投資腫瘤疫苗的春天到來了嗎？

免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint blockade）、過繼性細胞治療（adoptive cell therapy）、腫瘤疫苗（cancer vaccine）共同構成了腫瘤免疫療法的三大重要研究領域。

伴隨著免疫檢查點抑制劑和 CAR-T 研究累累碩果的，是人們對腫瘤疫苗研究領域的翹首期盼以及「千呼萬喚始不出來」的困惑和疑慮。

2017年9月，Bavarian Noridc公司宣布其腫瘤疫苗產品Prostvac三期臨床試驗失敗。

至此，二十幾年來的腫瘤疫苗研究領域成果慘澹。

專家預判，目前仍在進行中的三期臨床試驗也多半會以失敗告終。

圖1：腫瘤免疫療法的臨床試驗概況

（Ann Oncol. 2017;29(1):84-91）

那麼，腫瘤疫苗研究的問題出在哪裡，是理論短板還是技術壁壘，其希望和契機又在哪裡，筆者在此就帶大家一探究竟。

腫瘤免疫戰場上的幾員大將

T 細胞無疑是腫瘤免疫治療戰場上的一員大將，屬於直接與腫瘤君對戰廝殺的前線隊員，但是這名前線隊員要發揮作用，離不開抗原呈遞細胞(Antigen presenting cell, APC)的幫助。

在一個自然的免疫反應過程中，異己成分（抗原）進入人體，會被成熟的 APC 細胞吞噬、「剪碎」後「安插」在細胞表面的抓手(MHC)上，這些 APC 細胞帶著「敵人的殘骸」遊走到免疫大將 T 細胞所在地，那些能夠識別這些「敵人殘骸」的 T 細胞被激活，繼而瘋狂擴增出成千上萬個跟自己一樣能夠識別敵人殘骸的分身。

這支免疫大軍帶著自己的特異性武器，找到並認出這些「異己成分」，將其裂解、消滅。

這支免疫大軍有嚴格的自律系統，能夠自我抑制以免過強的免疫反應傷及自身。

多數T細胞在消滅敵人後也隨之死去，只留下少數「巡邏兵」，在將來再次遇見同一個敵人時迅速反應。

圖2：腫瘤抗原呈遞過程

(Nat Rev Immunol, 2017 Dec)

然而，腫瘤並非完全的「異己成分」。

與正常組織相比，腫瘤細胞往往過表達那些能夠讓自己不斷增殖的蛋白，然而這些蛋白仍屬於自身成分，所以免疫細胞對這些蛋白的反應能力有限。

腫瘤細胞與其周圍的基質細胞狼狽為奸，創造出低氧、低糖、低 pH 值的腫瘤微環境，抑制免疫細胞發揮作用。

狡猾的腫瘤細胞還利用了 T 細胞的自我抑制機制，過表達抑制 T 細胞反應的分子(PD-L1)，最終實現「免疫逃逸」，安穩地活在免疫細胞的眼皮底下。

最近很火的免疫檢查點抑制劑，就是抑制腫瘤細胞表面的抑制分子(PD-L1)，或者 T 細胞上這些抑制分子的受體(PD-1)，將 T 細胞從被抑制的狀態中解救出來。

CAR-T 療法，則是通過基因修飾的方法，直接修改T細胞表面識別「敵人殘骸」的受體，讓 T 細胞更加有效地發現/找到敵人。

目前，這兩種腫瘤免疫療法都取得了突破性的進展，與這兩種免疫療法同步火熱進行的研究還有一項，腫瘤疫苗。

腫瘤疫苗的四個要素

傳統意義上的疫苗主要是起預防作用，在疾病發生之前，給人體輸入病原體的一部分「殘骸」，因為是殘骸，所以殺傷力驟減，不具有致病性。

人體內的 APC 將這些殘骸呈遞給 T 細胞，T 細胞擴增並留下一小部分記憶細胞，當人體再次遇到同種病原體的侵害，就能夠迅速地反應並將其控制。

已經上市的腫瘤預防疫苗(preventive vaccines)包括針對人乳頭瘤病毒的Gardasil (Merck)、Gardasil 9 (Merck)、Cervarix (GSK)；以及針對肝炎病毒的 Engerix-B、Recombivax HB 等。

