肿瘤免疫治疗的故事（连载八） / 四六文摘

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导读：

《肿瘤免疫治疗的故事》共十余万字，将分20余期在本人头条号☞《奇云空间》连载。

本期系连载之八，为《肿瘤免疫治疗的故事》的第二回第三节——《细胞生物学研究推动肿瘤免疫学发展》。

只讲故事，不谈治疗，这是本文知识性、趣味性所在。

关键词：肿瘤，免疫治疗，淋巴细胞，T细胞，B细胞，细胞免疫，体液免疫。

肿瘤免疫治疗能有今天的盛况，离不开基础研究。尤其是研究免疫系统结构和功能的免疫学的进步，具有至关重要的意义。

我们的身体时刻处于“危险”之中，周围环境中的细菌、病毒等外源物会对健康带来巨大威胁，机体为此进化出精密的免疫系统来区分“自我”和“非我”，并及时发现这些“非我”外源物从而消除这些危险。

免疫系统的保护功能主要通过两类免疫细胞，即B细胞和T细胞实现。

B细胞可产生特异性抗体，通过中和外源有害分子而发挥保护作用，这一过程称为“体液免疫”；T细胞可分泌细胞因子，对病毒感染的细胞或癌细胞进行特异性杀伤，称为“细胞免疫”。因此，B细胞和T细胞可看作是身体健康的保护神。

然而，这两类细胞的存在直到上世纪60年代之前还是个谜。

有两位科学家发现了这两种不同的淋巴细胞—— T淋巴细胞（简称：T 细胞）和B淋巴细胞（简称：B细胞），并阐述了它们的功能，让研究者能够深入了解适应性免疫的框架，也拉开了现代免疫学的序幕。

早在1960年代初，免疫学研究已取得一系列重要进展。科学家们发现，免疫细胞可产生抗体，免疫系统可抵抗病毒感染、参与器官移植过程中的免疫排斥等，但免疫细胞产生部位、免疫细胞种类等诸多问题还悬而未决。

在这些免疫学领域亟待解决的重大难题上，澳大利亚沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所（Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research）的雅克·弗朗西斯·米勒博士（Jacques Francis Miller）首先取得了突破。

米勒1931年4月2日生于法国尼斯（Nice），童年时期由于父亲工作的原因多在中国生活。由于第二次世界大战全面爆发，米勒全家在1941年移居澳大利亚，米勒本人随后获得澳籍。

1958年，完成住院医生培训的米勒在研究奖学金的资助下来到英国伦敦癌症研究所（Institute of Cancer Research）进行博士学习。当时已知癌症的诱发原因有物理因素（如辐射）、化学因素（各种致癌化合物）和病毒因素等。由于先前的病毒研究背景，加上博士导师哈里斯（Robert Harris）教授的建议，米勒选择了病毒如何造成淋巴细胞白血病的发生作为博士研究内容。

当时已有研究初步表明，淋巴细胞白血病的发生与胸腺（thymus）密切相关。胸腺原本被看作是一种“无用”器官（因为摘除成年小鼠的胸腺对其健康无丝毫影响），一种进化过程中类似盲肠的残存物，而参与小鼠白血病的发生更是为胸腺添加一条罪状。

米勒自然而然产生一个朴素想法：如果主流观点正确，那么摘除胸腺将百利而无一害，用这种办法杜绝白血病将毫无副作用。

真相是否如此，需要用事实说话。米勒为刚出生小鼠摘除胸腺，以备在成长不同阶段进行病毒接种，并观察这些去胸腺小鼠是否还会患上白血病。就在米勒准备接种病毒时，问题出现了，去胸腺小鼠开始的发育还算正常，但断奶后不久便百病缠身、日渐消瘦，并最终早亡。这一事实初步表明，胸腺并非一无是处，去除它可导致幼鼠的灾难性后果。

米勒对发病前的去胸腺小鼠进行皮肤移植实验，结果发现，这些小鼠丧失了产生排斥反应的能力，对外源皮肤可以说是来者不拒，即使亲缘关系极远的不同肤色小鼠间进行皮肤移植也毫无障碍。

