1991年，PD1/ target=_blank class=infotextkey>PD1 由Tasuku Honjo 实验室的助理教授 Yasumasa Ishida 利用小鼠 T 细胞的 cDNA 文库首次发现，新发现的转录本被命名为程序性细胞死亡蛋白1(PD1)。KO小鼠由1994年研究生 Hiroyuki Nishimura 产生，令人失望的是，PD1-KO小鼠即使在出生后6个月也没有明显的表型。4年后，Nishimura开始观察到 PD1 缺陷小鼠的 B 细胞和 T 细胞异常活化。
1998年，时任研究生的 Yoshiko Iwai 观察到许多细胞系，包括肿瘤细胞，可以结合 PD1-免疫球蛋白 Fc 结构域融合蛋白，表明它们表达 PD1 的配体。此外，Iwai等人发现 PDL1 转染的肿瘤细胞系 P815 在 PD1-KO 小鼠中表现出生长速度降低，提供证据表明 PD1 阻断可以激活免疫系统加强对肿瘤细胞的细胞毒活性。这导致 Yoshimasa Tanaka 发现了 PDL1 靶向抗体1-111A，它具有令人印象深刻的抑制肿瘤生长的能力，并证明 PD-1 靶向抗体 J43 能有效阻断黑色素瘤小鼠模型中的转移。
2004年， Medarex 已经建立了利用免疫球蛋白位点被人免疫球蛋白基因取代的小鼠开发人源化抗体的技术，并将人源化 CTLA4 靶向抗体带入临床。事实上，他们已经根据当时的 PD1 序列开发了抗 PD1 的人源化抗体。他们的人源化 PD-1 靶向抗体 nivolumab 分别于2006年和2008年在美国和日本进入 I 期临床试验。
最令人印象深刻的临床试验是2015年报告的共418例患者的双盲随机试验，与化疗药物 decarbazine 相比，检测 nivolumab 作为黑色素瘤一线治疗。1.5年后，几乎70%接受 nivolumab 的患者存活，而接受达decarbazine的患者只有25%存活，促使试验揭盲。Nivolumab于2014年8月首次被日本药品和医疗器械管理局批准用于治疗黑色素瘤，之后不久又被美国FDA批准。随后针对各种癌症的 nivolumab 治疗的开发和扩展令人印象深刻，导致 FDA 批准 PD1 阻断疗法用于超过25种类型的肿瘤。
图1.PD1关键里程碑
PD1 信号转导和表达调控
PD1 有两个主要配体：PDL1和PDL2。PDL1 可由多种细胞表达，而 PDL2 表达仅限于造血细胞，如树突状细胞 (DC)、巨噬细胞、B细胞和活化的 T 细胞。与 PDL1 相比，PDL2在癌细胞上的表达要有限得多。PDL1 靶向和 PD1 靶向单克隆抗体 (mAb) 在人类癌症免疫治疗中的治疗效率几乎没有差异，这意味着PDL2，PD1的第二个配体，在这种背景下几乎没有重要性。
PD1 表达的背景依赖性调节
PDCD1 是编码 PD1 的基因，通过转录因子与顺式调控元件的直接结合而转录激活。PDCD1 的转录调控是高度复杂的，各种刺激如 T 细胞受体 (TCR) 和细胞因子信号传导，通过至少14种不同的转录因子调节其表达。PD1 的表达水平取决于 T 细胞刺激（急性或慢性）的状态，以及它是在对致病情况（如感染）或癌症的反应中被诱导。PD1的一系列研究不仅强调了不同转录因子的位置和平衡的重要性，而且表明阻断 PD1 信号转导可以减少“重振”T细胞上 PD1 的表达，这可能有助于对 PD-1 靶向或 PDL1 靶向治疗产生持久的临床应答，即使在停药后也经常可观察到。
图2. PD1 调控机制
PDL1 表达调控
PDL1 的表达受基因组、转录组、转录后和翻译后水平的多种因素调节。PDL1（也称为CD274，编码 PDL1 的基因）的基因组改变是人类某些癌症中 PDL1 表达增强的原因之一。例如，在霍奇金淋巴瘤和小细胞肺癌患者中报告了含有 PDL1 基因位点的染色体 (9p24.1) 区域拷贝数增加。
