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IDO抑制剂背后的故事(上)

Jerry发呆 Jerry发呆 来源:Jerry发呆
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我想人们会更倾向于认为我们是一群疯子,而不是能够改写教科书的人。

——David Munn

免疫抑制

David Munn大概不会想到,他几十年前所做的工作,竟会在肿瘤免疫疗法领域掀起如此大的波澜。毕竟在他发现IDO的功能之前,他的愿望只是成为一名儿科医生。

Munn出生于亚特兰大,在读完本科之后他选择前往乔治亚医学院攻读医学博士,毕业之后没多久之后他就找到了自己职业生涯的关注点:儿童癌症。 

儿科的癌症在上世纪五六十年代几乎无法治愈,患有这些癌症的孩子相当于已经被判了死刑。但随着化疗药物的出现及其应用越来越成熟,到Munn毕业的八十年代已经有大约百分之六七十的癌症儿童能够被治愈。 

这的确是非常了不起的进步,但高治愈率的背后却是那些接受化疗的孩子们所面临的沉重代价。很多病人在接受化疗之后会出现明显的毒性反应,有的副反应会在停药很长时间之后才出现,而且有证据显示化疗药物会影响儿童的认知能力,从而为他们未来的学业以及生活带来很多的不便。

如果有其他选择的话,化疗大概不会是一个很好的选择。但尽管如此,当时的Munn 也像大部分其他医生一样,并没有什么很好的解决办法。 

Munn在纽约的紀念斯隆凱特琳癌症中心工作的时候,他第一次接触到了肿瘤免疫。但当时人们对于肿瘤免疫的理解还非常的粗浅,甚至并不知道他们所采用的治疗手段正是肿瘤免疫疗法。

上世纪八十年代,Munn所在的医院就已经开始对儿童进行骨髓移植手术。但骨髓移植的目的并不是为了治疗癌症,而是为了挽救那些饱受化疗药物摧残的病人,因为化疗药物不仅能够杀灭癌细胞,也有可能同时摧毁病人的免疫系统,从而引发致命的感染。所以当时进行骨髓移植的目的很简单,就是为了重建病人的免疫系统。从这个角度来讲骨髓移植确实算不上是免疫疗法。 

而且当时为了避免出现移植物抗宿主反应,在进行骨髓移植之前需要去除其中的T细胞,以确保得到纯度比较高的干细胞。由于当时的主流方式就是如此,所以Munn也并没有觉得有什么问题。而且他们发现如果把T细胞的数量降低到原来的千分之一的话,确实可以消除免疫排斥反应。 

但当积累的骨髓移植数据越来越多之后,研究人员却发现,其实存在程度较轻的免疫排斥反应对患者来说其实并不是坏事,因为移植物不仅能够攻击宿主的正常细胞,同时也能够杀灭癌细胞。所以当时的很多人开始意识到骨髓移植治疗这些病人所取得的成功,其实很大程度上应该归功于这些免疫反应的存在。 

这一发现一直存在于Munn的脑海之中,他知道这样的研究结论非常重要,但是却无法解释移植物抗宿主反应杀灭癌细胞的详细机制,毕竟当时的免疫学研究仍然存在着大量的空白。

但有一个关键性的因素其实很明显,那就是T细胞的存在。T细胞对移植物抗宿主反应的形成至关重要,而移植物抗宿主反应似乎又是这些病人病情缓解的重要原因之一,到底T细胞是通过何种神奇的方式介导这一反应的呢? 

T细胞确实令当时的Munn非常着迷,因为他知道T细胞能够控制病毒感染,病毒通常只有很少的基因,但这十几二十个基因就足以活化人的免疫系统,诱导人免疫系统识别并清除被病毒感染的细胞。而癌细胞内存在成百上千的突变,为什么免疫系统却无法对肿瘤发起攻击呢? 

这确实是个很有意思的问题,而且当时肿瘤免疫学领域的科研人员也有着同样的思考。其实当时已经有很多的科研人员在进行肿瘤免疫疗法的研究,NIH的 Steve Rosenberg 正是其中之一。

Rosenberg 是一位极具科研天赋以及临床洞察力的医生。当时解释免疫系统无法对抗肿瘤的主流观点是,人体的免疫系统并不能够识别肿瘤细胞,然而Rosenberg 却发现很多黑色素瘤患者能够对IL-2产生明显应答 (见:从魏则西到Emily Whitehead,看肿瘤免疫细胞疗法的巨大突破),甚至能够治愈一部分病人。这其实也就否定了之前的观点,人体自身的免疫系统确实能够识别并杀灭肿瘤细胞。 

但最关键的问题是,在不使用IL-2的情况下,为什么人体的免疫系统能够无视肿瘤的存在呢?肿瘤是否能够抑制免疫系统的功能? 