人乳頭瘤病毒與宮頸癌、陰道癌等的發生密切相關，而慢性肝炎則與肝癌的發生密切相關。

除此之外，絕大多數腫瘤的發生都並非外來病原體（細菌、病毒等）導致的，因此腫瘤疫苗的研究火力主要集中在治療性疫苗(therapeutic vaccines)方面。

要想讀懂市場上紛繁複雜的腫瘤疫苗，需要了解四個要素。

1

腫瘤抗原( tumor antigen )

人體的免疫細胞在成熟之前，經歷了嚴格的篩選過程，那些對自身成分反應不足或反應過於強烈的 T 細胞都會死亡。

與正常細胞相比，腫瘤會過表達某些蛋白的表達，這些過表達的蛋白超過一定限度便有可能被免疫細胞察覺，觸發免疫反應。

此類在正常細胞中也有表達，但是在腫瘤細胞中過度表達的蛋白被稱為「腫瘤相關抗原」(tumor associated antigens， TAAs)。

例如腫瘤高表達的表皮細胞生長因子 HER2、端粒酶逆轉錄酶 TERT、抗凋亡蛋白 survivin，以及乳腺癌高表達的 mammaglobin-A，攝護腺癌高表達的 PSA，黑色素瘤高表達的 MART1 等。

需要引起注意的是，這些抗原仍屬於自身成分，因此免疫細胞對其識別和反應能力有限，而且這些蛋白在正常組織中也有表達，一旦觸發免疫反應可能會損傷正常組織。

當腫瘤細胞發生基因突變，會產生區別於自身的異己成分，這類抗原被稱為「腫瘤特異性抗原」(tumor specific antigens)，又被稱為 neoantigens 。

這類抗原明顯區別於自身成分，能夠更有效地觸發免疫反應，而且不會傷及自身。

2

製劑( formulation )

腫瘤疫苗的目的在於人為向患者體內輸入抗原，訓練人體免疫系統識別、攻擊腫瘤細胞的能力。

而引入腫瘤抗原的形式多種多樣，主要分為基於整個腫瘤細胞的疫苗和基於特定腫瘤抗原的疫苗。

基於整個腫瘤細胞的抗原是將輻射過（使其喪失增殖能力）的自身腫瘤細胞或者已經建立的永生化細胞系細胞回輸給患者。

基於特定腫瘤抗原的疫苗是將能夠引起免疫反應的腫瘤細胞的一部分，如蛋白、肽段、核酸等回輸給患者。

根據腫瘤抗原來源的不同，又可以將腫瘤疫苗分為自體來源( autologous )或者異體來源( allogeneic )兩類。

自體來源的腫瘤疫苗屬於個體化疫苗，利用患者自身的腫瘤細胞作為抗原來源，標準化生產難度大、成本高；異體來源的腫瘤疫苗利用不同患者甚至不同腫瘤表達的同種抗原，或者已經建立的永生化腫瘤細胞系作為抗原來源，可批量生產，成本大大降低。

圖3：不同製劑類型的在研腫瘤疫苗

(Report: Cancer Vaccine Therapeutics: Failures and Future Opportunities)

對在研項目的分析表明，基於生產成本考慮，多數疫苗產品為異體來源(>70%)，而基於抗原呈遞細胞 APC (樹突細胞 Dendritic Cell 是 APC 的一種)的腫瘤疫苗全部為自體來源。

圖4：不同製劑類型的在研腫瘤疫苗優缺點

(Report: Cancer Vaccine Therapeutics: Failures and Future Opportunities)

3&

4

佐劑( adjuvants )及輸送( delivery )

只有成熟的 APC 細胞才能將抗原呈遞給 T 細胞，用於激活患者體內的 APC 細胞的物質稱為佐劑 (adjuvants)。

大量研究表明，目前最有效、最常用的佐劑是 GM-CSF，通常將 GM-CSF 與腫瘤抗原一起皮下注射，對於基於腫瘤細胞的疫苗（例如 GVAX）常將 GM-CSF 的基因整合入腫瘤細胞的基因組，使其能夠自行分泌 GM-CSF 。

腫瘤抗原和佐劑需經由適當的輸送系統進入體內。

圖5：腫瘤疫苗的四個要素

(Nat Rev Immunol, 2017 Dec)