米勒又对早亡的去胸腺小鼠进行解剖观察，发现其肝脏出现大面积病毒感染，表明小鼠对病毒的抵抗力降低。此外，去胸腺小鼠更易患癌，这一发现为癌症免疫治疗提供了最初的理论依据。这些数据清晰表明，胸腺是一种重要的免疫器官，米勒于1961年发表了这一结果。

米勒的实验

然而，米勒的发现在当时并未得到科学界普遍认可，包括著名免疫学家彼得·梅达沃（Peter Brian Medawar，1960年诺贝尔生理学或医学奖获得者）在内的反对者提出诸多质疑，甚至有点诘难的味道。他们认为，米勒进行实验的场所太过简陋、胸腺切除术操作不当容易引起小鼠外伤等，可能恰恰是这些因素，而非胸腺本身缺失的缘故，才导致小鼠出现感染。为此，米勒来到当时唯一有着无菌小鼠的地方——美国国家卫生研究院，采用更严格的实验操作证实了上述结果的可靠性。还有人指出，即使米勒的小鼠实验没有问题，这一结论能否推广到人类也需打个问号。

B细胞可产生特异性抗体，通过中和外源有害分子而发挥保护作用，这一过程称为“体液免疫”。

米勒虽遭到一些科学家的质疑，但同时也获得众多支持，如美国的罗伯特·古德（Robert A. Good）于1962年发表了小鼠实验，也证实了胸腺在免疫系统中发挥关键作用。

随着学术界逐渐认可胸腺是一种免疫功能器官，免疫学家开始推测胸腺的具体作用。他们认为，胸腺形成的淋巴细胞在外周分化出成熟免疫细胞，并获得抗体生成、抵抗病毒入侵等功能。然而事实上，米勒的结果已初步否定这一结论，因为去胸腺小鼠尽管存在免疫缺陷，但其抗体生成功能并未完全消失。胸腺究竟发挥了何种免疫功能呢？另一位获奖者美国埃默里大学（Emory University）医学院的马克斯·戴尔·库珀博士（Max Dale Cooper）随后很好地解决了这一难题。

1933年8月31日，库珀出生于美国密西西比州的哈兹勒赫斯特（Hazlehurst）。1955年，库珀从密西西比大学医学院毕业，又于1957年从新奥尔良杜兰大学医学院（Tulane University School of Medical）获得医学博士学位。库珀在杜兰大学主要从事儿科临床实习，有机会接触到诸多患有遗传性疾病的儿童，其中两类X-性连锁疾病给库珀留下深刻印象。Wiskott–Aldrich综合征患儿对病毒感染缺乏抵抗力，但体内可产生大量抗体；先天性抗体缺陷综合征患儿体内缺乏抗体，但保留抗病毒感染能力。这些现象暗示了抗体生成和抗感染是由两种不同来源的免疫细胞负责。

1963年，库珀加入了明尼苏达大学的罗伯特·古德（robert good）的实验室。在当时，免疫学界有两大阵营，他们互相看不对眼。在那个年代，免疫学亟待解决的核心问题就是，脊椎动物究竟通过何种方式为每一种病原体量身定制特异性的防御机制，而且这种特异性防御的多样性几乎没有上限。加入古德实验室后不到两年，库珀就发现了负责这项任务的两种淋巴细胞。随后的历史证明，他的发现为免疫学界破解了重要的谜团，并最终让两大阵营合为一体。

早在1956年，格利克（Bruce Glick）等人就发现，从鸡体内去除鸟类独有的器官法氏囊（bursa of Fabricius）后，可造成体内抗体含量显著降低，暗示其与免疫作用密切相关。然而，无论是格利克实验还是米勒实验，结果的可重复性都较差，数据总是模棱两可，无法确定这些器官在免疫过程中的角色到底是完全主导还是部分参与。

库珀和古德推测，摘除法氏囊时，鸡体内可能已有免疫细胞存在，这些免疫细胞对最终结果具有干扰作用。为从本质上消除这种误差，他们在去除雏鸡的法氏囊或者胸腺后，进一步采用放射性处理，以完全消除可能在孵化前已形成的免疫细胞。这一方法改进极大地增加了结果的稳定性和可重复性。

