王立铭·巡山报告｜第五十六期：肿瘤新抗原疫苗取得重大进展

源济

第五十六期：肿瘤新抗原疫苗取得重大进展

你好，我是王立铭。2023年10月6日，第五十六期《巡山报告》又和你见面了。

这期《巡山报告》的主题是一种过去10年间涌现出的治疗肿瘤的全新思路——肿瘤新抗原疫苗（tumor neoantigen vaccine）。

过去的两个月，新冠疫苗领域两家绝对头部公司——德国BioNTech公司和美国Moderna公司——分别在这个领域取得了关键性的进展。

肿瘤新抗原疫苗的原理

肿瘤新抗原，这个概念听起来有些玄乎，但是它的本质其实非常容易理解。

我们知道，肿瘤细胞无非是通过基因变异获得了不受限制的生长繁殖能力的正常身体细胞。而基于中心法则，基因序列的变异几乎总是会体现在这些基因编码的蛋白质序列的变化上。所以这么一来，肿瘤细胞几乎总是会带有某些特殊的蛋白质序列变异。

比如，非小细胞肺癌中特征性的EGFR L858R突变，也就是EGFR蛋白第858位的赖氨酸变成了精氨酸 [1]；胰腺癌中特征性的KRAS G12D突变，也就是KRAS蛋白第12位的甘氨酸变成了天冬氨酸 [2]。

肿瘤细胞中特有的蛋白质变异就被称为“肿瘤新抗原”。它们一方面直接推动了人体正常细胞向癌细胞的转化，另一方面也成为了癌细胞特有的身份标签，能够让人体免疫系统对癌细胞进行识别。

但上面这个逻辑在真实的肿瘤发生过程中遇到了一个问题：既然肿瘤细胞几乎总是携带这些特征性的新抗原，为什么人体免疫系统还是无法对它们进行有效的识别和杀伤呢？

这是因为，肿瘤细胞除了获得不受控的生长繁殖能力之外，还往往通过各种方式对人体免疫系统踩了刹车。

过去10年间大红大紫的肿瘤免疫药物，比如PD-1/PD-L1抗体药物，就是通过给免疫系统解除刹车的方式让免疫系统，特别是能直接杀死异常细胞的T淋巴细胞，恢复对癌细胞的杀伤 [3]。

不过我们注意，肿瘤免疫药物虽然在一定比例（大约10-20%）的患者中能够产生惊人和持久的疗效，但大部分癌症患者却无法真正受益。这就说明，在肿瘤细胞出现到T细胞启动杀伤之间，还有一些关键步骤可能被切断了。

一种可能性是，某些肿瘤可能在局部形成了免疫抑制性的微环境，又称为“冷肿瘤”，能够阻止T细胞进入，或者把进入肿瘤内的T细胞加以限制甚至杀死。

相应的，不少研究者试图破坏这种微环境，让肿瘤重新暴露在T细胞的杀伤之下，也就是所谓的把“冷肿瘤”重新变成“热肿瘤” [4]。

而另一个可能性则是，T细胞有效识别肿瘤细胞的能力被限制了。

一般而言，T细胞识别人体异常细胞是通过一个叫作“抗原递呈”的过程实现的。每一个人体细胞其实都在持续地进行抗原递呈，它们会把细胞内的各种蛋白质分子剪切成小的肽段。这些肽段会和细胞内的组织相容性复合体蛋白（MHC）结合，并被运输和呈现在细胞表面。

你可以把这个过程想象成，每个细胞都在主动和实时的展示自己内部到底有什么蛋白质分子存在，供T细胞快速的检阅。如果T细胞发现某个细胞展示了之前未曾见过的蛋白质片段，也就是所谓新抗原，它就会立刻意识到，这个细胞内部出现了存在风险的基因变异，并启动程序将其杀死。

除了细胞主动的抗原递呈之外，免疫系统中还有一类细胞，被称为抗原递呈细胞，其中最主要的就是树突状细胞，这类细胞能够从周围环境中抓取各种蛋白质并加以递呈。你可以把它们看成是，对人体中潜在新抗原的一次独立的搜索和放大过程。

