癌症免疫療法 - neoantigen vaccine

免疫療法也是近來滿熱門的一個領域，就是另用免疫系統去殺死癌細胞，有的是改造免疫 T cells，讓他能夠辨識出癌細胞，然後消滅它，例如 CAR T-cells。另外就是去年得諾貝爾獎的 PD-1 和 CTLA-4，利用小抗體去阻斷 T cells 的訊息傳遞。簡單來說就是 T cells 會表現 PD-1，而體內的一些正常細胞會表現它的配位基(ligand) PD-L1，PD-1 和 PD-1 結合後會抑制淋巴細胞的活化(activation)和繁衍(proliferation)，然而癌細胞也會表現 PD-L1，誤導免疫細胞說它是無害的正常細胞，T cells 就不會去攻擊它，小抗體就是用來阻斷這兩個蛋白的結合。

相關閱讀：免疫系統中的檢測點 PD-1 和 CTLA-4

癌細胞的產生是因為一層層的突變所造成的，而這些突變會使癌細胞生產所謂新的氨基酸片段(也就是胜肽, peptide)，稱為 neoantigen，因為正常細胞沒有這些突變，所以不會產生 neoantigen。這些氨基酸片段會被 MHC (major histocompatibility complex) 表現在細胞表面讓免疫細胞檢查，而這些 neoantigen 會被免疫系統辨識為外來物，然後被免疫細胞殺死。這些會從血液遊走到腫瘤，然後清理癌細胞的免疫細胞稱為 tumour-infiltrating lymphocytes (TILs)。但是很多癌細胞，例如腦腫瘤 glioblastomas 的癌細胞並沒帶有太多突變，表現在細胞上的 neoantigen 也不多，因此可以躲過免疫細胞的攻擊。


Figure / Interaction between tumour cell and T cells via PD-L1:PD-1 and MHC:Ag:TCR; T cell receptor (TCR) (C Barnhart, JADPRO 2015; PMID: 26557410)

最近有兩篇刊載 Nature 的研究報告了免疫治療的臨床研究結果，這兩個臨床試驗還有一個重點，就是所謂的個人化治療(personalized medicine)，或是稱精準治療(precision medicine)。上面提到有些腫瘤因為突變會產生不同的氨基酸片段，每個人的腫瘤細胞產生的 neoantigens 會不太一樣，個人化治療就是指針對每個病人的腫瘤特性做客製化的治療。而免疫治療則是指利用這些 neoantigens 去啟動體內的免疫系統，進而殺死癌細胞。不過，既然有些腫瘤細胞會產生 neoantigen 的話，為什麼不會被免疫細胞殺死呢？有可能是 antigen 本身特異性不足以引發免疫反應，因此要在臨床治療上使病患體內出現足夠的免疫反應，用好的 antigens 作為疫苗是很重要的，可以引發免疫反應殺死腫瘤細胞的 antigens 稱為 tumour rejection antigens。

其中一篇是在病人的 glioblastoma 腫瘤切除手術後讓他們接受放射線治療和免疫療法，就是把帶有 20 種腫瘤 neoantigens 的疫苗打入病患體內。這二十種 neoantigens 是分析了病患腫瘤後得出的結果，也就是針對癌症病患而客製化的疫苗，不過雖說是客製化，腫瘤的定序分析顯示有幾個是常見的突變基因，例如 PTEN 和 EGFR。手術後到接受免疫治療中間大約是 17 到 24 週，之後抽血檢測病患體內的免疫細胞 CD4+ helper T cells 和殺手細胞 CD8+ killer T cells (CTLs) 的反應。整個治療中，八位病患中只有兩位不需要接受類固醇 dexamethasone 做免疫抑制治療。最後，也只有這兩位沒接受類固存治療的的病患有出現免疫反應 -- 主要為 CD4+ T cells，並且釋放出 IFNγ, IL-2 和 TNF。這八位病人後來都過世了，治療後病情未惡化(progression-free survival, PFS)的時間為 7.6 個月，術後存活時間(overall survival, OS)的中間值則是 16.8 個月。若是只有做標準的放射線治療或化療的話，治療後的存活時間大約為一年左右 (ref: American Brain Tumor Association)。