库珀实验结果表明，对去除法氏囊的雏鸡进行辐射，可导致抗体产生能力丧失；对摘除胸腺的鸡进行辐射，可造成病毒抵抗能力消失。

据此库珀认为，鸡体内至少存在两类不同来源、不同功能免疫细胞——来源于法氏囊的免疫细胞负责制造抗体，根据法氏囊单词首字母命名为B细胞；来源于胸腺的免疫细胞介导移植物排斥反应等，同样根据胸腺单词首字母命名为T细胞。

接下来，库珀需要完成一个至关重要的任务，那就是在哺乳动物中寻找与法氏囊功能相当的器官。在目标达成之前，“双淋巴细胞”学说的普适性一直存在着争议，这种情况延续了近十年。科学家们经常问库珀这样一个问题：“麦克斯，今年找到法氏囊的类似器官了吗？“ 事实证明，这是一个相当艰难的任务。最开始，库珀和同事怀疑小肠组织是b细胞的来源，他们在这个死胡同里耗费了大量的精力。

然而，尚有一个问题亟需解决。法氏囊是鸟类独有器官，人和小鼠等哺乳动物体内都不存在，那么他们的B细胞是从何而来的呢？1968年，米勒和学生证实小鼠中也存在两类免疫细胞，它们分别发挥不同的功能。

1974年，库珀小组和多家实验室几乎同时证明了哺乳动物的B细胞来源于骨髓。巧合的是，骨髓（bone marrow）的英文首字母也是B，因此B细胞的名称沿用至今。至此，哺乳动物也有B细胞和T细胞两类免疫细胞的结论得到证明。

1965年1月，《自然》杂志发表了麦克斯·戴尔·库珀等人的这一研究论文，对格利克实验和米勒实验以及两类遗传性疾病的临床表现给予理想解释，并初步说明该结论具有普适性，这标志着B淋巴细胞首次被人类发现。这一划时代的发现解开了免疫学重要的谜团，并且为众多药物和疫苗的研发生产奠定了基础。

1965年1月，《自然》杂志发表了麦克斯·戴尔·库珀等人的这一研究论文（网页截图）

B细胞和T细胞来源模型

B细胞和T细胞的发现是现代免疫学发展史上具有里程碑意义的事件，拓展了人们对获得性免疫系统的组织原理的理解和认识，奠定了诸多免疫学研究的基础，推动了抗体制备、疫苗研发、器官移植、自身免疫性疾病诊断和治疗、癌症免疫治疗等多个领域的快速发展。在库珀和米勒的研究基础上，后来的科学家们取得了一系列瞩目的成就，并有多位成为诺贝尔生理学或医学奖获得者。

1973年，澳大利亚科学家彼得·杜赫提（Peter C. Doherty）和瑞士科学家罗夫·辛克纳吉（Rolf M. Zinkernagel）阐明了T细胞抗病毒作用机制——细胞介导的免疫防御特性，而获得1996年诺贝尔生理学或医学奖。

澳大利亚科学家彼得·杜赫提（Peter C. Doherty，左）和瑞士科学家罗夫·辛克纳吉（Rolf M. Zinkernagel）

1975年，丹麦科学家尼尔斯·杰尼（Niels K. Jerne）、德国科学家乔治斯·克勒（Georges J.F. Köhler）和英国科学家色萨·米尔斯坦（César Milstein）“因关于免疫系统的发育和控制特异性的理论，以及发现单克隆抗体产生的原理而获得1984年诺贝尔生理学或医学奖。

1976年，利根川进（Susumu Tonegawa）阐明了B细胞抗体多样性产生原理，并因此获得1987年诺奖。

2018年的诺奖更是与库珀和米勒的贡献密不可分，获奖的美国免疫学家詹姆斯·艾利森（James P Alison）和日本免疫学家本庶佑（Tasuku Honjo）发现了抑制负免疫调节的癌症疗法，其策略正是通过激活T细胞实现对癌细胞的杀伤，而使用的工具则是B细胞产生的抗体。