显然，如果这个抗原递呈的环节出了问题，比如肿瘤细胞干脆不再展示内部的蛋白质构成，或者树突状细胞的活动被抑制，那么肿瘤就能成功从免疫系统的天罗地网中逃逸。

相应的，如果能够人为恢复这个抗原递呈的过程，主动把肿瘤细胞的新抗原呈现在人体免疫系统的雷达之下，就有可能把人体免疫系统的火力重新引导到肿瘤细胞上。

肿瘤新抗原疫苗的研究进展

2015年，美国华盛顿大学的研究者们首次在三位癌症患者身上做了这样的尝试 [5]。

他们找到三位刚刚进行了外科切除手术的黑色素瘤患者，分析了他们体内切下来的黑色素瘤样本，从几百个出现了序列变异的基因中分别为每位患者确认了7个在肿瘤中有表达且能够被展示到细胞表面的新抗原。

研究者把这些新抗原开发成了个性化的治疗性肿瘤疫苗。他们从患者体内提取树突状细胞进行培养，再把7个新抗原依次加入树突状细胞培养液中进行刺激，最后再将训练好的树突状细胞输入患者体内。

这套程序完成后，研究者果然观察到三位患者体内出现了大量新生的能够识别这几个新抗原的T淋巴细胞。换句话说，人为地用肿瘤新抗原来刺激和训练人体免疫系统，确实有可能让它们更好地识别肿瘤细胞。

不过值得注意的是，2015年这项研究主要是观察人体免疫系统的变化，没有真正去观察研究这几位患者的肿瘤是不是得到了很好地控制。

2017年，两篇论文同时发表在《自然》杂志，补充了这个缺憾。这两项研究分别由德国的BioNTech公司和美因茨大学，以及美国的哈佛医学院丹娜-法伯癌症研究所完成。

这一次，研究者干脆绕过了在体外培养和训练树突状细胞这一步：先通过分析肿瘤样本找到新抗原，然后直接把这些新抗原输入到患者体内。

两项研究的区别是，美国的研究者们使用的是直接代表肿瘤新抗原的蛋白质片段 [6]，而德国的研究者们则使用能够编码这些蛋白质片段的mRNA序列 [7]。但类似的是，两个方法除了激活针对肿瘤新抗原的T淋巴细胞，也都能够大大降低黑色素瘤患者手术切除后复发的概率。

2017年的这两项小规模临床研究彻底激活了肿瘤新抗原疫苗这个研究领域。

在那之后，世界各地的研究者们开始在多种癌症类型中尝试发掘肿瘤新抗原，并制备新抗原疫苗。同时，多条疫苗开发的技术路线也都在同步推进。当然，这些路线背后的逻辑是共通的：将肿瘤细胞特有的新抗原人为挑选和合成出来，直接暴露在人体免疫系统面前，训练免疫系统更好地识别和杀伤肿瘤细胞 [8]。

阴差阳错的是，2020年开始的新冠全球大流行历史性地改变了肿瘤新抗原疫苗的开发进程。

这话从何说起呢？

新冠疫情让原本还在按部就班进行研究和开发的RNA疫苗技术大放异彩，彻底压倒传统的疫苗开发路线。在这个领域长期积累的美国Moderna公司和德国BioNTech公司迅速成为行业巨头。它们开发的新冠RNA疫苗也在短短一年多时间内弯道超车，进入临床应用，在几十亿人体内迅速完成了安全性和有效性的检验。

新冠疫情退潮之后，两家公司的营收如预期一样断崖式下降，而肿瘤新抗原疫苗的开发却搭上了新冠的便车，大大提速。

这是为什么呢？其实道理也容易理解——

新冠疫苗和肿瘤新抗原疫苗看起来风马牛不相及，背后的技术逻辑几乎是完全一致的：把某种特定抗原以RNA序列的方式输送到人体当中，提前训练人体免疫系统。当真正携带这些抗原的危险物质进入人体后，人体免疫系统就可以第一时间识别和杀伤入侵者。

比如，新冠RNA疫苗就是用一段mRNA分子编码新冠病毒表面特征性的刺突蛋白，将它包裹在脂质纳米颗粒中并注射进入人体。人体能够吸收这些脂质纳米颗粒，释放当中的mRNA分子，并用于生产刺突蛋白。这些刺突蛋白经由抗原递呈过程，被呈现在免疫系统的雷达之下。真正的新冠病毒入侵人体后，已经接受过训练的免疫细胞就可以在第一时间识别病毒表面的刺突蛋白，清除新冠病毒颗粒。

新冠的巨大压力让这套系统快速完成了优化和大规模人体验证。而我们已经知道的是，只需要把编码新冠刺突蛋白的RNA换成编码肿瘤新抗原的序列，这种疫苗就可以训练人体免疫系统识别肿瘤细胞。而这也是两家头部公司不约而同的战略选择。