另一篇研究則是試了兩種疫苗，一種同樣是用客製化的病患腫瘤 neoantigens，另一種是非客製化、用非突變的蛋白片段而製成的，其蛋白片段則是分析了三十個 glioblastomas 而得出的結果。在這篇研究裡，十五位病患在腫瘤移除手術後接受化療，其中四位只接受非客製化的疫苗，另外十一位兩種疫苗都接受，後來有兩位退出臨床試驗，剩下的十三位之後檢測其免疫反應效果為何。結果發現不管是只接受非客製化疫苗的病患，或是接受兩種疫苗的病患，大多出現免疫反應。接受非客製化疫苗的病患，如果其腫瘤細胞出現疫苗裡的其中一種氨基酸片段，即可被殺手 CD8+ T cells 辨識出來。接受客製化疫苗的病患，其免疫 CD4+ T cells 則會辨識出腫瘤細胞。病患從診斷出來後的到過世的時間(OS)為 29 個月，病情未惡化時間(PFS)約為 14.2個月，其中一位有出現 CD8+ T cells 免疫反應的病患則是存活了三年多 。



Articles:

Nature News / Immune cells track hard-to-target brain tumours

U Sahin & O Türeci, Personalized vaccines for cancer immunotherapy. Science (2018)


Papers:

N Hilf et al, Actively personalized vaccination trial for newly diagnosed glioblastoma. Nature (2018)

DB Keskin et al, Neoantigen vaccine generates intratumoral T cell responses in phase Ib glioblastoma trial. Nature (2018)

2018 諾貝爾生醫獎：免疫系統中的檢測點 PD-1 和 CTLA-4

今年的諾貝爾生醫獎得主是免疫療法，分別為德州大學安德生癌症中心(University of Texas MD Anderson Cancer Center)的 James Allison 和日本京都大學的本庶佑。免疫細胞中有一種是 T -cells [註 1]，它的細胞膜上有接受器(T cell receptors, TCR)和其他輔助蛋白質會辨識非自體蛋白（例如細菌的或病毒的）和傳送訊息。要全面啟動 T cells 需要兩個訊息 ，一個是 T cells 上面的 TCR 和抗原的接合 [註 2]，另一個是 T cells 上面的 CD28 和 APC 表面的 B7 結合，CD28 表現在 naive T cells 上面。



Figure / M Alegre et al, Nature Reviews Immunology (2001)

註 1：T cells 又分成 helper T-cells (Th cells, CD4+ T cells) 和 cytotoxic T-cells (Tc cells, CTLs, CD8+ T cells)

註 2：抗原被 APC (antigen presenting cells) 收進細胞內後會變成小片段，然後再由過 MHC (major histocompatibility complex)呈現在 APC 表面讓 T cells 辨識，準確來說和 TCRs 結合的是 MHC:Ag。

Allison 發現 CTLs 上面的 CTLA-4 有抑制免疫反應的作用。如果說 TCR 和 CD28 是兩把鎖，MHC:Ag 和 B7 是鑰匙，解開後才會全面啟動免疫反應，那 CTLA-4 就像是安全鎖，防止 CD28 那個鎖被解開，因為它接合的對象是 B7，因此大多數人想到的是用 CTLA-4 去治療自體免疫性疾病(autoimmune disease)。不過 Allison 想到的是相反的方向，他發現 CTLA-4 的抗體會抑制 T-cell 的功能功能，並且增加免疫反應。他們把直腸癌腫瘤細胞打入老鼠裡，其中有部分老鼠同時和之後的第三天和第六天又各打入一劑 CTLA-4 抗體，結果發現沒打抗體的老鼠如預期長出腫瘤，並且持續變大，而同時也打入 CTLA-4 抗體的老鼠則是打入腫瘤細胞後的五天內長出小小腫瘤後又漸漸萎縮，然後消失了。他們給這些腫瘤長出後又消失的老鼠二次挑戰，看看之前打入的 CTLA-4 抗體的效果有沒有持續，結果這些老鼠並沒有再長出腫瘤。

