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【35under35】万超医生：如何构建“以临床需求为导向科研闭环”

2023年08月22日

作者：万超

医院：华中科技大学同济医学院附属协和医院

万超

主治医师

华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤科
湖北省细胞外囊泡学会委员
华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤学博士、博士后。师从杨坤禹教授，多年来致力于肿瘤放疗与免疫治疗基础与临床研究，以第一或通讯作者（含共同）发表SCI论文11篇，包括Science Advances、Advanced Science、JCI Insight等国际权威杂志，总被引 305次，单篇最高被引 120 次，其中包括Nat Rev Clin Oncol等杂志的多次正面引用。授权国家发明专利1项。

近年来，随着新技术、新药物的涌现，多种疾病的治疗取得了巨大的突破。然而，仍然有大量的临床难题亟待我们解决。作为临床医生，我们该如何开展探索性科学研究，解决临床难题背后的基础科学问题，最终转化应用到临床，为临床诊疗服务，满足临床需求？这是我们需要深入思考的问题。
结合自己的一项科研经历，我在此分享个人关于临床医生如何开展“以临床需求为导向的科研研究”的一些思考，还望大家批评指正。

一、发现临床需求：如何解决免疫治疗耐药
近年来，以免疫检查点抑制剂为代表的肿瘤免疫治疗取得了里程碑式的进展，给恶性肿瘤治疗带来了巨大的改变。然而，一项纳入了160项包含多瘤种的前瞻性临床研究的荟萃分析，共汇总了28304名恶性肿瘤患者，发现接受单药PD-1/PD-L1抑制剂治疗的客观缓解率仅为20.21%[1]。尽管目前放疗、靶向治疗、化疗等治疗方法与免疫治疗联合，能不同程度地延长恶性肿瘤患者生存时间，但仍有大量患者发生原发或继发耐药，导致治疗失败[2]。因此，寻找肿瘤免疫治疗耐药的新机制，开发免疫治疗增敏新靶点具有重要的临床意义。

二、免疫治疗耐药的寻根之旅：从免疫稳态调节的基础理论中凝练科学问题
免疫稳态调节是指机体免疫系统在正常状态下保持平衡和稳定的过程[3]。免疫系统的主要功能是保护机体免受病原体（如细菌、病毒等）的侵袭，并清除异常细胞（如癌细胞）。然而，在免疫细胞清除病原体或异常细胞时，会发生局部或全身免疫活化，可能造成正常组织损伤。因此，在生物进化过程中，形成了一套完整的免疫稳态调控机制——当免疫激活时，就会反馈性活化免疫负向调节机制，从而使免疫反应不至于过度，从而维持身体的健康和平衡。
然而，免疫稳态调节的作用常常会被恶性肿瘤细胞利用。例如，IFN-γ是公认的关键的抗肿瘤细胞因子之一，然而IFN-γ却能上调肿瘤细胞、肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-associated Macrophages, TAMs）膜表面PD-L1的表达，进而抑制细胞毒性T细胞（Cytotoxic T Cells, CTLs）的活性，促进肿瘤免疫逃逸[4]；又如，IL-2能诱导CTLs的增殖和抗肿瘤功能，同时也能促进调节性T细胞（Regulatory T Cells, Tregs）的增殖和活性，从而抑制了CTLs功能的发挥[5]。
基于免疫稳态调节的理论，我们提出，免疫治疗可诱导微环境中炎症因子（如IFN-γ、IL-2等）浓度上升，而炎症因子又能活化肿瘤微环境中的抗炎系统，进而抑制抗肿瘤免疫反应，导致肿瘤免疫治疗耐受。

