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STING猎人:新一代疗法能否横扫肿瘤免疫领域?

Jerry发呆 Jerry发呆 来源:医药魔方
03/09
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 I、神秘消失的肿瘤

在肿瘤科待的时间久了,总有机会遇见奇迹。大概十年以前,Archie Tse还在纪念斯隆-凯特琳癌症中心工作。那时候他接管了一位晚期胰腺癌患者,多数胰腺癌患者的预后并不好,她也一样,病情越来越糟糕,大概只剩几个月的生命了吧。

她的腹腔已经开始渗入大量的液体,医生只能通过插入导管引流。但由于出现了感染,腹腔内的导管只能被取出,她也被送回家休养,让她能够在家中度过人生的最后时光。 

然而在几个月之后,Tse在医院再次遇见了这位患者。Tse觉得很诧异,因为他并没有预料到她仍然活着。尽管在这几个月内这位患者没有接受任何治疗,但是她腹部的积液却奇迹般地消失了。Tse让这位患者做了CT检查,结果很明确,她的肿瘤已经消失了。

虽然很多肿瘤科医生没有机会亲眼见到过这样的病人,但多数医生却听过类似病人的故事。医生们把这种现象称为自发缓解 (spontaneous remission),极少数的癌症病人即使在不接受任何治疗的情况下,病情也能够自行缓解。

长久以来,科研人员一直对这种现象感到非常的好奇,到底是什么原因使病人的肿瘤消失了呢?是上帝的眷顾,还是信念的力量?

或许比较合理的解释是,这些病人的免疫系统被激活了,使他们自身的免疫系统能够有效地对抗肿瘤,完全清除这些肿瘤细胞。但肿瘤自发缓解的概率极低,曾有研究人员推测该现象发生的概率大约为十万分之一 [1],因此即使存在肿瘤自发缓解的可能性,绝大多数病人也无法因此获益。

所以更重要的问题是,肿瘤的自发缓解能够为我们带来什么样的启示?实际上早在100多年以前,同样是在纪念斯隆-凯特琳癌症中心工作的外科医生William Coley就研究过这样的案例 (见:肿瘤免疫疗法的诞生)。

William Coley曾在他导师留下的病历中读到过Stein的治疗经历,Stein的左耳下方长了一个很大的肿瘤,但肿瘤在伤口感染之后却逐渐消失了。这也激发了Coley的灵感,于是Coley开始通过向肿瘤患者体内注射灭活的细菌来对他们进行治疗,希望能够重现这样的奇迹,使病人的肿瘤能够缩小,甚至消失。

在多数情况下,Coley使用的毒素的确能够激活免疫系统,使那些活化的免疫细胞能够识别并攻击肿瘤细胞。虽然他曾经治愈过很多的肿瘤患者,但这一疗法并不总是有效,而且也存在诸多的限制性因素,因此该疗法最终没能成为癌症治疗的主流方法。 

此后的几十年内,由于人们对于肿瘤免疫领域认识的局限性,该领域一直没有比较大的进展。上世纪六七十年代,又出现了一些诸如卡介苗的治疗方法,通过瘤内注射或者系统给药等方式非特异性地强化免疫系统功能。而到了八十年代,能够活化T细胞以及NK细胞的干扰素和IL-2也被尝试应用于癌症的治疗(从魏则西到Emily Whitehead这篇文章链接)。

但这些方法依然有非常多的局限性,而且很多疗法的毒副作用非常强。然而科学家依然没有放弃,依然希望能够重现Coley的奇迹。就在最近几年,越来越多的学者以及制药公司将目光转移到了一种新的疗法上。而这种疗法的药物作用靶标,是一种叫做STING的蛋白。 

STING的名称来源于Stimulator of Interferon genes(干扰素刺激基因),这种蛋白在人体出现感染期间能够被激活。STING是人固有免疫系统的组分,固有免疫系统是人体对抗诸如细菌以及病毒等外界病原体入侵的第一道防线。当STING激活之后能够增加干扰素以及细胞因子的生成,并通过一系列的级联反应,激活适应性免疫系统,活化T细胞。 