实际上当时已经有一些研究发现人体内确实存在免疫抑制,其实我们可以找到一个非常好的例子来证明这种机制的存在,那就是胎儿在子宫内的发育过程,因为胎儿在发育的过程中并不会受到免疫系统的猛烈攻击。

生长在子宫内的胎儿尽管与母亲的血液系统相连,但母亲血液中的T细胞能够通过胎盘流向胎儿。然而胎儿有一半的基因来自父亲,在此种情况下,很多来源父亲的基因产物应该被识别为外来物。 

但事实上免疫系统并没有对这些所谓的外来物发起攻击。当时一些科学家推测可能的原因是胎儿不存在抗原递呈。但Munn在实验过程中的一次偶然发现却完全推翻了这一理论。 

神奇的代谢

Munn 在 Sloan 任职的时候,他和他的导师 Nai-Kong Cheung 一直试图共同培养T细胞以及巨噬细胞这两种免疫细胞。这项工作的目的其实很简单,就是为了观察能够吞噬肿瘤细胞的巨噬细胞是否能够活化T细胞。这个过程其实也正是我们现在所熟知的抗原递呈,巨噬细胞在吞噬肿瘤细胞之后会将分解的蛋白片段递呈给杀伤T细胞。

当时人们对这些类型的免疫细胞的功能并不十分了解,并不知道巨噬细胞并不是典型的抗原递呈细胞,使用树突状细胞来进行这项实验更合适。因此现在看来实验失败也是情理之中的事情。

对基础科研领域不熟悉的人常常会好奇科研的快感从何而来,大概 Munn 的这项研究能够很好的回答这一问题。该项实验虽然没有达到预期的目的,但他们却有了意外的发现。当他们将巨噬细胞与T细胞放在一起时,他们发现T细胞并不能被活化,而是受到功能抑制。 

我觉得任何一个对科研抱有热情的人面对这样的结果都会夜不能寐,寝食难安。所以,到底T细胞的功能为何会受到抑制? 

Munn实验室的一个博士后发现巨噬细胞的代谢活性很高。这其实也算不上是什么新发现,但他们怀疑是不是因为巨噬细胞对营养物质的消耗过大,导致T细胞出现营养缺乏,从而导致其功能受到抑制呢?

为了验证这一猜想,这位不知疲倦的博后决定熬夜进行实验,每过一个小时向培养基添加一次这两种细胞培养所需的营养物质。而到了天亮的时候他发现,在营养充足的情况下T细胞的功能并没有受到抑制。

这样的话谜题似乎就快被解开了。现在他们面临的最关键的因素是,究竟是何种营养物质限制了T细胞的功能?其实这个实验的方法并不是很困难,使用100% spent medium 培养T细胞,然后逐个添加营养物质就可以了。

他们所列的营养物质列表非常长,但试过了各种各样的营养物质之后都没有结果。叶酸?铁?谷氨酸?都不是。直到他们往培养基中添加了一滴色氨酸,奇迹就发生了,他们完全逆转了T细胞的抑制状态。 

Munn的团队感到兴奋不已,他们检索文献发现巨噬细胞能够通过IDO (吲哚胺2,3-二氧化酶)来消耗色氨酸。但IDO的具体功能却没有人知道,之前并没有人仔细研究过IDO的功能。

但很明显当时人们对于色氨酸的功能了解的相对更多一些。色氨酸通路曾经是制药行业的研究热点,因为色氨酸能在人体内转化生成血清素。影响血清素的药物很多,比如百忧解就曾为制药公司带来巨额的利润。因此化学家也曾合成过非常多的色氨酸衍生物。 

Munn测试了其中一些色氨酸类似物的IDO抑制活性,他也顺利的发现了有个能够抑制IDO功能的小分子。接下来就该测试IDO抑制剂的体内活性 (in vivo) 了,但究竟什么样的小鼠动物模型能够让他们方便的研究IDO的功能呢?

Munn的团队在讨论的过程中,一个博后说IDO能够从胎盘克隆得到,而胎盘又是获得性外周耐受存在的很好的例子,何不基于胎儿/胎盘进行研究呢?这确实是一个很好的提议。

于是Munn决定首先利用抗体来标记胎盘中 IDO 的位置,而这也可能为 IDO的功能解析带来更多的信息。随后他们发现 IDO 能够在合胞体滋养层细胞 (syncytiotrophoblast) 中表达。 

在接下来的实验中,Munn选取了移植小鼠模型,而移植的正是小鼠的胎儿 (pup)。这个实验的逻辑也很容易理解,因为一个小鼠胎儿的突然出现理论上会引起免疫系统的攻击从而导致流产,但如果IDO能够抑制小鼠母亲的T细胞,进而抑制免疫系统的功能的话小鼠的胎儿就能够被保留。如果使用IDO抑制剂抑制其功能,则有可能引发免疫反应导致流产。该实验的结果也与预期一致,他们之后也将实验的数据发表在了Science上(DOI: 10.1126 / science. 281. 5380. 1191)。

虽然该文章是在1998年发表的,但是直到几年以后人们才意识到 IDO 在肿瘤免疫中的重要性。那么在这些年里,IDO究竟掀起了怎样的波澜? 

欲知后事如何,且听下回分解。

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