三、基础研究：通过严谨的基础研究，发现新靶点
代谢异常是恶性肿瘤细胞及肿瘤微环境的重要特征，其对肿瘤免疫逃逸至关重要。一方面，肿瘤微环境处于乏氧、低PH值、低营养物质的状态，不利于抗肿瘤免疫细胞的浸润、存活及抗肿瘤功能的发挥；另一方面，微环境中多种物质，如犬尿氨酸、腺苷等可直接抑制CTLs的抗肿瘤功能，而增强Tregs、TAMs等细胞的促肿瘤功能[6, 7]。
那么，在接受免疫治疗后，恶性肿瘤是否会通过重塑肿瘤微环境的代谢状态来实现免疫稳态调节，导致肿瘤免疫治疗耐药呢？
带着以上问题，我们以自己的研究成果及研究经历作为示例进行解读：
① 发现关键代谢物：利用小鼠肺癌LLC细胞系皮下移植瘤模型，我们收集了PD-1单抗治疗组及对照组肿瘤组织间液，通过代谢组学分析，发现治疗组代谢物A（因文章尚未发表，暂不便公布）浓度升高达5倍以上。然而，其是否参与PD-1单抗治疗耐药呢？
② 鉴定代谢物功能：为明确代谢物A的功能，我们构建了基因A敲除小鼠，该小鼠不能产生代谢物A。利用该动物模型，我们证实，代谢物A在PD-1单抗治疗后升高会导致免疫治疗抵抗，而敲除基因A的负瘤小鼠对PD-1单抗治疗更加敏感。
③ 明确代谢物来源：通过单细胞测序，我们发现免疫治疗后，TAMs中基因A的表达显著升高；因此，我们构建了巨噬细胞基因A特异性敲除小鼠，利用该模型，我们证实小鼠体内巨噬细胞特异性敲除基因A后，肿瘤微环境中代谢物A浓度显著下降，且能增敏免疫治疗。以上结果充分说明，免疫治疗后，TAMs来源的代谢物A含量显著上调，并发挥免疫抑制作用。
④ 免疫治疗上调代谢物A的机制探究：由于IFN-γ是免疫治疗关键的效应分子之一，我们探究了IFN-γ对TAMs的作用，发现IFN-γ上调TAMs基因A的表达水平达1000倍以上。而体内中和IFN-γ能抑制PD-1单抗治疗造成的代谢物A在微环境中的积累。
⑤ 代谢物A抑制抗肿瘤免疫治疗的机制探究：通过对单细胞测序数据进行分析，我们发现基因A敲除小鼠组微环境中树突细胞（Dendritic Cells，DCs）关键功能基因Cd80、Cd86等表达显著上调；体外实验也表明，代谢物A能抑制DCs的抗原交叉提呈作用。以上结果提示代谢物A通过降低DCs抗原提呈功能，从而抑制抗肿瘤免疫反应。
⑥ 代谢物A作为免疫治疗增敏新靶点的可能性：首先，我们发现，基因A全敲小鼠并未表现出生长发育、生育等方面的缺陷，且观察近2年，发现基因A敲除并不影响小鼠寿命，这提示靶向代谢物A的治疗不仅能增敏免疫治疗，且具有高度的安全性。
⑦ 如何设计针对代谢物A的靶向治疗方案：由于目前针对基因A及其翻译的蛋白质、或代谢物A均无小分子靶向药物，我们将从以下方向进行药物合成：（1）利用计算机辅助药物设计，筛选备选的小分子化合物，进一步通过体内外实验验证其安全性及有效性；（2）通过纳米递送系统，递送靶向基因A的RNAi药物。RNA递送技术在新一代疫苗设计及临床研究中已有成功案例，例如，2023年7月20日来自美国哈佛大学医学院附属布莱根妇女医院的Akshay S. Desai教授携其临床团队在The New England Journal of Medicine杂志上发表文章，报道了一种靶向肝脏血管紧张素原mRNA的RNAi纳米药物，单剂皮下给药后，血清血管紧张素原水平和24小时动态血压出现剂量依赖性下降，并且持续长达24周。
⑧ 交叉融合，推动转化：积极与同行及其他学科交叉融合，共同推进临床转化研究，促成新药落地。药物的研发是系统性工作，不仅需要生命科学、基础医学、临床医学、化学、材料学、药学、工程学等多学科的交叉融合，也需要企业家及药企的共同参与，实现新药从靶点挖掘到药物合成，再到临床研究，最终实现产业化并推向临床应用。

四、思路总结
为解决免疫治疗耐药这一“未被满足的临床需求”，我们以“免疫稳态调节”这一免疫学经典理论为出发点，从“肿瘤微环境代谢”的角度，创新性发现：免疫治疗后，微环境中浓度上调的IFN-γ通过诱导TAMs产生代谢物A，抑制DCs抗原提呈，导致免疫治疗耐药及抵抗。
为促进靶向代谢物A的治疗临床转化，我们拟通过小分子药物筛选及RNAi纳米药物合成，整合多学科及产业资源，形成“从临床出发——基础研究——临床转化”的转化医学闭环，最终使科研成果回归临床、满足临床需求。

参考文献

1. Zhao B, Zhao H, Zhao J: Efficacy of PD-1/PD-L1 blockade monotherapy in clinical trials. Therapeutic advances in medical oncology 2020, 12:1758835920937612.
2. Gotwals P, Cameron S, Cipolletta D, Cremasco V, Crystal A, Hewes B, Mueller B, Quaratino S, Sabatos-Peyton C, Petruzzelli L et al: Prospects for combining targeted and conventional cancer therapy with immunotherapy. Nature reviews Cancer 2017, 17(5):286-301.
3. Horwitz DA, Fahmy TM, Piccirillo CA, La Cava A: Rebalancing Immune Homeostasis to Treat Autoimmune Diseases. Trends in immunology 2019, 40(10):888-908.
4. Gocher AM, Workman CJ, Vignali DAA: Interferon-γ: teammate or opponent in the tumour microenvironment? Nature reviews Immunology 2022, 22(3):158-172.
5. Hernandez R, Põder J, LaPorte KM, Malek TR: Engineering IL-2 for immunotherapy of autoimmunity and cancer. Nature reviews Immunology 2022, 22(10):614-628.
6. Leone RD, Emens LA: Targeting adenosine for cancer immunotherapy. Journal for immunotherapy of cancer 2018, 6(1):57.
7. Li X, Ramadori P, Pfister D, Seehawer M, Zender L, Heikenwalder M: The immunological and metabolic landscape in primary and metastatic liver cancer. Nature reviews Cancer 2021, 21(9):541-557.