2018年的诺贝尔生理学或医学奖得主艾利森（James P Allison）和本庶佑（Tasuku Honju）

库珀和米勒也因为在发现B细胞和T细胞方面的贡献而获得诸多科学大奖，除了拉斯克基础医学奖，他们还于2018年分享日本国际奖等奖项。库珀被誉为“B细胞免疫学之父”，而米勒被认为是揭示一种人体器官功能的唯一在世科学家。

从贡献上讲，两位科学家显然值得进一步分享诺贝尔奖。无奈的是，鉴于2018年的诺贝尔生理学或医学奖刚刚授予癌症免疫治疗，再次授予免疫学方面的贡献估计还要等上几年。两位教授都已近90岁高龄，而诺贝尔奖只授予在世的人，所以两位科学家最终能否登上诺奖领奖台还很难预判。

免疫学家雅克·米勒(左)和马克斯·库珀在20世纪50年代和60年代对淋巴细胞进行了开创性的研究。

前面我们说过，1961年，法国免疫学家雅克·米勒（Jacques Miller）发现，胸腺可产生一类免疫细胞。根据来源，米勒将其命名为T细胞，并认为T细胞可有效区分“自我”和“非我”，它们就是监视癌细胞的哨兵。它不仅能够帮助我们抵御外来各种病原体（如细菌、病毒、真菌、寄生虫）的侵扰，还是体内的“免疫监视员”，能够及时发现并清除体内的异常细胞（如癌变的细胞），将某些疾病（如恶性肿瘤）扼杀在摇篮中。

但T细胞如何识别并杀死癌细胞呢？

科学家推测，这一作用应该由一类被称为“T细胞抗原受体”（T cell receptor，TCR）的分子来负责。于是，许多科学家开始寻找这种重要分子，2018年诺贝尔生理学或医学奖获得者艾利森就是其中之一。

1986年，科学家又发现另一关键分子：T细胞共刺激因子CD28。该分子在T细胞的表面，能与异常细胞表面的分子进行识别并结合，从而启动细胞内一系列反应，激活T细胞的免疫“杀伤”功能。艾利森教授与他的团队证明，一旦幼稚T细胞表面的CD28与TCR同时被激活，就足以让这些细胞增殖，并保持激活状态。

一个B淋巴细胞的彩色电镜显微照片。

T细胞攻击癌细胞

T细胞表面上还有其他分子可能参与这个过程吗？

1987年，法国免疫学家皮埃尔﹒戈尔施泰因（Pierre Golstain）发现一种与CD28结构十分相似的蛋白——细胞毒性T淋巴细胞相关抗原（cytotoxic tlymphocyte associated antigen 4，CTLA-4）。当时发现，该基因定位于小鼠1号染色体，属于免疫球蛋白超家族分子。他们并将其看做是潜在的T细胞激活分子，推测其具有免疫激活功能。

注意！戈尔施泰因等人认为：CTLA-4是一种免疫正调控！需要说明一下，免疫激活属于免疫正调控，免疫抑制属于免疫负调控。第二年，同一研究小组将人的CTLA-4定位于人的2号染色体。

2019年诺贝尔生理学或医学奖发布会现场

令人搞笑的是，在1992年，美国免疫学家彼得·林斯利（Peter Linsley）等报告，他们用实验证实：戈尔施泰因说得对，CTLA-4具有免疫激活作用。

注意！林斯利等人也认为CTLA-4是一种免疫正调控！

前面我们已经说过，CTLA-4是一种免疫负调控！戈尔施泰因和林斯利他们都错了！如果说，戈尔施泰因自己挖坑的话，林斯利把这个坑挖的更大。假设他们的这个思路正确，那么CTLA-4怎么会应用于癌症治疗呢？“强上加强”策略，就是通过强化CTLA-4活性使免疫细胞活性更强来杀死癌细胞，结果会如何，自己想。

因此，他们的发现与2018年诺奖颁奖主题“负相关”。林斯利和戈尔施泰因这两位科学家，真是起个大早，赶个晚集，把方向搞反了，最终眼巴巴地看着硕大的成果与自己擦肩而过，这是后话。

