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科学家开发出肿瘤对免疫检查点抑制剂药物反应机制的模型

  • David Barbie

    右为David Barbie博士

  • 2017年11月3日——美国马萨诸塞州波士顿讯

    丹娜—法伯癌症研究所的科学家们利用科技手段将肿瘤组织塑造成极小的球体,从而开发出判定肿瘤对免疫疗法药物PD-1抑制剂的反应的技术;此外,该技术还对此类免疫药物与其它疗法结合使用是否更有效进行了探究。通过此项技术,科学家们成功地鉴别出一种药物组合,它在患有多种类型肿瘤的实验用动物体内呈现出疗效。

    研究作者表示:该研究于今日发表在Cancer Discovery的网站上,它能够回答有关PD-1抑制剂治疗最迫切的一些问题。PD-1药物隶属于一组名为免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors), 尽管它已经在一些黑色素瘤、肺癌、肾癌、膀胱癌和其它实体肿瘤患者体内激发出长效的缓解作用,但该药物只对极少数患者有作用。肿瘤学家们正在寻找更多可靠的方法,来预测哪些患者更容易从此类药物中获益。

    尽管学界认为检查点抑制剂和其它药物的组合有极大潜力,但是可能进行组合的数量只有百余个。若是在足够多的患者中测试每项组合疗法,以获取统计学有效性则需要巨大的努力,包括财力和时间上的长期投入。

    PD-1是一种蛋白质分子,有些癌症细胞利用它来混入周围正常的细胞内,从而躲避免疫系统的攻击;免疫系统经过编程来移除外来或消亡的细胞。抑制PD-1或其它免疫检查点分子的药物能很大程度地将伪装的癌细胞剥离出来,并且将这些癌细胞舒展开来,以便免疫系统对它们进行攻击。

    “肿瘤因它与免疫系统持续的互动状态而存活,并且一个检查点抑制剂能否成功杀死肿瘤细胞,取决于它们与肿瘤的互动程度” ,David Barbie博士(David Barbie, MD)说道。Barbie博士是本研究的联合资深作者,其它作者还包括他在丹娜—法伯癌症研究所的同事——Cloud Paweletz博士(Cloud Paweletz, PhD)以及吉利德科学公司(Gilead Sciences)的David Dornan。Barbie博士补充道:“迄今为止,对于了解肿瘤和免疫系统之间的多样性以及检查点抑制剂如何影响这种多样性的问题,我们的能力非常有限。因此,我们必须依赖于对血液里物质的测量或经过保存的肿瘤组织研究”。

    Barbie博士表示: “在这项新的研究里,我们的目标是创立一个能够在人体外进行的、抓取癌症细胞和免疫系统互相作用的新模型系统。这样的一个模型能够帮助科学家们在一个肿瘤内鉴别出物质或者 “生物标记(biomarkers)” ,而这个模型能够预测出一个特别的检查点抑制剂是否更容易对该肿瘤呈现出药效。此外,这个模型还能够帮助我们鉴别出新的抑制剂或者抑制剂与其它药物的组合,从而针对那些只对PD-1抑制剂呈现出耐药性的患者进行治疗” 。

    由Barbie博士和同事们开发的模型驱使了三维微流体文化科技(three-dimensional microfluidic culture technology)的发展。在收集完一个肿瘤组织样本后,科学家们将它浸入到酶素中,而这种酶素可以把肿瘤“消化”分割成更小份的样本。这些小份的样本合并成小而圆状的结构,我们称之为球状体(spheroids)——它们能够穿过一个过滤器,科学家们将它们收集、储存在一个能够让这些细胞存活的容器里。

    Paweletz博士说道:“每一个球状体都是一个微生态系统,它不仅包含了肿瘤细胞,还含有与肿瘤互动的免疫系统细胞”。每个球状体的大小约等于一个尘埃粒子的大小,随后,科学家们用检查点抑制剂来治疗这些球状体,或是单用抑制剂,或是将抑制剂和其它药物进行组合治疗,以研究包括在肿瘤细胞上的效应以及在名为细胞因子(cytokines)的物质上的作用(这些细胞因子由免疫系统细胞分泌)。细胞因子内的变化或许可以提供这样一个早期的预示:暨检查点抑制剂或其它药物组合是否能够有效杀死肿瘤细胞。

    为了测试该模型是否如实地反映出当用一种PD-1抑制剂治疗肿瘤时人体内的变化,科学家们选择了一种“同基因”的(syngeneic)的小鼠——这些实验用的动物体内含有的肿瘤组织,与原本在小鼠体内生长的、具有相同基因背景的肿瘤一样。科学家之所以选择这组特殊的小鼠是因为有些动物体内的肿瘤在经过PD-1抑制剂治疗后有缩小,而有些没有,而这种情况与人类患者的反应十分相似。