CTLA-4 的抗體藥為 Bristol-Myers Squibb 的 Ipilimumab (品牌名為 Yervoy)，用來治療黑色素瘤(melanoma)。

讓京都大學的本庶佑得獎的是 PD-1，他發現這個蛋白質會表現在快死掉的 T-cells 的細胞膜表面，因此稱它為 programmed death 1 (PD-1)。PD-1 是 B7 家族的成員之一，其配位基(ligand)為 PD-L1 和 PD-L2。本庶佑和其團隊發現 PD-L1 和 B7 會一同表現在 APC 表面上外，其包括了被活化了的 blood monocytes。他們也發現，除了被活化的 APC 會表現 PD-L1，非免疫細胞的心臟和肺的組織細胞也會表現 PD-L1，它和 PD-1 結合會抑制淋巴細胞活化和繁衍；PD-L2 表現在正常的 dendritic cells 表面，和 PD-1 結合則會抑制 T cell 活化。

後來，他們和另一組研究團隊發現癌細胞也會表現 PD-L1，並且因此逃過免疫系統的偵測。之後，本庶佑和其團隊發現黑色素癌細胞(melanoma cells)無法在沒有 PD-1 的老鼠(PD-1 -/-)體內擴散，在沒有 PD-1 的情況下，CTLs 聚集在癌細胞，並且其活動力也加強了。他們同時也用了抗 PD-1 的抗體測試，發現 anti-PD1 mAb 抑制了老鼠肝臟裡癌細胞的生長，在大腸和肺的測試也得到同樣效果，阻斷 PD-1 和 PD-L1 之間的 interaction 可以抑制癌細胞生長。

雖然這兩個蛋白質都被稱為免疫機制裡的 checkpoint，然而目前臨床上的結果顯示 anti-PD-1 抗癌效果比 anti-CTLA-4 還要好。



Articles:

2018 Nobel Prize in Physiology and Medicine

Science / Cancer immunotherapy pioneers win medicine Nobel (Oct 2018)

Technology Networks / James P. Allison & Tasuku Honjo Win 2018 Nobel Prize for Medicine (Oct 2018)


Papers:

DR Leach et al, Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade. Science (1996)

M Alegre et al, T-cell regulation by CD28 and CTLA-4. Nature Reviews Immology (2001)

GJ Freeman et al, Engagement of the PD-1 Immunoinhibitory Receptor by a Novel B7 Family Member Leads to Negative Regulation of Lymphocyte Activation. JEM (2000)

Y Iwai et al, PD-1 blockade inhibits hematogenous spread of poorly immunogenic tumor cells by enhanced recruitment of effector T cells. Int Immunology (2004)

線上交友：別再否認了，你就是愛這味！XD

這個禮拜 PNAS 有一篇關於 online dating 的研究，是講說人們是怎麼挑選想交流的對象。隨著網路越來越發達，人們找對象不再限於靠親朋好友介紹，現在交友網站越來越多(也越來越多新花招，像是利用 DNA 找合適的對象*)，也越來越多人是靠這些網站找到對象。線上交友通常是出現一堆大頭照加個資，然後我們從中挑選看順眼的，但是當你掃過一堆人的時候，你是怎麼決定要不要停下來多看一點或是進一步傳訊息給對方的？

密西根大學的社會學家 Elizabeth Bruch 和他的團隊從以結婚為目的的交友網站上隨機收集了 1855 在紐約的人，他們彼此之間互相交流的次數約 1.1 百萬次，然後從他們的活動中分析他們是怎麼挑選對象的，也就是怎麼決定要不要在真實世界中見面。他們把人下決定的步驟分成兩階段，先是掃過一個個的個人資料，邊掃邊立刻決定跳過還是停下來看仔細一點。第二階段則是停下來看了之後，決定要不要傳訊息給對方做進一步的交流，而從第一階段進入第二階段的決定是怎麼下的？是不停的加分後然後選最高分的做進一步交流（deal maker），還是用刪去法，把不符合自己條件的刪掉後，選擇和沒被刪掉的交流（deal breakers) ，像是生存遊戲中最後的生還者？（其實這個還滿顯而易見的吧？如果是現實生活中的人，可以靠一次次的相處慢慢加分或減分，但是網路上的人太多，只挑看得順眼的做進一步交流，反的來說就是看不對眼的就直接跳過跳過再跳過。）

