《自然》：首次发现！癌细胞竟会导致巨噬细胞「消化不良」，免疫治疗可让其恢复「胃动力」 | 科学大发现

从1992年，Yasumasa Ishida等人在小鼠杂交瘤T细胞中发现了PD-1分子[1]；到2000年，Gordon Freeman等人发现了它的第一个配体——PD-L1[2]；再到最近几年，PD-1/PD-L1抗体在治疗黑色素瘤、结直肠癌、非小细胞肺癌等方面取得的累累硕果[3]。大家的目光都放在PD-1抑制T细胞的功能上了。然而，“傲娇”的PD-1，可不止那么一点能耐。

PD-1发展史

近日，斯坦福大学的Irving Weissman教授发现：肿瘤小鼠模型以及人类肿瘤中的另一种免疫细胞——巨噬细胞——也会表达PD-1，并且PD-1还抑制了巨噬细胞的吞噬功能。这意味着PD-1抗体可能通过激活T细胞和巨噬细胞向肿瘤发起双重攻击！这一发现将对改善和扩大癌症的PD-1/PD-L1抗体治疗具有重要意义。相关的研究发表在近期的《自然》[4]上。

Irving Weissman教授

大约在10年前，科学家们陆续在多种癌症中发现，那些肿瘤细胞表达过多PD-L1的患者预后不良[5]。Junzo Hamanishi还证实了肿瘤细胞表达的PD-L1可以通过PD-1直接作用于杀伤性T细胞，抑制它的抗癌功能[6]。PD-L1更像是一种“别吃我”信号，它在肿瘤细胞表达，对免疫系统释放出这种信号，以逃避T细胞的攻击。目前癌症治疗中采用PD-1抗体或PD-L1抗体，就是要关闭这种“别吃我”信号，以让T细胞抗击肿瘤[7]。

要知道在肿瘤微环境中，可不只有肿瘤细胞和T细胞，其中很大一部分（大约50%）是巨噬细胞[8]。并且，还有研究表明，肿瘤相关巨噬细胞越多，肿瘤患者的生存期就越短[9]（多么令人心痛的事实）。面对如此众多的巨噬细胞，PD-L1就真的只对T细胞“情有独钟”，而跟巨噬细胞一点“私情”都没有么？

对此，Weissman教授表示怀疑。因为几年前，科学家就发现了在细菌感染引起严重的败血症时，巨噬细胞也能表达PD-1，并且PD-1还抑制了巨噬细胞清除细菌的功能[10]。于是，Weissman教授就提出了两个问题：一、肿瘤微环境中的巨噬细胞会表达PD-1吗？二、如果表达，那么它又会对抗肿瘤免疫产生什么样的影响呢？

针对第一个问题，研究人员首先在结直肠癌小鼠模型中找到了答案。他们利用一种称作FACS的细胞分选技术，发现从小鼠肿瘤中分选出来的巨噬细胞大约有50%会表达PD-1，而在小鼠的血液及脾脏中的巨噬细胞几乎不表达PD-1。

进一步的分析发现，几乎所有表达PD-1的巨噬细胞都具有M2型巨噬细胞的特征——这一类型的巨噬细胞往往会促进肿瘤发生。并且，表达PD-1巨噬细胞的数量，还会随着肿瘤的发生及肿瘤体积的变大而增多。更令人惊奇的是，研究人员在早期结直肠癌患者的肿瘤样本中也发现了类似的现象，并且随着疾病的进展，表达PD-1的M2型巨噬细胞的量也在不断上升。

随着肿瘤的发生，表达PD-1的巨噬细胞的量不断增加（左图为小鼠肿瘤，右图为人肿瘤）

那么，除了能表达PD-1，这些特殊的巨噬细胞还发生了哪些变化呢？研究人员发现，与那些不表达PD-1的巨噬细胞比，表达PD-1的巨噬细胞形态发生了变化：它们变得更“胖”，呈现出“泡沫”状。经过电子显微镜分析，这些“泡沫”是由于巨噬细胞没有把“吃进去”的东西“消化”掉造成的。另外，这些巨噬细胞表面与其功能相关的“标志物”也发生了变化。这不禁让研究人员想到表达PD-1的巨噬细胞，其功能应该也发生了变化。