2023年5月，德国BioNTech公司、美国基因泰克公司，以及美国纪念斯隆-凯特琳癌症研究所合作完成了一项肿瘤新抗原疫苗的小规模临床研究，结果发表在《自然》杂志。

这项研究针对的是异常凶险且几乎无药可用的胰腺导管癌。这是一种极易复发、5年生存率不到10%的恶性肿瘤。在手术切除肿瘤后，研究者为其中16位患者设计和应用了化疗+肿瘤免疫治疗+肿瘤新抗原疫苗的组合治疗方案。

具体而言，这一次研究者们使用的肿瘤新抗原疫苗和BioNTech公司的新冠疫苗的技术非常相似：用一段RNA分子编码20个在患者肿瘤组织里有表达的肿瘤新抗原，再用脂质纳米颗粒进行包裹，通过静脉注射到患者体内。

研究者观察到，其中一半患者（8人）的体内出现了针对这些新抗原的T细胞免疫反应，另外一半患者则没有出现这种反应。相应的，这些出现了免疫反应的患者在为期18个月的研究周期内都没有出现癌症复发，而其他患者大部分都出现了复发，复发时间的中位数是13.4个月。

当然，这项临床研究没有设置严格的对照组，因此我们还无法直接推出肿瘤新抗原疫苗能够延缓胰腺导管癌复发的明确结论。但考虑到恰好一半的患者能检测到明显的T细胞反应，同时这些患者恰好又表现出了极低的癌症复发概率，我们完全可以合理推测，肿瘤新抗原在这个过程中起到了关键作用。

无独有偶。美国Moderna公司也和默沙东公司合作，在2023年4月份公布了它们自家的肿瘤新抗原疫苗的2期临床结果 [9]。

虽然发掘和递送肿瘤新抗原的技术路线类似，但这项研究针对的是黑色素瘤患者，并设置了严格的对照组。研究者发现，进入研究的黑色素瘤患者在接受手术切除后，如果使用新抗原疫苗和癌症免疫药物的组合治疗，1年内出现转移和死亡的概率相比单纯使用癌症免疫药物的患者下降了59-65%。

这两项相继公布的研究，标志着肿瘤新抗原疫苗开发的重大突破。

Moderna和默沙东公司的合作研究，首次在上百人规模的对照试验中证明了肿瘤新抗原疫苗的安全性和显著疗效，而且明确了肿瘤新抗原疫苗临床应用的关键场景：在手术切除后的癌症患者中使用，避免肿瘤的复发和转移。

而BioNTech公司的研究也有独特的价值。它在胰腺导管癌这一种至今缺乏有效药物且极易复发的肿瘤中，证明了肿瘤新抗原疫苗的价值，展示了肿瘤新抗原疫苗有可能把对肿瘤免疫药物没有响应的“冷肿瘤”变成“热肿瘤”，让更多的癌症患者因此受益。

肿瘤新抗原疫苗的技术障碍

与此同时，我们也必须看到，肿瘤新抗原疫苗的广泛应用，还有许多关键技术障碍需要被克服。

首先，和新冠疫苗不同，和肿瘤免疫药物也不同，新抗原疫苗是一种完全个性化的药物。在真实的病床旁，研究者需要分析每一位患者的肿瘤样本，找到其中的肿瘤新抗原，再据此设计疫苗。而根据已经发表的研究，看起来每一位患者的新抗原都千差万别，真正做到了千人千面，这就使新抗原疫苗的开发几乎完全无法规模化，使用门槛大大提高。

这不光体现在必然会极端昂贵的价格上，也体现在很难加速和缩短的制备过程上。从BioNTech公司最近发表的研究看，从分析肿瘤样本到制备疫苗，每位患者都需要等待2个月左右的时间，而许多癌症晚期患者根本没有等待2个月时间的可能。

而一体两面的难题是，看起来研究者们对肿瘤新抗原的预测能力并不非常高明。

至今肿瘤新抗原也没有一个完备的挖掘方案。每个肿瘤细胞都可能携带成百上千个基因变异，这些基因变异哪些会改变蛋白质序列，哪些蛋白质序列的变异更容易被哪些MHC所递呈，哪些新抗原更容易被T细胞识别，这些问题都没有一个放之四海而皆准的答案。研究者往往需要连猜带蒙地选择新抗原的组合。从已经发表的数据看，这些组合的真实价值往往比较可疑。