1994年，2018年的新科诺奖得主、时任加州大学伯克利分校癌症研究实验室主任的艾利森团队有了截然相反的结果。他们阻断小鼠体内CTLA-4后却发现，免疫细胞活性不仅不降低，相反却急剧增加，暗示CTLA-4应是一种免疫抑制分子才对。同年，芝加哥大学杰弗里·布卢斯通（Jeffrey Bluestone）团队在Immunity上报道CTLA-4是T细胞激活的负控因子，并且首次发现使用抗体阻断CTLA-4的信号通路能够激活免疫反应。这两个团队进一步把小鼠体内CTLA-4基因破坏，毫无意外这些小鼠出生不久就死亡，解剖后却发现它们并非死于免疫缺陷，而是死于免疫过度激活，器官内充满大量活化T细胞，器官由于被自身T细胞攻击而大面积坏死，这说明CTLA-4是一种免疫抑制分子！

1994年，加拿大多伦多大学的华人科学家麦德华（Tak Wah Mak）和美国哈佛医学院的阿琳·夏普（Arlene Sharpe）团队差不多同一时间分别在美国《科学》（Science）和《免疫》（Immunity）两家著名学术期刊上报道，敲除小鼠的CTLA-4基因，会让小鼠出现严重的自身免疫性疾病，并导致小鼠迅速死亡，进一步在体内证实了CTLA-4调控T细胞激活的重要作用。所有的一切都证明，艾利森和布卢斯通团队的研究是正确的。为艾利森后续在小鼠实验中证明CTLA-4抗体可以增强免疫抑制肿瘤的发生发展铺平了道路。

艾利森迅速意识到这一发现在癌症治疗中的巨大价值，大胆推测：肿瘤免疫逃逸原因，并非T细胞无法识别肿瘤，可能在于T细胞内CTLA-4活性过强而抑制了激活。如能阻断CTLA-4活性，则有望重新激活T细胞来杀伤癌细胞。简单来说，就是“负负得正”原理：通过阻断一个负调控因子，最终达到正效应（T细胞激活）。

在这一思路指导下，艾利森立即付诸了行动。1994年底，艾利森和同事用自己开发的CTLA-4单克隆抗体（阻断CTLA-4活性）对肿瘤小鼠模型进行实验，结果癌细胞生长明显抑制，并且这种效应还具有时间持续性。也就是说，抗CTLA-4的单抗可促使免疫系统杀伤肿瘤。

1996年，艾利森团队在美国《科学》杂志上发表了他们的研究成果，论文的题目就是《CTLA-4阻断增强抗肿瘤免疫》（Enhancement of Antitumor Immunity by CTLA-4 Blockade），报道他们发现T细胞上的CTLA-4是一种抑制分子，阻断这种分子与抗原呈递细胞上相应配体分子的结合，就可以增加T细胞的抗肿瘤活性，抑制肿瘤生长。艾利森把这个治疗思路叫做“免疫检查点阻断”。

2019年诺贝尔生理学或医学奖得主之一詹姆斯·艾利森（James P Alison）

这是一篇里程碑式的研究论文，这篇论文首次在小鼠实验中证明使用CTLA-4抗体可以增强免疫，抑制肿瘤的发生和发展。艾利森说，他至今难忘第一次在小鼠身上试验时的场景。注入了CTLA-4阻断抗体后，小鼠的皮肤上似乎出现了生疮的现象，兽医们以为小鼠患了严重的感染。而事实是，小鼠皮肤下的肿瘤在T细胞的猛烈攻击下，出现了肉眼可见的溃烂和消散过程。也就是这篇论文，奠定了艾利森摘取诺奖桂冠的基础。22年之后的2018年10月2日，这篇文章成为诺贝尔奖官网的通讯稿中列出的重要文献之一。通讯稿引用的另一篇艾利森课题组的文献是1997年他们发表在《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，缩写PNAS）上的题为《T细胞共刺激抑制信号在前列腺癌免疫治疗中的应用》（Manipulation of T cell costimulatory and inhibitory signals for immunotherapy of prostate cancer）的论文。这篇论文的发表，也为推动肿瘤免疫学进展发挥了积极作用。