治療性腫瘤疫苗市場上的一枝獨秀——Provenge

2010 年 4 月，FDA 批准 Dendreon 公司的腫瘤疫苗產品 Stipulencel-T (Provenge)用於轉移性、去勢耐受型攝護腺癌 (metastatic castration resistant prostate cancer) 的治療，Provenge 成為美國市場第一個，也是迄今為止唯一的治療性腫瘤疫苗。

Provenge 將患者自身的外周血單核細胞與腫瘤抗原 PAP-GM-CSF 融合蛋白共同培養，然後回輸給患者。

臨床試驗結果顯示，Provenge將患者的總體生存期延長4.1個月。

1992 年，史丹福大學免疫學家 Edgar Engleman 和 Samuel Strober 成立了 Dendreon 公司。

當時，利用人體自身免疫系統對抗腫瘤的概念仍存在很大的爭議，Strober 說：「當時的公司都是建立在對理論的希望上，而不像現在以經濟利益為核心」。

2010 年 FDA 對 Provenge 的批准，與其說是經濟上的成功，更應該說是對科學界的鼓勵，其既證明了可以利用患者自身的免疫系統對抗腫瘤的可行性，又證明了成分複雜、基於患者自身的個體化治療通過政府審批的可能性。

然而，這一歷史性突破並未促使整個腫瘤疫苗研究領域開花結果，更沒有帶來大家所期盼的經濟效益。

由於醫保和報銷政策的混亂，每療程73000美金的高價，高昂的生產成本，以及當時激烈的競爭市場（同期FDA批准賽諾菲的Cabazitaxel和強生的abiraterone用於去勢耐受型攝護腺癌的治療），Dendreon公司最終破產。

2015年2月23日，加拿大公司Valeant Pharmaceuticals of Leval以41.5億美金的價格買下了Provenge。

犧牲慘烈的腫瘤疫苗試驗

截至 2017 年，與 Provenge 同期開展的腫瘤疫苗臨床試驗絕大多數已經結束，如下表格總結了III期臨床試驗的產品及其結果。

多數走到III期臨床試驗的腫瘤疫苗針對攝護腺癌、乳腺癌、非小細胞肺癌及黑色素瘤。

絕大多數腫瘤疫苗III期臨床試驗以未見總體生存期改善而失敗。

圖6：III期腫瘤疫苗產品及試驗結果

(Nat Rev Immunol, 2017 Dec)

經驗與教訓

理論匱乏與經濟誘惑

如上湧現的一大批臨床試驗（始於 1990-2000 年）都是基於「利用患者自身免疫系統來對抗腫瘤」這一酷炫的理念上的，當時科學界對免疫系統與腫瘤之間的相互作用機制並不清晰，1994 年人類才發現第一個腫瘤相關抗原 MAGE1，1992 年發現 PD1，而直到 1999年才發現 PD-L1。

此外複雜多樣的腫瘤抗原、製劑類型、佐劑、輸送系統導致了腫瘤疫苗的多樣性，學術界缺乏對各類腫瘤疫苗產品的療效系統、規範的比較研究；而當時對腫瘤疫苗的分子作用機制也知之甚少。

另外一個因素是經濟誘因，疫苗屬於安全性較高的生物製品，雖然許多疫苗產品的早期臨床試驗效果並不顯著，但是許多公司仍然爭相開展了大規模的臨床試驗。

Therion Biologics 公司更是直接將 PANVAC 從臨床I期跳到了多中心III期試驗。

PANVAC 針對進展迅速的胰腺癌，III期臨床試驗並未顯示出生存期優勢，公司於 2006 年破產。

微弱的免疫反應與抑制性腫瘤微環境

已經失敗的或仍處於臨床研究階段的疫苗多基於腫瘤相關性抗原，即正常細胞中也有表達，只是腫瘤細胞表達量上調的蛋白，這些蛋白仍屬於自身成分。

人體T細胞在成熟的過程中經歷了嚴格的篩選過程，那些對自身成分識別過強的細胞都會發生凋亡，以避免自身免疫疾病的發生。

因此人體內存活下來的T細胞對腫瘤相關性抗原的反應能力有限。

其次，在給予腫瘤疫苗時，腫瘤細胞及其周圍細胞往往已經建立了強大的免疫抑制環境，即便疫苗可以通過 APC 細胞的幫助最終激活 T 細胞，但是如果抑制性的腫瘤微環境阻擋 T 細胞的進入，或者抑制 T 細胞的功能，腫瘤疫苗還是無法達到預期效果。

