第20章肿瘤免疫

1第二十章肿瘤免疫肿瘤免疫学（tumorimmunology）是研究肿瘤抗原的种类和性质、机体对肿瘤的免疫监视和免疫应答以及肿瘤的免疫逃逸的方式和机制、肿瘤的免疫诊断和免疫防治的科学。肿瘤是严重危害人类健康的重大疾病。人们早就设想肿瘤细胞可能存在着与正常组织细胞不同的抗原成份，通过检测这种不同的抗原成份或利用这种抗原成份诱导机体产生抗肿瘤免疫应答，可能会达到诊断和治疗肿瘤的目的。可以说，肿瘤免疫学理论和实际应用的基础主要取决于肿瘤细胞是否具有肿瘤抗原。在20世纪最初的几十年中，人们采用同种移植的方法去寻找和证实肿瘤抗原，但研究工作没有取得明显进展，其主要原因是当时实验研究所采用的不是遗传背景相同的纯种动物，所获得的实验结果并不是针对肿瘤的免疫，而是抗同种异体移植物的免疫反应。直到20世纪50年代，随着纯种小鼠的培育成功，科学家们才以确切的实验结果证实了化学致癌剂甲基胆蒽（methylchoanthrene,MCA）诱发小鼠发生的肉瘤所表达的移植排斥抗原是肿瘤特异性的。随后，在其他致癌因素导致的肿瘤中亦证实了肿瘤抗原的存在，并证明所诱导的机体免疫应答具有特异性的抗肿瘤作用，从而使免疫学在肿瘤的诊断和治疗中引起了重视。同期，科学家提出了免疫监视（immunesurveillance）学说，认为机体免疫系统通过细胞免疫机制能识别并特异地杀伤突变细胞，使突变细胞在未形成肿瘤之前即被清除。20世纪60年代以后，大量的体外实验证明，肿瘤患者的淋巴细胞、巨噬细胞和细胞毒性抗体等均具有抗肿瘤效应。20世纪70年代单克隆抗体的问世推动了肿瘤免疫诊断和免疫治疗技术的发展和应用。20世纪80年代，随着分子生物学和分子免疫学的迅速发展和交叉渗透，人们对于肿瘤抗原的性质、MHC分子在肿瘤抗原识别和提呈中的作用、T细胞的活化和杀伤机制等机体抗肿瘤免疫应答的内容，有了更深入的了解，制备了可供大量应用的基因工程型细胞因子和基因工程型抗体，扩增出了可供体内回输的肿瘤特异性杀伤性T细胞，为肿瘤免疫治疗增添了新的手段。20世纪90年代，人们发现了多种人类肿瘤抗原、深入认识了树突状细胞等抗原提呈细胞激活抗肿瘤免疫应答的机制并由此设计、制备出了多种类型的新型瘤苗，特别是本世纪以来,人们对于肿瘤免疫逃逸的细胞与分子机制有了更全面的认识并由此提出了通过阻断肿瘤诱导的免疫抑制的方法治疗肿瘤,从而大大推动了肿瘤免疫学理论的发展，也促进了肿瘤免疫诊断和免疫治疗的应用。第一节肿瘤抗原肿瘤抗原是指细胞癌变过程中出现的新抗原（neoantigen）、肿瘤细胞异常或过度表达的抗原物质的总称。肿瘤抗原能诱导机体产生抗肿瘤免疫应答反应，是肿瘤免疫诊断和免疫防治的分子基础。2一、肿瘤抗原产生的分子机理目前认为肿瘤抗原产生的分子机制主要有以下六个方面：细胞癌变过程中合成了新的蛋白质分子，如某些致癌性的病毒感染并转化细胞过程中产生的某些物质；由于基因突变或重排等使正常蛋白质分子的结构发生改变，如野生型p53蛋白的突变等；由于糖基化等原因导致异常的细胞蛋白及其产物；正常情况下处于隐蔽状态的抗原表位暴露出来；多种膜蛋白分子的异常聚集；胚胎抗原或分化抗原的异常表达。二、肿瘤抗原的分类和特征目前人们已在自发性和实验性的动物肿瘤和人类肿瘤表面发现了多种肿瘤抗原。发现和鉴定肿瘤抗原主要有两种途径：一是经典的免疫排斥实验；二是免疫学和分子生物学相结合的方法，如通过肿瘤特异性T细胞或抗体鉴定肿瘤抗原并通过分子生物学技术克隆肿瘤抗原基因。根据其特异性和产生机制的不同，可将肿瘤抗原进行分类。（一）根据肿瘤抗原特异性的分类1．肿瘤特异性抗原肿瘤特异性抗原（tumorspecificantigen,TSA）原指肿瘤细胞特有的或只存在于某种肿瘤细胞而不存在于正常细胞的新抗原。这类抗原是人们于20世纪50年代通过化学致癌剂诱发的肉瘤在同系小鼠中的移植与排斥的经典实验方法而发现的，故又称为肿瘤特异性移植抗原（tumorspecifictransplantationantigen,TSTA）或肿瘤排斥抗原（tumorrejectionantigen,TRA）。