实际上现代医学已经掌握了一些利用T细胞来对抗肿瘤的方法,比如默沙东和BMS的检查点抑制剂Keytruda以及Opdivo。

1999年,日本京都大学的Tasuku Honjo发现PD-1在某些情况下能够抑制免疫系统的功能,而当表达PD-1的基因被敲除之后,很多小鼠会出现自身免疫性疾病,这种自身免疫反应也是免疫系统过激的表现。通过与哈佛大学的Arlene Sharpe和Gordon Freeman合作,Honjo发现一些肿瘤细胞表面具有一种被称为PD-L1的蛋白,能够与T细胞表面的PD-1相互作用,使其免受T细胞的攻击。 

作用于以上靶点的药物对于一部分肿瘤患者非常有效,但这类药物总体的有效率只有大约20–30%。所以从疗效的角度来讲,这些药物依然存在很大的提升空间。 

因此制药公司也正在努力寻找能够与PD-1/L1抑制剂联合使用的疗法。而STING激动剂可能正是其中之一。PD-1/L1抑制剂能够解除T细胞的活化抑制,但是如果肿瘤内部/附近并不存在T细胞,那么该类药物也很难发挥疗效,这也是该类药物总体有效率低的部分原因。 

患者需要在使用该类药物之前就存在免疫反应,这样才能使检查点抑制剂发挥作用。而固有免疫系统恰好能够完成这一任务。也就是说,STING的激活能够为T细胞的活化和增殖提供基础,之后再使用检查点抑制剂就可以使T细胞有足够的能力清除体内的肿瘤细胞。这也是为何在最近几年内,包括BMS, Merck,诺华以及其他一些制药公司都在努力寻找能够活化STING的药物的原因。

II、STING……STING

十年前Glen Barber首次发现STING的时候,他大概不会预料到STING蛋白的发现能够为肿瘤免疫治疗带来新的希望。当Barber在迈阿密大学进行免疫系统及病原体研究的时候,他发现STING蛋白缺失的细胞非常容易受到病毒的入侵 [2]。 

之后UC Berkeley的Russell Vance发现来源于细菌的分子c-di-GMP(一种环状的二核苷酸,CDN)能够结合哺乳动物的STING受体,并且激活固有免疫系统 [3]。2012年Barber又发现STING能够被同一生物体内死亡细胞中泄漏的DNA活化,但是STING如何识别如此庞大的DNA分子当时仍然不清楚。 

在2013年,德克萨斯大学西南医学中心的Zhijian Chen解决了这一问题:无论DNA是来自于病毒,细菌或者生物体自身,都能与一种叫做cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) 的酶结合,cGAS能够将两个核苷酸相连,形成一种叫做cGAMP的环状二核苷酸,从而激活STING [4]。 

如此,STING的活化过程便比较清晰了。人体内的DNA通常不会激活STING蛋白,因为正常情况下DNA能够存在于细胞核之内 (线粒体DNA除外)。但如果DNA泄漏到胞浆之中,则会活化STING,引发免疫反应。科学家最近发现放疗以及化疗同样能够激活STING,这可能也是由于死亡的肿瘤细胞内的DNA泄漏导致STING被激活。

而哈佛医学院的Tim Mitchison课题组以及该组的Lingyin Li却给STING领域带来了更多的惊喜。Mitchison实验室一直与诺华公司合作,共同研究一种抗肿瘤化合物DMXAA。临床前研究发现这种化合物在小鼠抗肿瘤模型中的药效极其好,但是之后的两项三期临床试验却以惨败收场。

 

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在此之后Mitchison对DMXAA心灰意冷,负责该项目的Li也不愿再触碰这个化合物。但不久之后Mitchison 还是说服Li继续进行DMXAA这个项目。然而这一次她却有了意外的发现,Li发现DMXAA能够激活STING。但是与天然存在的STING抑制剂CDN不同,DMXAA只能结合老鼠的STING蛋白 [5]。这同时也解释了为什么诺华的临床试验没有成功,也正是这项研究掀起了STING的热潮。

III、热潮

Aduro Biotech是一家小型生物技术公司,该公司的研究人员发现合成的CDN直接注射到小鼠的肿瘤内能够激活STING,从而激活固有免疫系统并引发一系列级联反应,并激活T细胞对抗肿瘤。Aduro的科研团队同时也向小鼠体内注射了更多的肿瘤细胞,使其扩散到整个肺部。令人意想不到的是,单个瘤内注射CDN之后能够激活小鼠全身的T细胞,并清除包括肺部在内的其他部位的肿瘤 [6]。如果该结果能够在病人身上重现,就意味着STING激动剂将有非常光明的前景,因为多数病人最终并不是死于原位癌,而是死于癌细胞转移所形成的肿瘤。

