疫細胞表面上---起作用。當PD-L1和PD-1之間的相互作用受到阻斷時，腫瘤就會失去躲避免疫系統的能力，並且變得易受抗癌免疫攻擊。
某些腫瘤可能對這類免疫療法有抵抗力的一個原因是它們不會產生PD-L1，這意味著現有的免疫檢查點抑制劑無法發揮作用---也就是說，它們可能會使用其他的迄今尚未發現的免疫檢查點蛋白來避免免疫系統的識別。科學家們此前已發現PD-L1蛋白在前列腺癌患者的腫瘤細胞中以低水平或完全不存在的方式存在著，這可能解釋了它們對這類免疫療法的抵抗力。
但是，在這項新的研究中，Blelloch及其團隊針對這一點提出了一個非常不同的答案：他們發現PD-L1是由這些腫瘤大量生產的，不過癌細胞不是在它們的表面上展示這種蛋白，而是通過一種稱為外泌體的分子貨輪輸出PD-L1。這些包被著PD-L1的外泌體從癌細胞上脫落下來，並通過淋巴系統或血液流到淋巴結，即免疫細胞經激活後保護身體的部位。在那裡，PD-L1蛋白充當流動的分子破壞者，遠程解除免疫細胞的武裝，並阻止它們確定腫瘤的位置以發起抗癌攻擊。
因此，外泌體攜帶的PD-L1（下稱外泌體PD-L1）不是關閉腫瘤表面的免疫反應，而是在它們到達那裡之前抑制免疫細胞。與在腫瘤表面發現的PD-L1不同的是，外泌體PD-L1由於不明原因，對現有的免疫檢查點抑制劑具有抵抗性。
Blelloch說，“現有的流行看法是PD-L1作用於進入腫瘤微環境（tumor niche）中的免疫細胞，在這種腫瘤微環境中，免疫細胞會遇到這種免疫抑制蛋白。我們的數據表明，對於許多對免疫療法產生抵抗性的腫瘤來說，情況並非如此。這些腫瘤通過將外泌體PD-L1傳遞到淋巴結中來躲避免疫系統，它們在淋巴結中遠程抑制免疫細胞的激活。這些發現代表著對現有教條的打破。”
當注意到一些表明現有的PD-L1展示觀點存在缺陷的現象時，Blelloch團隊決定探究外泌體。與之前的科學家一樣，他們發現免疫治療抵抗性癌症具有較低的PD-L1蛋白水平。但是當他們研究信使RNA（mRNA）時，他們觀察到了一個奇怪的不一致性：相對於他們在癌細胞中測量到的太少PD-L1蛋白，PD-L1 mRNA太多了。
Blelloch說，“我們觀察到mRNA和蛋白水平之間的差異，並想知道發生了什麼。我們的實驗還表明PD-L1蛋白實際上是在某個時刻產生的，而且它沒有被降解。這是在我們研究外泌體並發現缺失的PD-L1之時。”
外泌體PD-L1阻阻止免疫反應，促進癌症生長
為了證實外泌體PD-L1負責賦予免疫隱身性，這些研究人員採用了一種對免疫檢查點抑制劑產生抵抗性的小鼠前列腺癌模型。當他們將這些癌細胞移植到健康小鼠體內時，腫瘤迅速生長。但是，當他們使用基因編輯工具CRISPR移除外泌體產生所需的兩個基因時，這些經過編輯的癌細胞無法在遺傳上相同的小鼠中形成腫瘤。雖然經過編輯的癌細胞和未經過編輯的細胞都產生PD-L1，但是當PD-L1被阻斷時，只有那些不能產生外泌體的癌細胞對免疫系統是可見的並且易受免疫系統的影響。
論文第一作者、加州大學舊金山分校博士後研究員Mauro Poggio博士說，“這一發現的重要性是顯而易見的。目前在臨床上，沒有可用的藥物來抵消外泌體PD-L1的破壞力，因此瞭解外泌體PD-L1的生物學特性是為患者提供新的治療方法的第一步。”
在另一項補充實驗中，將相同的經過CRISPR編輯的癌細胞移植到健康小鼠中，然後立即注射一系列攜帶PD-L1的外泌體。由於無法產生外泌體，這些經過CRISPR編輯的癌細胞應當成為免疫系統的犧牲品。相反，所注射的外泌體能夠代表癌症中和免疫反應，這使得這些缺乏外泌體的癌細胞形成腫瘤。
