癌細胞因為基因突變，能夠產生只在腫瘤中表達的新抗原（neoantigens），這些新抗原可以被人體的T細胞識別，並且對錶達它們的癌細胞進行攻擊。因為這些新抗原不在健康組織中表達，因此它們是治療性癌症疫苗的理想靶點之一。因為與輝瑞合作開發mRNA新冠疫苗而為人熟知的BioNTech公司在開發新冠疫苗之前，致力於開發基於mRNA的癌症疫苗。近日，該公司執行長兼聯合創始人Ugur Sahin博士作為資深作者，和合作夥伴一起在Nature Reviews Drug Discovery上發表了一篇綜述，分享了在發現用於個體化癌症疫苗的新抗原方面的洞見。

新抗原呈遞和識別的基本原理

和細胞表達的其它內源性蛋白一樣，癌細胞表達的新抗原會由蛋白酶體降解成為小的多肽鏈。這些多肽與I型主要組織相容性（MHC-I）分子形成複合體，然後被呈現在癌細胞表面。它們可以被CD8陽性T細胞識別。浸潤腫瘤的免疫細胞，包括樹突狀細胞、巨噬細胞和B細胞可以作為抗原呈遞細胞（APCs），攝取新抗原，並將它們呈遞給曾經被啟用的CD4和CD8記憶陽性T細胞。

值得注意的是，癌細胞和浸潤腫瘤的APCs都不能直接啟用幼稚T細胞（naïve T cells）。對幼稚T細胞的啟用幾乎完全由駐留在淋巴結中的樹突狀細胞完成。這些抗原呈遞細胞從淋巴液中攝取可溶性新抗原，或者從遷移到淋巴結中的其它抗原呈遞細胞上獲取新抗原，然後呈現給幼稚T細胞。被啟用的幼稚T細胞轉變為可識別特定新抗原的CD4和CD8陽性記憶T細胞和效應T細胞。

啟用幼稚T細胞需要高水平的抗原-MHC複合體和共刺激訊號。一旦轉換為記憶T細胞，它們可以被水平低很多的新抗原呈遞啟用。被啟用的記憶T細胞和效應T細胞離開淋巴結，再遷移到腫瘤中，在有利的腫瘤微環境下，它們可以識別癌細胞表面或腫瘤內抗原呈遞細胞表達的新抗原，行使控制腫瘤生長的多種功能。

▲新抗原呈遞和啟用T淋巴細胞的機制（圖片來源：參考資料[1]）

癌症疫苗的最終目的，是刺激新的新抗原特異性T細胞的產生，或者重新啟用已有的新抗原特異性T細胞，從而促進持續的適應性抗癌免疫反應，直至癌細胞被完全消滅。如何篩選癌症疫苗包含的新抗原是癌症疫苗能否有效的關鍵之一。並不是所有的新抗原都能夠有效刺激抗原特異性T細胞的產生，根據新抗原啟用抗原特異性T細胞的能力，綜述作者將它們分為三類。

新抗原的三種類型

作者表示，不同的新抗原在不同的臨床環境下產生激發抗癌免疫反應的作用。有些新抗原在尚未接受過治療的患者體內就能激發強力的抗癌免疫反應，它們通常與更好的預後相關；而另一些新抗原只有在患者接受過免疫檢查點抑制劑治療之後，才能啟用抗癌免疫反應。根據它們在不同臨床環境下激發免疫反應的能力，作者將它們分為三大類。

守護新抗原（guarding neoantigens）

在未接受過治療的癌症患者中，也可以發現自發產生的針對新抗原的CD4和CD8陽性T細胞。這些新抗原具有守護功能，它們能夠在癌症臨床症狀尚不明顯的時候介導早期的腫瘤排斥，或者降低腫瘤生長速度，抑制轉移的發生。它們的主要特徵是在未接受過免疫療法治療的患者中，這些新抗原的表達就足以驅動具有臨床意義的抗癌免疫反應。

守護新抗原可以分為兩類，一種是在腫瘤細胞中高度表達，而且可以與MHC蛋白高親和力結合並且形成穩定複合體的新抗原。這些特徵會在原位瘤出現早期就激發強力的細胞毒性T細胞反應，抑制原位瘤的生長和轉移。這類抗原在人類中很難發現，關於它的最強證據來自小鼠模型。

第二類守護新抗原型別能夠被已經存在的交叉反應性（cross-reactive）記憶T細胞識別。這是說幼稚T細胞在過去受到其它抗原的啟用而生成了記憶T細胞，而這些記憶T細胞表達的T細胞受體（TCR）恰好能夠識別腫瘤表達的新抗原。比如，曾經被病毒、腸道微生物組、和其它病原體啟用的T細胞可能識別的某些腫瘤新抗原。

由於啟用記憶T細胞的閾值比啟用幼稚T細胞的閾值要低50倍，這意味著那些因為表達水平不夠高、與MHC親和力不強，或無法形成穩定複合體，而無法在淋巴結中啟用幼稚T細胞的新抗原，可能啟用已經存在的交叉反應性記憶T細胞。

守護新抗原控制著癌症的自然進展過程，並且與未接受過免疫療法治療的癌症患者的更好預後相關。而且免疫檢查點抑制劑或新抗原疫苗可能進一步增強已有的T細胞反應。它的一個潛在缺陷是由於在癌症早期出現，可能成為癌症免疫逃逸的首要目標。