诺华也紧随其后,他们在之前与Mitchison实验室合作时就预计STING可能是一个很好的药物靶点,Li也很快发表了另一篇关于STING激动剂的文章 [7]。然而Li文章中的所报道的化合物之前就已经被Aduro申请了专利保护。2015年3月,诺华与Aduro达成合作,共同开发当时仍处于临床前阶段的STING激动剂。诺华同意支付Aduro两亿美金的首付款以及大约5亿美金的里程牌付款。

过去几年间,制药公司对STING的狂热有增无减。2016年5月,Aduro以及诺华的STING激动剂率先进入了临床一期。2017年初,默沙东开始了Keytruda与STING激动剂联用方案的临床研究。去年8月,BMS通过支付3亿美金首付款,以及20亿美金的里程碑付款收购了IFM Therapeutics处于临床前的STING激动剂。9月,诺华宣布测试其自家检查点抑制剂与Aduro的STING激动剂联用的有效性 (PDR001/ADU-S100)。相信之后的很多STING激动剂也将以类似的组合方式进行评价。

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人STING蛋白及其激动剂ADU-S100的晶体结构. Source:CEN

除了在肿瘤免疫疗法领域的探索,一些制药公司也在设计STING拮抗剂,通过抑制过度激活的STING蛋白来治疗自身免疫病。去年10月,Celgene与Nimbus Therapeutics达成合作协议,共同研发STING拮抗剂用于自身免疫病的治疗。而Nimbus同时也希望能够获得可静脉注射或者口服的STING激动剂,而非直接瘤内注射。 

一般而言,天然存在的CDN很难被开发成药物,因为人体内的磷酸二酯酶能够将这些化合物很快降解。而经过化学修饰之后可以使这类化合物变得更加稳定,尽管如此,CDN做成口服药物依然非常困难。

在研STING药物

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截至目前,基于DMXAA (鼠STING特异性的激动剂) 开发小分子STING激动剂进展相对来说还算比较顺利。但一些制药公司开发了一些创造性的方法,以期将CDN用于更多类型的肿瘤。

Spring BankPharmaceuticals正在开发一种基于CDN的,且能够静脉给药的STING激动剂。预计今年年末将启动治疗肝癌的临床试验。这家公司也在与开发抗体偶联药物的公司合作,将STING激动剂连接到抗体上,使其能够比较准确地定位肿瘤细胞。同样,iTeos Therapeutics也在与Cristal Therapeutics合作开发能够靶向肿瘤的药物递送系统。

在Coley’s Toxin出现的一个世纪之后,现在又出现了新的向瘤内注射细菌的治疗策略,而这一次是通过注射基因工程改造的细菌来激活STING通路。Synlogic正在测试一种能够产生高水平细菌STING激动剂c-di-GMP的大肠杆菌。同样,Venn Therapeutics也在开发基于腺病毒的基因疗法来向瘤内递送STING激动剂。 

但无论是CDN还是小分子药物,即使系统性给药能够成功,制药公司也应该注意一种危险的毒性反应:细胞因子风暴 (cytokine storm)。如果STING被过度激活,人体内的免疫系统则有可能会失去控制。其实其他的免疫疗法中曾出现过这种状况(见:从魏则西到Emily Whitehead,看肿瘤免疫细胞疗法的巨大突破)。 

而另一项关于该疗法的疑虑来源于去年的一项临床前研究。塔夫茨大学的研究人员发现STING激动剂能够导致T细胞死亡 [8],而这恰好与该类药物的初衷背道而驰。默沙东的Tse说,这项研究中高剂量的长期使用STING抑制剂意味着该项研究结果可能临床相关性不强。但是他的团队正严格监控一期临床试验中剂量提升之后病人的T细胞水平。 

默沙东与诺华的一期临床试验结果将有可能于今年年末公布。肿瘤免疫疗法是一个激动人心,但同时又充满各种未知和挑战的领域,作用于STING通路的药物到底能不能横扫肿瘤免疫领域,到底能够使多少肿瘤患者获益?让我们拭目以待。

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