為了弄清外泌體PD-L1如何幹擾免疫系統，這些研究人員檢查了接受經過CRISPR編輯或未經過編輯的癌細胞移植的小鼠的淋巴結。接受經過編輯的癌細胞移植的小鼠在它們的淋巴結中表現出增加的免疫細胞增殖，並且有更多的活化免疫細胞。
在結直腸癌小鼠模型---結直腸癌僅對免疫治療有部分反應---中，這些研究人員鑑定出兩個不同的PD-L1池：一個PD-L1池位於腫瘤細胞表面，對PD-L1抑制劑敏感；另一個PD-L1池位於外泌體中，對PD-L1抑制劑產生抵抗性。當他們利用一種涉及阻止外泌體形成和給予PD-L1抑制劑的聯合療法治療這種癌症時，相比於單獨使用其中的一種方法，這些小鼠存活更長的時間。
Blelloch說，“來自這兩種非常不同的癌症模型的這些數據提出了一種新的治療方法，即抑制外泌體中的PD-L1釋放，無論是單獨使用還是與當前的免疫檢查點抑制劑聯合使用，都可能能夠克服當前大部分患者對單獨使用的免疫檢查點抑制劑治療產生的抵抗性。”
缺乏外泌體的腫瘤細胞可作為免疫治療抵抗性癌症的“疫苗”
在來自這項新研究的一個令人吃驚的結果中，這些研究人員發現他們能夠使用經過CRISPR編輯後缺乏外泌體的癌細胞來誘導針對通常對免疫攻擊產生抵抗力的腫瘤的抗癌免疫反應。
這些研究人員首先將經過CRISPR編輯後不能產生外泌體的癌細胞移植到正常小鼠體內並等待90天。他們隨後將未經過編輯的---很可能是免疫逃避的---癌細胞移植到相同老鼠體內。在將免疫系統暴露於經過CRISPR編輯後缺乏外泌體的癌細胞之後，這些未經過編輯的癌細胞不再對免疫系統是不可見的。免疫系統沒有忽略這些癌細胞，而是發起了強有力的免疫反應來靶向攻擊這些以前是免疫逃避的癌細胞並阻止它們增殖。
Blelloch說，“免疫系統在暴露於不能產生外泌體PD-L1的癌細胞後會形成抗腫瘤記憶。一旦免疫系統產生記憶，它就不再對這種形式的PD-L1敏感，因此也靶向攻擊產生外泌體PD-L1的癌細胞。”
當將未經過CRISPR編輯的癌細胞和經過編輯後不產生外泌體的癌細胞同時移植到同一只小鼠的兩個相對部位時，這些研究人員獲得了另一個令人吃驚的研究結果。儘管它們同時被移植，但是這些經過CRISPR編輯的癌細胞經證實發揮主導作用---它們能夠激活免疫系統，隨後對在相對部位生長的因未經過編輯而應當具有免疫治療抵抗性的腫瘤發起攻擊。
這些結果表明即使暫時抑制外泌體中的PD-L1釋放也可能導致長期的、全身範圍的腫瘤生長抑制。此外，它們暗示了一種新的免疫療法的可能性，在這種療法中，對患者的癌細胞進行編輯，並將編輯後的癌細胞重新植入患者體內，以便激活免疫系統並讓它攻擊免疫抵抗性的癌症。抑制外泌體中的PD-L1釋放或接種Blelloch團隊設計的這種“腫瘤細胞疫苗”可能有一天為那些對當前治療方案沒有反應的腫瘤患者帶來希望。
Poggio說，“PD-L1在癌症中的作用還有待進一步研究。我們僅是觸及可能是一種新機制的皮毛。如果這種機制被阻斷，那麼這就有可能抑制許多目前對免疫治療沒有反應的侵襲性腫瘤。”
Mauro Poggio et al. Suppression of Exosomal PD-L1 Induces Systemic Anti-tumor Immunity and Memory. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.02.016.
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