臨床試驗設計的幾點提示

雖然眾多腫瘤疫苗臨床試驗犧牲慘烈，但是這些失敗的試驗卻是開展新一輪腫瘤疫苗研究的寶貴財富。

區別試驗失敗是由於產品本身的缺陷還是試驗設計出了問題至關重要。

1

尋找最優劑量

對於化學藥物而言，劑量多與療效呈正向相關關係，而生物製品往往並非如此。

Oncophage 是一種基於患者自身的多肽疫苗，動物實驗表明劑量對於療效至關重要，劑量過低或者過高均無法達到最優效果，然而 Agenus 公司設計臨床試驗時，並未進行劑量對比研究，而是直接選擇了單一劑量。

2

早治療

對多項臨床試驗的結果分析表明，雖然疫苗治療並未顯著改善患者的總體生存期，但是根據疾病進展階段對患者進行分層分析可以發現，較早接受疫苗治療的患者確有受益。

以 GVAX 為例，Cell Genesys 稱，VITAL-1 及 VITAL-2 臨床試驗中，僅對預計生存期超過 18 個月的患者進行分析，接受疫苗的患者生存期優於對照組。

3

足夠長的臨床試驗周期

由於腫瘤疫苗利用人體自然的免疫過程，其發揮療效一般需要 3-4 個月的時間，且有可能需要進行多次免疫，因此，設計試驗時，應考慮周期的充分性。

4

選擇合適的試驗終點

實體瘤反應性標準 (Response Criteria in Solid Tumors, RECIST)將腫瘤體積縮小作為評價新治療方法有效性的主要標準，然而該標準對於腫瘤疫苗產品可能並不適用。

很長一段時間內腫瘤疫苗可能不會導致腫瘤體積的縮小，卻能夠延長患者的無進展生存期。

如果說約始於 1990 年的腫瘤疫苗研究是一場規模巨大、成本高昂的試錯研究，那麼隨著人們對免疫系統與腫瘤之間相互作用的分子機制的理解，發現腫瘤特異性抗原的技術性突破，免疫檢查點抑制劑與 CAR-T 研究的巨大成功，對腫瘤疫苗臨床試驗設計的深入認識，腫瘤疫苗研究已經迎來春天，新一輪腫瘤疫苗研究有望提供新的免疫治療解決方案。

技術突破與個體化疫苗

相比於腫瘤相關性抗原，多項研究表明，尋找腫瘤細胞基因突變產生的腫瘤特異性抗原（neoantigen）或是解決之道。

這些抗原僅在腫瘤細胞中表達，屬於完全的異己成分，能夠有效激活免疫系統。

同種腫瘤不同患者，甚至同一患者體內的不同腫瘤基因異質性（heterogeneity）很高，單一一種腫瘤抗原可能不足以引發有效的免疫反應，因此，針對多種腫瘤特異性抗原的個體化疫苗將成為新一輪腫瘤疫苗研究的熱點。

而近期兩大技術突破使該研究成為可能，即新一代基因測序技術與生物信息學的強強聯手。

提取患者腫瘤細胞及正常細胞的 DNA，進行外顯子基因組測序 (Whole-exome sequencing, WES) 找出腫瘤細胞發生的基因突變。

提取患者腫瘤細胞的 RNA，進行 RNA 測序 (RNA-Seq) 確認這些突變的基因確實在腫瘤細胞中有所表達。

那些將腫瘤抗原安插在 APC 細胞表面的分子，統稱為 MHC，而在人類中有其特定的名稱 HLA。

提取患者正常組織的 DNA，進行 HLA 測序，明確患者自身的 HLA 類型。

明確了患者腫瘤細胞發生的基因突變（根據突變後的基因序列可以推出其肽段產物）及其 HLA 之後，接力棒就交到了計算生物學手中，根據突變後的肽段與患者的 HLA 分子之間的結合能力，篩選出結合能力最強的數種肽段作為 neoantigens，聯合佐劑一起回輸給患者。

圖7：個體化腫瘤疫苗的產生

(Nat Rev Immunol, 2017 Dec)