PDL1 转录调控有两条主要途径：免疫应答相关的外在调控和致癌信号驱动的内在调控。各种炎症信号通路诱导 PDL1 上调，可作为负反馈调节。PDL1 表达的主要诱导剂是干扰素-γ (IFNγ)，由癌症微环境中活化的 T 细胞和自然杀伤细胞产生。值得注意的是，在免疫检查点抑制剂 (ICI) 耐药肿瘤患者中可发现 JAK1/2 或 IFNGR1/2 突变导致的IFNγ信号通路 (IFNGR–JAK–STAT–IRF) 破坏，并被视为 ICI 治疗获得性和原发性耐药的常见原因。PDL1 的表达不仅在癌细胞中受到各种刺激的动态调节，而且在免疫细胞中也受到各种刺激的动态调节，这可能是活检时间点癌细胞中 PDL1 表达不能成为足够生物标志物的原因。PDL1 表达也在转录后和翻译后水平受到调控，PDL1 蛋白的糖基化、泛素化、磷酸化和棕榈酰化，均参与 PDL1 蛋白稳定。
PD1 的功能
进入 PD1 靶向 ICI 治疗应答期的患者往往会持续很长时间，即使在治疗终止后也是如此。为了维持对抗原的持久应答，肿瘤反应性细胞毒性 T 淋巴细胞 (TR-CTL) 的数量和细胞库需要稳定在高水平。
维持 TR-CTL 大量细胞库的因素之一是靶向肿瘤细胞中的突变数量。PD1 阻断被批准用于治疗突变频率高的肿瘤。广泛的癌症基因组计划表明，几乎所有的癌症（白血病除外）积累的替代突变数量是正常细胞的100倍以上。但是，并不是所有的肿瘤细胞都携带相同数量的突变，它们的克隆变异很高。因此，在 PD1 阻断治疗期间，许多新抗原（包括（化疗）治疗期间新产生的抗原）可以通过对肿瘤抗原具有不同亲和力的不同 T 细胞库长期靶向作用。
维持足够数量 TR-CTL 的一个重要因素是免疫检查点分子，尤其是 PD1 对 TCR 活化阈值的调节。这种调节决定了 T 细胞对信号强度的反应范围，从而决定了它们的分化命运，包括耗竭和记忆形成。
PD1 设置 T 细胞活化阈值
CTL 成功激活后不久，活化 T 细胞的命运就会多样化。一些细胞作为效应 T 细胞保持其活性，而另一些则由于过度刺激而变得无能、进入耗竭状态或发生凋亡。接受持续强烈信号的细胞需要促进其细胞代谢，但很可能会耗尽或死亡。CTL 表达 PD1 提高了激活信号的阈值，抑制了持续的过度刺激。尽管 PD1 对 TCR 信号转导的负调控对于抑制自身抗原诱导的 T 细胞活化和避免过度活化非常重要，但 PD1 信号减少了肿瘤抗原的功能性效应 T 细胞数量。相比之下，PD1阻断降低了 TCR 信号的激活阈值，拓宽了肿瘤反应性 T 细胞库。
图3. 通过 PD1 或 CTLA4 阻断调节 T 细胞活化阈值
阈值降低以三种不同的方式导致 T 细胞应答持续时间延长：
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肿瘤抗原与 TCR 低亲和力的 T 细胞，在没有 PD1 阻断的情况下不增殖，可以用 PD1 靶向治疗激活。
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TCR 自然地表现出对不同抗原的交叉反应。
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次优 TCR 与抗原的亲和力较弱。
PD1 和记忆 T 细胞生成
为了实现 ICI 治疗的持久应答，长寿记忆 T 细胞的形成非常重要。考虑到 T 细胞活化早期的 TCR 信号强度与长期记忆形成呈负相关，T细胞启动期 PD1 的缺失有望导致记忆 T 细胞的形成受损。PD1 对记忆细胞形成的影响可能取决于疾病模型的背景。例如，PD1阻断的时间、抗原持久性、TCR亲和力和配体（PDL1和PDL2）的表达水平或分布可能在抗癌免疫应答和急性感染免疫应答之间表现出较大差异。此外，记忆 T 细胞的形成可能存在最佳的 TCR 亲和力。
Treg 和先天免疫细胞中的 PD1