左图为不表达PD-1的巨噬细胞；右图为表达PD-1的巨噬细胞

那么，事实又是怎样呢？首先，研究人员从肿瘤中分离出巨噬细胞，再将它们和金黄色葡萄球菌共同培养，他们发现：与不表达PD-1的巨噬细胞相比，表达PD-1的巨噬细胞“吃进去”的金黄色葡萄球菌数量减少了，这说明它吞噬细菌的功能确实是受损了。与此类似的是，在不含T细胞、肿瘤细胞高表达PD-L1的小鼠，其巨噬细胞吞噬肿瘤细胞的功能也受到了抑制。进一步的分析表明，巨噬细胞PD-1的表达与其吞噬肿瘤细胞的功能呈负相关，即PD-1的含量越高，巨噬细胞吞噬肿瘤的功能越弱。至此，Weissman教授的第二个问题也得到了答案。

PD-1巨噬细胞数量与吞噬作用呈负相关

Weissman研究团队并不只满足于这样的结果，他们还给不含T细胞的肿瘤小鼠施加了PD-1抗体及PD-L1抗体治疗。研究人员惊喜地发现，施加这两种抗体治疗，提高了巨噬细胞的吞噬功能。更有意思的是，当PD-L1抗体与另一种专门针对巨噬细胞的抗体——CD47抗体——联合使用时，相比于单一抗体治疗，小鼠肿瘤的体积变得更小了，小鼠的生存时间也更长了！

g图为不同治疗方式下肿瘤体积的比较，h图为不同治疗方式下生存时间的比较。紫色、黄色、草绿色、深绿色（从左到右）依次为PBS、PD-L1抗体、CD-47抗体及两种抗体联合使用

种种结果都让研究人员非常兴奋，因为这意味着PD-1的表达既可以抑制获得性免疫（如T细胞），又可以抑制固有免疫（如巨噬细胞）。虽然大家都普遍认可PD-1/PD-L1抗体治疗是依靠激活T细胞来抗癌的，但是巨噬细胞的作用也不可忽视。正如本文的第一作者Sydney Gordon所说：“这将促使新抗癌疗法的出现，或者是旨在促进T细胞抗击癌症，或者是旨在促进巨噬细胞抗击癌症。”[7]

还有一点也让Weissman教授兴奋不已，PD-1/PD-L1抗体可能比之前认为的应用面更广泛、效果更好。他表示：“为了能利用抗体使T细胞抗癌，你首先需要一群已经学会识别特定癌细胞的T细胞；但是，巨噬细胞是固有免疫的一部分，这意味着它能识别各种病人的各种肿瘤！”[7]

该研究让我们看到了PD-1/PD-L1抗体治疗癌症的新方式，这让本就给癌症患者带来无限希望的抗体治疗愈发迷人。我们期待能够有效激发固有免疫和适应性免疫的抗体疗法早日造福癌症患者！

参考资料：

[1] Ishida Y, Agata Y, Shibahara K, et al. Induced expression of PD-1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death[J]. The EMBO journal, 1992, 11(11): 3887.

[2] Freeman G J, Long A J, Iwai Y, et al. Engagement of the PD-1 immunoinhibitory receptor by a novel B7 family member leads to negative regulation of lymphocyte activation[J]. Journal of Experimental Medicine, 2000, 192(7): 1027-1034.

[3] Wolchok J D. PD-1 blockers[J]. Cell, 2015, 162(5): 937.

[4] Gordon S R, Maute R L, Dulken B W, et al. PD-1 expression by tumour-associated macrophages inhibits phagocytosis and tumour immunity[J]. Nature, 2017.

[5] Okazaki T, Honjo T. PD-1 and PD-1 ligands: from discovery to clinical application[J]. International immunology, 2007, 19(7): 813-824.

[6] Hamanishi J, Mandai M, Iwasaki M, et al. Programmed cell death 1 ligand 1 and tumor-infiltrating CD8+ T lymphocytes are prognostic factors of human ovarian cancer[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2007, 104(9): 3360-3365.

[7]https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170518143843.htm

[8] Morrison C. Immuno-oncologists eye up macrophagetargets[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2016, 15(6): 373-374.

[9] Steidl C, Lee T, Shah S P, et al. Tumor-associated macrophages and survival in classic Hodgkin's lymphoma[J]. New England Journal of Medicine, 2010, 362(10): 875-885.

[10] Huang X, Venet F, Wang Y L, et al. PD-1expression by macrophages plays a pathologic role in altering microbialclearance and the innate inflammatory response to sepsis[J]. Proceedings of theNational Academy of Sciences, 2009, 106(15): 6303-6308.