移植排斥实验的敏感性较低，只能检出免疫原性强的肿瘤抗原，无法发现虽能诱导特异性肿瘤免疫应答但不足以排斥肿瘤的免疫原性弱的肿瘤抗原。人们试图从肿瘤细胞的组分中分离出TSA，后来的大量研究表明，这类抗原实质上主要是肿瘤细胞来源的热休克蛋白（heat-shockproteins,HSPs）与肿瘤抗原多肽的复合物。肿瘤组织和正常组织均表达HSPs,但是，正常组织来源的HSPs不能显著诱导抗肿瘤免疫应答，只有肿瘤组织来源的HSPs能够诱导出显著的抗肿瘤免疫应答，而且所诱导出的抗肿瘤免疫应答只针对其来源的肿瘤。一旦将肿瘤组织来源的HSPs复合物中所结合的多肽解离后，即不能诱导抗肿瘤免疫应答。因此，肿瘤组织来源的HSPs复合物诱导抗肿瘤免疫应答的特异性取决于复合物中HSPs所结合的肿瘤抗原多肽，而能否诱导抗肿瘤免疫应答则取决于复合物中的HSPs的免疫佐剂效应（图20-1所示)。人们也曾经用肿瘤细胞免疫后制备到的抗体去分析肿瘤细胞表面的抗原分子以期发现新的肿瘤抗原，但通过该方法发现的TSA很少，对肿瘤抗原分子特性的了解也不多。目前已知肿瘤抗原多是以多肽形式与MHC分子结合形成复合体而存在于细胞表面，而T细胞识别的是MHC分子提呈的抗原多肽，这提示人们应该应用肿瘤特异性细胞毒性T淋巴细胞（CTL）去发现肿瘤抗原。图20-1肿瘤来源的HSPs复合物的免疫原性3鉴于TSA诱导的主要是T细胞免疫并能被所诱导产生的特异性CTL所识别，因此，人们应用肿瘤特异性CTL并结合分子生物学技术，成功地从基因水平上证实了TSTA的存在，其大体实验过程如图20-2所示。将一株小鼠肿瘤细胞注射入同系小鼠后，可在小鼠体内形成肿瘤并呈进行性生长。由于这株肿瘤细胞缺乏免疫原性，能在小鼠体内形成肿瘤（tumorigenic），故将其命名为tum+。用化学诱变剂在体外处理tum+肿瘤细胞株并进行细胞株的亚克隆，发现其中的某些肿瘤细胞克隆株注射入同系小鼠后不能形成肿瘤，遂将这些不能形成肿瘤的变异株称为tum。tum肿瘤细胞之所以不形成肿瘤，是因为tum肿瘤表面存在TSTA，这些TSTA可诱导特异性CTL从而排斥tum肿瘤细胞，也就是说，tum肿瘤细胞表达TSTA，具有免疫原性，而tum+肿瘤细胞不表达TSTA，不具有免疫原性。为了分离tum肿瘤细胞中编码TSTA的基因，用tum肿瘤细胞制备cDNA文库（其中含有编码TSTA的基因），然后基因转染tum+肿瘤细胞株，如果tum+细胞被转染入编码TSTA的基因，便可表达TSTA，获得免疫原性，注射入小鼠体内便不形成肿瘤，即变为tum。随后应用tum肿瘤细胞所诱导的特异性CTL杀伤基因转染的肿瘤细胞为体外筛选方法，逐步筛选出能够被特异性CTL杀伤的肿瘤细胞所转染的基因并对基因编码的蛋白的性质进行分析,最后鉴定该基因为编码TSTA的基因。人们以往对人类自发性肿瘤细胞是否表达肿瘤特异性抗原存在疑惑，比利时学者Boon通过体外制备人黑色素瘤特异性CTL克隆并应用这些特异性CTL杀伤人黑色素瘤cDNA文库转染的表达MHCⅠ类分子的靶细胞株的方法，逐步筛选出了CTL识别的人黑色素瘤特异性抗原，例如MAGE、BAGE、MART、gp100（图20-3)。目前人们已从多种肿瘤患者体内扩增出抗原特异性CTL克隆并发现了多种人类肿瘤抗原，从而证明人类肿瘤细胞并不是不表达特异性抗原，而是需要我们应用更先进的方法去发现和认识它们。2．肿瘤相关抗原肿瘤相关抗原（tumor-associatedantigen,TAA）是指肿瘤细胞和正常细胞组织均可表达的抗原，只是其含量在细胞癌变时明显增高。此类抗原只表现出量的变化而无严格肿瘤特异性。胚胎抗原（fetalantigen）是其中的典型代表（详见下述）。（二）根据肿瘤发生情况的分类1．