鉴于 Treg 细胞在肿瘤微环境中对免疫活性的抑制功能，这些细胞被认为抑制了 PD1 阻断治疗的持久应答。据报道，PD1信号转导对于维持肿瘤浸润 Treg 细胞的代谢状态和抑制功能是必要的。因此，Treg细胞上的 PD1 耗竭或 PD1 阻断会降低其免疫抑制功能，增强抗肿瘤免疫。尽管 PD1 在 Treg 细胞中表达的作用目前尚未得出结论，但应考虑 Treg 细胞上 CTLA4 表达的水平，以了解 Treg 细胞在 PD1 阻断治疗过程中的作用。
与 PD1 阻断联合治疗
当癌细胞可以逃避免疫监视时，肿瘤就会生长。免疫逃逸机制包括诱导免疫抑制细胞、产生免疫抑制性可溶性因子、下调免疫靶标（如 MHC 和肿瘤抗原）、改变肿瘤微环境和通过表达免疫检查点分子减弱 TR-CTL 的细胞毒性。
与其他免疫检查点分子抑制剂联合用药
目前获批的检查点抑制剂联合治疗包括在 PD1 阻断的基础上加用靶向 CTLA4 或 LAG3 的阻断抗体。而且，TIGIT和 TIM3 的封闭抗体也被许多研究人员和几家公司广泛研究和开发。CTLA4 与 CD28 竞争结合CD80/CD86，但亲和力高10倍以上，因此可以阻断 CD28 介导的抗原相遇后 T 细胞活化的第二信号。
与 T 细胞活化阈值的其他调节剂联合用药
除了免疫检查点分子，已知还有几种机制通过提高 T 细胞的激活阈值来下调 TCR 信号，包括 TCR 信号下游组分的泛素化，调节蛋白质降解。通过负反馈调节 T 细胞活化阈值的其他分子是磷酸酶，尤其是蛋白酪氨酸磷酸酶 (PTPs)，如SHP2，其通过 PD1 信号转导活化。在哺乳动物细胞中已鉴定的37个 PTPs 中，PTPN22已成为最近关注的焦点。PTPN22 被认为直接使酪氨酸激酶 ZAP70 去磷酸化或间接介导酪氨酸激酶LCK去磷酸化。除 PTPN22 外，磷酸酶 CD45 可能是一个有前景的靶点。CD45 通过控制LCK上 Y505 和 Y394 的去磷酸化来维持 TCR 信号并防止 T 细胞过度活化。
与靶向代谢和线粒体状态的药物联合使用
细胞的代谢活性在调节其增殖和分化中具有核心作用。鉴于 TR-CTL 的总数是 PD1 阻断疗效的最重要决定因素之一，T细胞代谢的调节是控制其质量和数量的关键决定因素。效应 T 细胞同时利用糖酵解和 OXPHOS 途径，但更强烈地依赖于糖酵解。相反，长寿记忆 T 细胞主要依赖于线粒体代谢途径，包括 OXPHOS 和FAO。因此，通过控制糖酵解和 FAO 平衡，可以调节效应 T 细胞向短寿命或长寿命 T 细胞的分化。阻断 PD1 信号可促进糖酵解，强制增强 T 细胞效应功能；然而，这种效应 T 细胞的过度激活可诱导其终末分化和凋亡。
图4. 线粒体代谢控制 T 细胞分化的命运
与微生物组调节联合使用
对肠道微生物组的研究揭示了与癌症免疫治疗领域的密切联系，因为高微生物多样性和某些细菌菌株的减少与 ICI 治疗的积极结果密切相关。微生物群的外周免疫调节由以下三种主要机制介导：(1) 免疫细胞、细胞因子和代谢物的外周循环，它们被激活或来源于肠道微环境；(2) 微生物群和肿瘤抗原之间的抗原交叉反应；(3) 微生物群易位至器官以激活外周免疫。
总结
T 细胞活化阈值和细胞内代谢平衡是决定 T 细胞命运的主要因素。记忆和效应 T 细胞分化的调节不仅对癌症免疫治疗很重要，而且对开发 T 细胞介导的自身免疫性疾病和病毒感染的疗法也很重要。对于基于 ICI 的临床癌症治疗，目前的策略是开发与肿瘤靶向化疗药物和放疗相结合的联合疗法。然而，与其他靶向 T 细胞活化阈值、能量代谢、T细胞分化和微生物群调节因子的药物联合用药正在开发中。尽管这些新的联合疗法的靶标种类繁多，但它们都旨在调节免疫细胞，而不是癌细胞，用于增强 ICI 效率。与 PD1 信号阻断相比，操纵 PD1 激动信号诱导免疫耐受的策略对于开发新的治疗方法来治疗炎症性疾病具有重要意义。
参考文献：