然後他們發現，（其實也不太意外的結果）不管男女大多會直接跳過沒照片的人，抽菸的人也會被跳過。

另一個被刪掉的原因之一（其實也是最大的原因）又是不太意外的年齡。跟男性相比，女性會跳過比自己大很多的男性，但這又因年紀而異；53 歲的女性比 23 歲得更可能接受五歲的差距，二十幾歲的會跳過比自己大十歲以上的男性(by 10%)，但是四十幾歲的女性比起看和自己同齡男性的資料，則比較會去看 55 歲以上的男性資料(by 10%)，她們也會去看比自己年輕的，但不會傳訊息給對方。更不意外的是男性通常是挑和自己同年或比較年輕的女性，四十幾歲的男性對比自己年輕 30% 的女性比較有興趣，也就是自己年齡一半加七歲的女性，阿不就是二十七、八歲嘛？切~~

身高的部分，女性對於比他們高 17 公分的男性多看他們的資料幾眼(by 10x)，但男性對比他們高的女性也會看，但比女性少(by 3x)。體重的部分，男性會跳過比較重的，傾向挑 BMI 比自己低的，女性則相反。

另外，有 22% 的男性被和自己很不同的女性吸引，這些是過重(mean BMI = 25)或年紀稍大的(avg = 39.2 yr)，他們傾向選擇年輕和纖瘦的女性。

其他，有部分女性會傳訊息給比她們小很多的男性，有部分女性會挑比她們矮五吋的男星，有部分的男性會挑體重比他們重的女性。

感覺這些結果一點都不意外啊，別再說什麼才不是這樣，結果顯示就是「嘴上說不要，身體倒是挺誠實的」，男性就是不管幾歲都愛年輕正妹。（爆）


*註：前兩天朋友分享了一個 dating event，是關於靠味道擇偶的，看了一下活動主辦，是一家 online dating company，主打用 DNA 幫你找 best matches。

".... is an online dating service that uses a DNA test to match members who are likely to feel a real biological attraction towards each other.

Our customers collect their DNA at home by taking a cheek swab or by plucking some hairs. The sample is placed into a zip-lock bag, then registered with us online. You simply write your use ID on a pice of paper, place it in the bag with your sample and post it to us.

Once received your DNA is isolated for genetic analysis using proprietary methods. Your unique DNA Romance profile will be compared with other potential suitors to find the best matches for you."

因為頗好奇是用什麼基因配對，朋友丟了幾篇論文，看了才知道是 MHC，一般大家知道 MHC 的功能是在免疫方面，剛剛順手也孤狗了一下，才發現原來 MHC 有擇偶方面的功能，而且在二十幾年前就有這個學說了，很多研究顯示動物通常會挑和自己的 MHC 不一樣的，這是為了避免近親繁殖，而老鼠是靠味道分辨是否相似或不同。



Article:

John Bohannon, These are the top ‘deal breakers’ for online dating, according to sociologists. Science, News (2016)


Paper:

E Bruch et al, Extracting multistage screening rules from online dating activity data. PNAS (2016)



關於 MHC 和擇偶行為的可以參考這三篇 reviews：

M Milinsk, The Major Histocompatibility Complex, Sexual Selection, and Mate Choice. Annual Review of Ecology, Evolution, and Systematics (2006)

C Wedekind et al, MHC-dependent mate preferences in humans. Proc Biol Sci (1995)

L Bernatchez & C Landry, MHC studies in nonmodel vertebrates: what have we learned about natural selection in 15 years? J Evo Biol (2003) doi: 10.1046/j.1420-9101.2003.00531.x