▲不同型別新抗原的特徵（圖片來源：參考資料[1]）

限制性新抗原（restrained neoantigens）

並不是所有在患者中自發產生的新抗原特異性T細胞都能夠行使殺傷癌細胞的作用。有些針對新抗原的T細胞只有在接受免疫檢查點抑制劑治療之後才重新被啟用。綜述作者將這些T細胞識別的抗原歸為限制性新抗原。

限制性新抗原仍然需要在腫瘤中高度表達，與MHC蛋白高親和力結合並且構成穩定複合體。它們能夠預測免疫療法的臨床效益。

被忽略的新抗原（ignored neoantigens）

不過在人類癌症中，只有很少一部分突變能夠生成激起自發T細胞反應的守護新抗原或者限制性新抗原。大部分基因突變產生的蛋白雖然也能夠被MHC分子呈現，但是無法激起自發的T細胞反應。作者將這些抗原稱為“被忽略的新抗原”，這些抗原的呈現水平不足以啟用幼稚T細胞，但是超過啟用記憶T細胞的閾值。

但是這不代表這些新抗原無法為殺傷腫瘤做出貢獻，已有研究顯示，在小鼠中利用新一代測序發現的癌症基因突變中，15-40%的突變作為疫苗抗原可以激發強力的抗癌T細胞反應。癌症疫苗的作用就是讓在淋巴結中駐留的樹突狀細胞呈遞足夠數量的這些新抗原，從而啟用幼稚T細胞。

綜合來看，守護新抗原和限制性新抗原是個體化癌症疫苗應該包括的高度相關靶點，特別是治療早期疾病或者作為輔助（adjuvant）療法。被忽略的新抗原為新抗原疫苗提供了豐富和互補的靶點來源。這三種類型的新抗原都應該被納入包含多種新抗原的癌症疫苗中，並且在臨床試驗中評估不同型別新抗原的功用。

篩選候選新抗原考慮的因素

個體化癌症疫苗的製造首先需要從患者體內獲取腫瘤組織並且對癌細胞的基因組進行測序，發現腫瘤基因組中出現的突變，然後需要預測新抗原的產生和選擇哪些新抗原被納入到癌症疫苗中。目前已經有多種演算法來對候選新抗原進行排序，這些演算法考慮了候選新抗原有可能啟用T細胞，或避免癌細胞出現免疫逃逸的多個特徵。它們包括：

▲新抗原疫苗的設計流程和作用方式（圖片來源：參考資料[1]）

與MHC的結合和穩定性

能夠與至少一類MHC分子結合是T細胞識別的基本要求。不過作者指出，抗原特異性CD4和CD8陽性T細胞之間的相互作用對於產生有效抗癌免疫反應至關重要。在小鼠模型中，只表達單一MHC-I新抗原並不能產生有效免疫反應，需要至少一種MHC-II新抗原的表達。因此，個體化疫苗應該包括預計能夠與MHC-I和MHC-II結合的抗原表位。

與MHC的親和力之外，新抗原-MHC複合體的穩定性也同樣重要。更穩定的複合體可能提高複合體被T細胞識別的機率。

與野生型序列的差異性和與病原體相關表位的相似性

新抗原序列與野生型序列的差異越大，出現高親和力T細胞的可能性也越高。新抗原表位與病原體序列的相似性可能提高它們被常見病原體啟用的已有T細胞交叉識別的可能性。

基因突變的普遍性和不可或缺性

腫瘤的一大特徵是它的異質性，這意味著腫瘤其實是由攜帶不同基因突變的細胞克隆組成的。在選擇突變時，在所有克隆中都出現的軀幹突變（truncal mutations）可能優於只在部分克隆中出現的分支突變（branched mutations）。這可以解決腫瘤異質性的問題。大多數癌症驅動基因突變出現在腫瘤演化的早期，因此更有可能在所有克隆中出現。

腫瘤免疫逃逸的一個主要方式是透過基因突變降低或消除被T細胞識別的抗原的表達。如果新抗原的表達是腫瘤生長必需的，那麼它就不容易因為表達丟失而產生免疫逃逸。從這個角度來說，出現雜合性丟失（Loss of heterozygosity）的必需基因可能是非常優秀的新抗原疫苗靶點。雜合性丟失指的是基因組中的兩個等位基因中一個等位基因缺失。這時候如果另一個等位基因產生了生成新抗原的突變，腫瘤細胞就無法透過新抗原表達丟失來產生免疫逃逸。目前的遺傳學已經提供了與細胞生存相關的1600-2500個基因，它們可能促進對候選新抗原的排序。

▲腫瘤異質性對新抗原識別的影響（圖片來源：參考資料[1]）

展望未來

作者表示，在過去的十年裡，在新一代測序、計算能力的增強和先進演算法的推動下，新抗原發現領域獲得了長足的進步。公佈臨床試驗資訊的clinicaltrials.gov網站目前列出了61項和新抗原疫苗相關的臨床研究。新抗原疫苗單藥或與PD-1和PD-L1抑制劑聯用的早期臨床研究也顯示出抗癌活性。

最終，作者指出，當發現新抗原技術成熟之後，我們可以將它與利用基因組序列發現腫瘤耐藥機制的手段結合起來，根據腫瘤發生的突變，開發出針對耐藥性腫瘤的增強癌症疫苗，達到長期控制腫瘤生長的效果。

參考資料：

[1] Lang et al., (2022). Identification of neoantigens for individualized therapeutic cancer vaccines. Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41573-021-00387-y