2015 年，第一個基於腫瘤特異性抗原的個體化疫苗治療在三名黑色素瘤患者中展開（NCT00683670），將患者自身 HLA 分子結合能力最強的肽段與抗原呈遞細胞樹突細胞共同培養後回輸給患者，該研究表明疫苗有效激發了患者自身的免疫反應，但是獲得的臨床數據有限。

2017 年兩項關於腫瘤特異性抗原的個體化疫苗用於黑色素瘤治療的研究結果新鮮出爐，成果喜人。

第一項研究 (NCT01970358) 在六位黑色素瘤患者中進行，將 20 種患者自身腫瘤特異性抗原多肽與佐劑 poly-ICLC 一起皮下輸注。

四位 stage III 黑色素瘤患者接受疫苗治療後 32 個月未見腫瘤復發(tumor-free)。

兩名 stage IV 黑色素瘤患者雖然在接受疫苗後仍發生腫瘤進展，但是在接受 PD1 抑制劑後出現了完全的腫瘤消退 (complete tumor regression) 。

另外一項研究 (NCT02035956) 在 13 名黑色素瘤患者中進行，患者首先接受針對腫瘤相關抗原 NY-ESO-1 或者 tyrosinase 的疫苗，然後接受由 10 種腫瘤特異性抗原的 mRNA。

接受疫苗時，8 名患者無疾病表現，在接受疫苗後的 12-23 個月內未見腫瘤發生；接受疫苗時 5 名患者已出現腫瘤轉移，其中 2 名患者對疫苗治療產生客觀反應(objective response)，1 名同時接受 PD1 抑制劑的患者出現完全反應(complete response)。

聯合治療

免疫檢查點抑制劑和 CAR-T 療法直接強化免疫大將 T 細胞的識別殺傷能力，而腫瘤疫苗更接近自然免疫過程，靠輸入腫瘤抗原、佐劑激活人體的 APC 細胞，再由 APC 細胞去激活 T 細胞，因此反應周期長而且激活能力有限。

腫瘤細胞及其周圍細胞建立起來的抑制性微環境也限制了疫苗的作用。

Prostvac 臨床試驗的首席研究員 James L Gulley 稱其「堅信腫瘤疫苗自身 (monotherapy) 不會是最優的治療方法。

基於腫瘤微環境的差異，將疫苗與 PD-(L)1 抑制劑、IL-15、TGFb 抑制劑、IDO 抑制劑聯合應用或是解決之道。

」

雖然 Bavarian Noridc 公司的腫瘤疫苗產品 Prostvac 作為單獨療法治療攝護腺癌的III期臨床試驗剛剛宣告失敗，其團隊已經悄然展開將 Prostvac 與免疫療法聯合應用的臨床試驗。

在一項研究 Prostva c與 ipilimumab 聯用治療轉移性、去勢耐受型攝護腺癌的I期臨床試驗中，接受 10 mg/kg ipilimumab 治療的患者總體生存期為 26.6 個月，聯合 Prostvac 組的總體生存期為3 7.2 個月，明顯提高了治療效果。

2017 年 4 月 Bavarian Noridc 公司宣布開展將 Prostvac 與 Bristol－Myers Squibb 公司的 ipilimumab、nivolumab 聯合應用的II期臨床試驗。

此外，Johns Hopkins University 也開始了將腫瘤疫苗 GVAX 與 PD1 抑制劑聯用的試驗。

圖8：腫瘤疫苗與免疫檢查點抑制劑聯合應用的臨床試驗

結語

腫瘤疫苗研究黑暗並且混亂的「中世紀」已經過去，理論研究的深入、技術的突破性進展、持續上線的針對抑制性腫瘤微環境的療法，都將為新時期腫瘤疫苗研究插上翅膀。

腫瘤疫苗研究的新時代已經開始，那投資的春天還遠嗎？

參考文獻

1. Towards personalized, tumor-specific therapeutic vaccines for cancer. Zhuting Hu, Patrick A. Ott, Catherine J. Wu. Nature Reviews Immunology. 11 Dec 2017 published online.

2. Overview of cancer vaccines. Alex Kudrin. Human Vaccines & Immunotherapeutics. 2012, 8 (9): 1335-1351.

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5. Cancer Vaccine Therapies: Failures and Future Opportunities. Michael D. Becker, Janet Dally, Jeffery Martini.

6. Calling cancer’s bluff with neoantigen vaccines. https://www.nature.com/articles/d41586-017-08706-3

內容來源：美柏醫健

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