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细胞焦亡,癌症免疫治疗的下一个引爆点丨奇点深度

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奇点网 2021-08-02 00:58
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8月1日,由南方科技大学和腾讯公司共同主办的首届“青年科学家50²论坛” ,在南方科技大学拉开帷幕。

首届论坛的一项重要议程是:由100位“科学探索奖”获奖人,基于对当今科学热点问题的思考和对科学发展趋势的判断,提出“十大科学技术问题”

十大科学技术问题

我们注意到,“如何延缓衰老,促进机体修复,提高人类寿命”这一问题赫然在列。

这并不让人意外。实际上,在全球进入老龄化社会的今天,关注衰老问题反而显得自然而然。

就在前不久,我国发布了第七次全国人口普查数据。从年龄结构来看,2020年我国65岁及以上人口占比达到13.5%[1]。据估计,到“十四五”期间这一数字将上升到14%。这也意味着,我国将进入深度人口老龄化社会

不难想到,随老龄化而来的是衰老相关的疾病负担。2019年,中国疾病预防控制中心和美国华盛顿大学健康测量及评价研究所(IHME)合作在顶级医学期刊《柳叶刀》,发布了2017年中国疾病负担研究数据[2]。从数据来看,心脑血管疾病、恶性肿瘤和阿尔茨海默病等与衰老相关的疾病,是国人健康长寿的拦路虎

1990-2017年间中国主要死因

(图源:中国疾病预防控制中心)

不改善这些疾病的防治效果,就难以实现让国人健康长寿的理想。

实际上,在人类的历史上,有无数的人曾寻找过“长生不老”的“灵丹妙药”。时至今日,关于抗衰老的研究仍是科学家关注的热点。

在首届“青年科学家50²论坛”上,北京生命科学研究所邵峰教授从细胞焦亡(pyroptosis)助力癌症免疫治疗的角度,分享了他对“如何延缓衰老,促进机体修复,提高人类寿命”这一科学问题的看法,引起大家对细胞焦亡的广泛关注。

邵峰教授(“青年科学家50²论坛”)

那究竟什么是细胞焦亡?它为什么能助力癌症的免疫治疗?它对“延缓衰老,促进机体修复,提高人类寿命”又有什么意义呢?

细胞焦亡简史

在介绍细胞焦亡之前,有必要先简单地介绍下细胞死亡。

对于任何一个人来说,他的体内每时每刻都有细胞在死亡。实际上,细胞死亡是个体发育、组织平衡,以及衰老过程中的一个正常现象。它在调节细胞数目、促进形态发生、去除有害或者异常的细胞,以及清除已经执行完功能的细胞等方面发挥着重要的作用[3]。

细胞的死亡方式可以简单地分成两种,一种是受控的程序性死亡,一种是不受控的“意外”死亡。为我们所熟知的细胞凋亡,是最早被定义的程序性细胞死亡方式。

今天我们要介绍的细胞焦亡也是细胞程序性死亡的方式之一。

从已发表的文献资料来看,科学家第一次观察到细胞焦亡现象是在1986年

当年,美国陆军传染病医学研究所的Arthur M. Friedlander,在研究炭疽致死毒素对巨噬细胞的杀伤作用时,观察到了细胞的快速裂解死亡[4]。不过在当时,这种现象被认为是细菌毒力导致的现象。

在随后的研究中,科学家们又发现:这种细菌感染诱导的巨噬细胞死亡现象,与细胞凋亡很类似[5],但又与非炎性的细胞凋亡明显不同——这种死亡现象依赖于促炎的caspase-1蛋白酶[6]。

到了2001年,这个异常现象让华盛顿大学的Brad T. Cookson和Molly A. Brennan有了新的想法。他们将细胞的这种炎症性程序性死亡方式命名为pyroptosis,也就是现在的细胞焦亡,以便与非炎症性的细胞凋亡区分开[7]。

在随后的十余年里,科学家对细胞焦亡和细胞凋亡有了清晰的认知,发现二者之间其实存在很大的不同。邵峰教授和董娜教授2019年发表的一篇综述性文章,系统的比较了两种死亡方式的不同之处[3]。

细胞凋亡与细胞焦亡的不同之处[3]

随着对细胞焦亡机制研究的深入,一些科学家开始思考一个问题:炎性caspase蛋白酶究竟是如何导致细胞焦亡的?或者说,细胞焦亡的真正执行者究竟是谁?

解开谜底的研究出现在2015年。

在六年前的9月,邵峰团队[8]和美国的Vishva M. Dixit团队[9]背靠背在《自然》杂志发表重要研究成果:炎性caspase蛋白酶的下游是功能未知的gasdermin家族蛋白GSDMD;炎性caspase蛋白酶切割GSDMD释放其N端结构域,进而引发细胞焦亡。

不到一年后,邵峰团队又进一步解开GSDMD的作用机制:GSDMD蛋白N端片段可以识别并结合细胞膜上的磷脂类分子,在细胞膜上打孔,促使细胞膜裂解,导致细胞焦亡[10]。

此时距首次观察到细胞焦亡已经过去了整整30年的时间

细胞焦亡的机制总算是全线打通了。

那细胞焦亡为啥有望成为免疫治疗的神助攻呢?