化学或物理因素诱发的肿瘤抗原化学致癌剂或物理因素诱发的肿瘤所表达的肿瘤抗原的特点是特异性高而抗原性弱，常表现出明显的个体特异性，即用同一化学致癌剂或同一物理方法如紫外线、X射线等诱发的肿瘤，在不同的宿主体内，甚至在同一宿主不同部位图20-2肿瘤特异性移植抗原（TSTA）基因的确定图20-3人特异性肿瘤抗原的发现与鉴定4发生的肿瘤，各具有互不相同的抗原性。由于化学和物理因素是随机诱导正常基因的突变，所以每个肿瘤的抗原间很少出现交叉反应，这种特点使得该类肿瘤的免疫诊断和免疫治疗比较困难。但人类很少暴露于这种强烈的理化诱变环境中，因此，大多数人类肿瘤抗原不属于此类。2．病毒诱发的肿瘤抗原某些肿瘤由病毒（包括DNA病毒和RNA病毒）感染引起，例如EB病毒（EBV）与B细胞淋巴瘤和鼻咽癌的发生有关，人乳头状瘤病毒（HPV）与人宫颈癌的发生有关，乙型肝炎病毒（HBV）和丙型肝炎病毒（HCV）与人原发性肝癌有关。EBV、HPV和HBV属于DNA病毒。属于RNA病毒的人嗜T淋巴细胞病毒1（HTLV-1）可导致成人T细胞白血病（ATL）的发生。与化学或物理因素诱发的肿瘤的抗原特点具有显著不同的是，同一种病毒诱发的不同类型肿瘤（无论其组织来源或动物种类如何不同），均可表达相同的抗原且抗原性较强。因为此类抗原是由病毒基因编码，因此称之为病毒肿瘤相关抗原。目前已发现了几种病毒基因编码的抗原，例如SV40病毒转化细胞表达的T抗原，人腺病毒诱发肿瘤表达的E1A抗原，EBV诱发B细胞淋巴瘤和鼻咽癌的EBNA-1抗原，以及HPV诱发人宫颈癌的E6和E7抗原等。病毒诱发的肿瘤偶尔也可表达由宿主基因编码的胚胎抗原。3．自发性肿瘤的抗原自发性肿瘤是指一些无明确诱发因素的肿瘤，大多数人类肿瘤属于此类，可表达胚胎抗原或分化抗原（详见下述）。自发性肿瘤细胞也可表达肿瘤特异性抗原，其抗原的特点类似于化学诱发的肿瘤的抗原，各自具有独特的抗原性，很少具有交叉反应；但是，也有某些自发性肿瘤类似于病毒诱发的肿瘤，具有共同的抗原性。癌基因的活化和抑癌基因的失活是肿瘤发生的原因之一，某些癌基因的产物如约10%肿瘤患者表达的Ras突变蛋白，乳腺癌高表达的Her-2/neu蛋白，慢性髓系白血病Bcr/Abl融合蛋白，以及抑癌基因如p53的突变蛋白等也被视为肿瘤抗原。4．胚胎抗原或分化抗原胚胎抗原是指在胚胎发育阶段由胚胎组织产生的正常成分，在胚胎后期减少，出生后逐渐消失，或仅存留极微量。但当细胞癌变时，此类抗原可重新合成而大量表达，由于此类抗原是在某些细胞的特定分化阶段表达，而正常细胞不表达，一旦细胞恶性转化并发展为肿瘤细胞后可高表达此类抗原，故又称之为分化抗原（differentiationantigen）。例如，前列腺癌患者的前列腺特异抗原（prostate-specificantigen,PSA）、黑色素病患者的gp100和MART-1，乳腺癌患者的HER-2/neu等等。胚胎抗原可分为两种，一种是分泌性抗原，由肿瘤细胞产生和释放，如肝癌细胞产生的甲胎蛋白（alpha-fetoprotein,AFP）。另一种是肿瘤细胞表达的膜抗原，高表达后疏松地结合在细胞膜表面，容易脱落，如结肠癌细胞表达的癌胚抗原（carcinoembryonicantigen,CEA）。AFP和CEA是人类肿瘤中研究最为深入的两种胚胎抗原，它们的抗原性均很弱，因为曾在胚胎期出现过，宿主对之已形成免疫耐受性，因此很难引起宿主免疫系统对肿瘤细胞的杀伤效应。人们通过氨基酸突变以改构CEA，发现可以提高CEA的免疫原性，如果改构的CEA与高效免疫佐剂合用，可诱导出较强的抗肿瘤免疫应答反应。另有一类抗原，在胚胎期表达但在机体出生后只表达于睾丸或卵5巢等生殖母细胞，由于这类生殖细胞不表达MHCⅠ类分子，故正常时不会被CTL杀伤。但此类抗原可在多种肿瘤表达，且能诱导CTL甚或抗体应答，故称此类抗原为肿瘤睾丸抗原（cancertestisantigen,CTA）。MAGE、BAGE、GAGE和NY-ESO-1属于CT抗原。第二节机体对肿瘤的免疫应答