比如，BioNTech的最新研究中，针对每位患者选择的十几二十个新抗原，至多只有一半真的产生了相应的T细胞反应，很多患者只有一两个新抗原产生了免疫反应。这当然有可能影响肿瘤新抗原疫苗的效果。

不过，我们也许能看到一点希望：如果能进一步提高挖掘肿瘤新抗原的能力和准确度，是不是最终有可能发现，不少癌症患者共享类似的肿瘤新抗原，或者至少有一些肿瘤新抗原会在不少癌症类型中有比较高的出现频率？如果果真如此，肿瘤新抗原疫苗就有可能摆脱完全个性化定制的局面，做成通用性的药品，显著降低其使用成本和制备周期。

此外，还有一个潜在问题是，是不是肿瘤新抗原疫苗和癌症免疫药物的组合就已经是最优解？

从最近发表的两项研究来看，BioNTech和Moderna公司都不约而同选择了和肿瘤免疫药物的联合使用。这种选择当然是合乎逻辑的。新抗原疫苗可以提高T细胞对肿瘤的识别能力，而肿瘤免疫药物可以重新激活T细胞的杀伤能力，起到1+1>2的效果。

但我们也要明确，免疫系统对肿瘤组织的杀伤，以及肿瘤组织对免疫系统的逃逸，远不止上面说的两个关键步骤。比如，在BioNTech的研究中，为什么只有一半患者出现了T细胞响应，仍然没有答案。树突状细胞本身的功能在这个过程里的价值 [10]，以及负责分泌抗体的B细胞免疫在这个过程中的作用 [11]，都还在挖掘当中。

也许在癌症治疗的终局里，癌症免疫药物也好，肿瘤新抗原疫苗也好，都只是大拼图中的小部件。而我们距离完成拼图仍然长路漫漫。

最后，在技术之外，肿瘤新抗原疫苗的推广还有不少监管和商业化方面的不确定性。

比如，作为一个个性化的治疗方案，肿瘤新抗原疫苗在多大程度上需要每一次应用都单独获得监管部门的放行？是否有可能只对它的技术路线进行监管，更换新抗原的过程可以更加自由？再比如，考虑到肿瘤新抗原识别的不确定性，以及只有部分患者会出现免疫反应的现状，厂家将如何定价？是所有人一视同仁还是个性化定价？如果个性化的话，是基于新抗原发掘的结果、基于免疫反应，还是基于真实疗效？

这些问题在眼下当然没有明确的答案，但这可能恰恰是一个领域正在爆发和突破的时候的常态。无论如何，肿瘤新抗原疫苗的进展，在我看来可能彻底改变未来10年肿瘤治疗的版图，给千千万万肿瘤患者带去全新的希望。

好，这就是这一期的《巡山报告》。一个月后，我继续为你巡山。

参考资料

[1] D’ANGELO, S. P., CATHERINE PIETANZA, M., JOHNSON, M. L., RIELY, G. J., MILLER, V. A., SIMA, C. S., ZAKOWSKI, M. F., RUSCH, V.
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[2] Bannoura, S. F., Khan, H. Y., & Azmi, A. S. (2022). KRAS G12D targeted therapies for pancreatic cancer: Has the fortress been conquered?
Frontiers in Oncology, 12, 1013902-1013902.
[3] Gong, J., Chehrazi-Raffle, A., Reddi, S., & Salgia, R. (2018). Development of PD-1 and PD-L1 inhibitors as a form of cancer immunotherapy: a comprehensive review of registration trials and future considerations. Journal for Immunotherapy of Cancer, 6 (1), 8-18.
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https://www.merck.com/news/moderna-and-merck-announce-mrna-4157-v940-an-investigational-individualized-neoantigen-therapy-in- combination-with-keytruda-pembrolizumab-demonstrated-superior-recurrence-free-survival-in/
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[11] Bod, L., Kye, Y. C., Shi, J., Torlai Triglia, E., Schnell, A., Fessler, J., Ostrowski, S. M., Von-Franque, M. Y., Kuchroo, J. R., Barilla, R. M., Zaghouani, S., Christian, E., Delorey, T. M., Mohib, K., Xiao, S., Slingerland, N., Giuliano, C. J., Ashenberg, O., Li, Z., Rothstein, D. M., … Kuchroo, V.
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