既能“加热”肿瘤,又能“单挑”肿瘤

提起以PD-1/PD-L1抑制剂为代表的免疫检查点抑制剂,大家肯定不陌生,毕竟它们的诞生改写了癌症的治疗范式,发明免疫治疗的相关科学家也拿到了2018年的诺贝尔生理学或医学奖。

不过,免疫治疗虽“神”,但是它并没有让所有癌症患者获益。甚至实际的情况是,高达85%的癌症患者对免疫检查点抑制剂有先天或后天的抗性,这极大地限制了它在临床上的应用[11]。

究其背后原因,肿瘤微环境难辞其咎。

免疫学家Daniel Chen等在2017年提出:在免疫治疗时代,可把人体的全部癌症按照抗肿瘤免疫应答状况划分为三种——炎症型、免疫排除型和免疫沙漠型[12]。

肿瘤的三种不同表型

炎症型肿瘤就是我们所熟知的“热肿瘤”,这类肿瘤的癌细胞PD-L1表达水平高,且肿瘤内浸润免疫细胞较多,因此免疫治疗的效果较好。而免疫排除型和免疫沙漠型肿瘤,也就是我们常说的“冷肿瘤”,由于免疫细胞浸润较差,甚至没有免疫细胞浸润,免疫治疗效果不理想

对于“冷肿瘤”,目前常用的处理方式是将免疫治疗与化疗连用,还有一些科学家在探索将溶瘤病毒疗法与免疫治疗连用。实际上,这两种联合疗法之所以能提升免疫治疗效果,在一定程度上是因为化疗和溶瘤病毒疗法会杀死一些癌细胞,癌细胞释放的信号分子和抗原,将免疫细胞招募进了肿瘤里。简单地说,就是将“冷肿瘤”变成了“热肿瘤”,让免疫治疗药物有了发挥抗癌作用的基础。

去年3月份,邵峰课题组和北京大学应用化学系的刘志博课题组合作,在顶级期刊《自然》上发表的重要研究成果[13]证实:细胞焦亡显然也有提升免疫治疗效果的实力

这个研究表明,只要有一小部分肿瘤细胞焦亡,就足以激发炎症反应,改善肿瘤免疫微环境,进而激活强大的T细胞抗肿瘤免疫反应[13]。基于此,邵峰等认为,细胞焦亡带来的炎症,会引发强大的抗肿瘤免疫力,实现与免疫检查点抑制剂协同发挥抗肿瘤作用。

实验设计

在同一期的《自然》杂志上,哈佛医学院的Judy Lieberman研究组也得到了类似的结果[14]:杀伤细胞的颗粒酶Granzyme B能够直接切割GSDME,导致癌细胞焦亡,进一步激活抗肿瘤的免疫反应,抑制肿瘤生长。

不难看出,细胞焦亡确实能将“冷肿瘤”变成“热肿瘤”,进而达到增强免疫检查点抑制剂治疗效果的目的。

不过,细胞焦亡的抗肿瘤实力远不止给免疫治疗当先锋。

在发现细胞焦亡可以提升免疫治疗效果的一个月之后,邵峰团队又在顶级期刊《科学》发表了一篇重要研究成果[15],刷新了我们对抗肿瘤免疫过程的认知。

这篇研究论文指出:细胞毒性T淋巴细胞(CTLs)和NK细胞等淋巴细胞释放的丝氨酸蛋白酶Granzyme A,可以经肿瘤细胞表面的穿孔素进入肿瘤细胞,特异地高效切割GSDMB蛋白,从而导致肿瘤细胞焦亡

细胞毒性淋巴细胞诱导癌细胞焦亡的过程

从这个研究结果来看,细胞毒性淋巴细胞诱导的肿瘤细胞死亡竟也是焦亡。这就意味着靶向细胞焦亡的通路,有望开发出新的免疫治疗药物

肿瘤之外还有更大的天地

从细胞焦亡的炎症性特征我们应该能预知到,细胞焦亡在疾病领域的应用,绝对不局限于肿瘤。

我们都知道,人类的头号杀手是心血管疾病。而心血管病的基础——动脉粥样硬化——其实就是个炎症反应过程。近年来已经有研究表明,细胞焦亡相关的炎症过程,在动脉粥样硬化的进程中发挥了重要的作用[16]。甚至已经有临床研究表明, 用抗IL-1β抗体抑制炎症反应,可以有效降低心血管疾病的复发率[17,18]。

细胞焦亡诱发心血管疾病的过程

(图源:10.7150/ijbs.33568)

这就意味着对细胞焦亡的研究,将有助于心血管疾病的预防。

除了心血管疾病以外,还有阿尔茨海默病。

随着人类的寿命越来越长,被称为老年痴呆的阿尔茨海默病的发病率快速上升。

据估计,目前全球约有4400万阿尔茨海默病患者[19]。首都医科大学宣武医院去年在《柳叶刀·公共卫生》上发表的横断面研究显示:我国阿尔茨海默病患者约有983万[20]。这个数据肯定还会快速增长。