    当用PD-1抑制剂对实验动物的肿瘤和球状肿瘤模型进行治疗时,他们先后对抑制剂产生反应:当一个小鼠肿瘤被药物杀死,由该肿瘤制成的球状模型也同样被药物杀死;当一个小鼠肿瘤对药物产生抵抗性时,球状模型亦如是。科学家们还发现:治疗后,动物肿瘤和球状物含有同类型的免疫系统细胞。

    Barbie博士表示:“这些实验结果表明:在球状模型上呈现的药效严密地映射出在动物肿瘤上的药效” 。

    随后,科学家们用该模型来测试一种PD-1抑制剂和新化合物TBK1/IKKε的组合药物的疗效。该模型预示:在控制肿瘤生长和延长小鼠生存方面,组合药物的疗效将远超单独使用PD-1抑制剂疗效;而这正与科学家在动物模型里重复该试验的结果相吻合。

    在本研究的下一阶段,科学家们则从人体肿瘤中制作球状模型,而非取材于小鼠体内的肿瘤。正如在小鼠实验里呈现的效果一样,这些取材于人体肿瘤的球状模型对PD-1抑制剂也有反应。PD-1抑制剂刺激了球状模型产出特定的细胞因子(暨召唤免疫系统细胞移动到位或至感染的、消亡的组织上的物质),这些细胞因子给出了重要的线索:一个人体内的肿瘤是否能对抑制剂起反应。

    Russell Jenkins博士(Russell Jenkins, MD, PhD)表示:“我们的研究发现首次验证了在实验模型里探究肿瘤对PD-1抑制剂起反应或起抵抗作用的可能性” 。Jenkins博士是丹娜—法伯癌症研究所和麻省总医院(Massachusetts General Hospital)的一位科学家,也是本研究的首席作者。

    科学家们提到该技术有以下局限性,一方面是维持足够数量的肿瘤组织进行测试的能力不足(肿瘤样本大约为一立方厘米或类似一个小软心豆粒糖大小),以至于难以让肿瘤存活;另一方面则是处理活细胞的固有挑战。

    若要在临床上进行实际试验,科学家们还需要做更多的工作,以完善该技术。然而,该技术的益处显而易见。Barbie博士观察道:“对患者而言,这项技术能够与测试出对他们最有效果的药物,无论是PD-1,还是其它免疫检查点抑制剂。对于仅对PD-1抑制剂没有反应的患者而言,这项技术可以帮助他们指明方向——让这些患者参与到最有潜力的PD-1抑制剂和其它药物组合的临床试验中来” 。

    本研究的资金支持源自以下组织及机构:罗伯特和蕊奈∙贝尔法基金会(Robert A. and Renée E. Belfer Foundation);美国国家癌症研究培训补助金(National Cancer Institute Training Grant ;项目编号:T32CA009172-41);约翰∙斯文森奖学金(John R. Svenson Fellowship);葛洛莉亚∙T∙麦胡和西瓦根家族肺癌研究基金(Gloria T. Maheu and Heerwagen Family Funds for Lung Cancer Research);Rising Tide基金会(the Rising Tide Foundation);期待奇迹基金会(Expect Miracles Foundation);美国国立研究院综合医学科学研究所(National Institute of General Medical Sciences,补助金项目编号:T32 GM008313);美国国家科学基金会(National Science Foundation,补助金项目编号:DGE1144152);卡亚∙纳瓦拉基金会—杰出博士流动补助金(Caja Navarra Foundation Excellence Doctoral Mobility Grant);纳瓦拉大学博士流动基金互助会(Association of Friends of the University of Navarra Doctoral Mobility Grant);美国国家癌症研究所(National Cancer Institute;补助金项目编号:R01 CA190394-01, P01CA120964, 5R01CA163896-04, 5R01CA140594-07, 5R01CA122794-10及5R01CA166480-04);格罗斯-罗家族肺癌研究基金会(Gross-Loh Family Fund for Lung Cancer Research);丹娜—法伯癌症研究所苏珊∙斯普那家族肺癌研究基金会(Susan Spooner Family Lung Cancer Research Fund at Dana-Farber Cancer Institute);丹娜—法伯癌症研究所伊丽莎白和麦克尔∙鲁安尼基金会(Susan Spooner Family Lung Cancer Research Fund at Dana-Farber Cancer Institute)。此外,美国国立卫生研究员还批准了P01 CA114046, P01 CA025874, P30 CA010815和 R01 CA047159补助金拨款来支持本研究;米里亚姆和谢尔顿∙爱德森博士医学研究基金会(Dr. Miriam and Sheldon G. Adelson Medical Research Foundation)及黑色素瘤研究基金会(Melanoma Research Foundation)亦对本研究提供了大力支持。本研究中涉及的共享资源(Shared Resources)支持来自维斯拓研究所癌症中心(The Wistar Institute)辅助补助金(项目编号:CA010815)。其余的财政支持还有美国癌症协会—Stand Up To Cancer肺癌追梦组转化研究补助金(Stand Up To Cancer-American Cancer Society Lung Cancer Dream Team Translational Research Grant;项目编号:SU2C- AACR-DT17-15)。

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