虽然β淀粉样蛋白假说和Tau蛋白假占据了阿尔茨海默病病因的主流,围绕这两个假说研发的药物也最多;但是目前仍没有能治愈阿尔茨海默病的药物出现。

实际上,除了上述两个假说之外,炎症假说一直也颇受关注。

已经有研究发现NLRP3炎症小体可以识别β淀粉样蛋白,从而在阿尔茨海默病的发病过程中起重要作用[21]。还有研究发现,敲除阿尔茨海默病模式小鼠的Nlrp3和Caspase-1基因,小鼠就不会出现空间记忆障碍等与阿尔茨海默病相关的病理状态[22]。

这意味着,科学家在研究细胞焦亡上取得的进展,或许在将来也能帮助人类防治阿尔茨海默病。

总的来说,未来围绕细胞焦亡研发的药物,有望用于防治肿瘤、心血管疾病和阿尔茨海默病等衰老相关的疾病。这对于“促进机体修复,提高人类寿命”有着重要的意义。

无论如何,期待科学家早日将基础研究成果转化成临床的治疗手段,为全人类的健康长寿服务。

参考文献:

[1].http://www.stats.gov.cn/ztjc/zdtjgz/zgrkpc/dqcrkpc/ggl/202105/t20210519_1817698.html

[2].Zhou M, Wang H, Zeng X, et al. Mortality, morbidity, and risk factors in China and its provinces, 1990-2017: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017. Lancet. 2019;394(10204):1145-1158. doi:10.1016/S0140-6736(19)30427-1

[3].董娜, 邵峰. 细胞焦亡的机制和功能[J]. 中国科学, 2019, 049(012):P.1606-1634. doi: 10.1360/SSV- 2019-0242

[4].Friedlander AM. Macrophages are sensitive to anthrax lethal toxin through an acid-dependent process. J Biol Chem. 1986;261(16):7123-7126.

[5].Zychlinsky A, Prevost MC, Sansonetti PJ. Shigella flexneri induces apoptosis in infected macrophages. Nature. 1992;358(6382):167-169. doi:10.1038/358167a0

[6].Chen Y, Smith MR, Thirumalai K, Zychlinsky A. A bacterial invasin induces macrophage apoptosis by binding directly to ICE. EMBO J. 1996;15(15):3853-3860.

[7].Cookson BT, Brennan MA. Pro-inflammatory programmed cell death. Trends Microbiol. 2001;9(3):113-114. doi:10.1016/s0966-842x(00)01936-3

[8].Shi J, Zhao Y, Wang K, et al. Cleavage of GSDMD by inflammatory caspases determines pyroptotic cell death. Nature. 2015;526(7575):660-665. doi:10.1038/nature15514

[9].Kayagaki N, Stowe IB, Lee BL, et al. Caspase-11 cleaves gasdermin D for non-canonical inflammasome signalling. Nature. 2015;526(7575):666-671. doi:10.1038/nature15541

[10].Ding J, Wang K, Liu W, et al. Pore-forming activity and structural autoinhibition of the gasdermin family. Nature. 2016;535(7610):111-116. doi:10.1038/nature18590

[11].Xiao Q, Nobre A, Piñeiro P, et al. Genetic and Epigenetic Biomarkers of Immune Checkpoint Blockade Response. J Clin Med. 2020;9(1):286. Published 2020 Jan 20. doi:10.3390/jcm9010286

[12].Chen DS, Mellman I. Elements of cancer immunity and the cancer-immune set point. Nature. 2017;541(7637):321-330. doi:10.1038/nature21349

[13].Wang Q, Wang Y, Ding J, et al. A bioorthogonal system reveals antitumour immune function of pyroptosis. Nature. 2020;579(7799):421-426. doi:10.1038/s41586-020-2079-1

[14].Zhang Z, Zhang Y, Xia S, et al. Gasdermin E suppresses tumour growth by activating anti-tumour immunity. Nature. 2020;579(7799):415-420. doi:10.1038/s41586-020-2071-9

[15].Zhou Z, He H, Wang K, et al. Granzyme A from cytotoxic lymphocytes cleaves GSDMB to trigger pyroptosis in target cells. Science. 2020;368(6494):eaaz7548. doi:10.1126/science.aaz7548

[16].Duewell P, Kono H, Rayner KJ, et al. NLRP3 inflammasomes are required for atherogenesis and activated by cholesterol crystals [published correction appears in Nature. 2010 Jul 29;466(7306):652]. Nature. 2010;464(7293):1357-1361. doi:10.1038/nature08938

[17].Ridker PM, Everett BM, Thuren T, et al. Antiinflammatory Therapy with Canakinumab for Atherosclerotic Disease. N Engl J Med. 2017;377(12):1119-1131. doi:10.1056/NEJMoa1707914

[18].Ridker PM, MacFadyen JG, Thuren T, et al. Effect of interleukin-1β inhibition with canakinumab on incident lung cancer in patients with atherosclerosis: exploratory results from a randomised, double-blind, placebo-controlled trial. Lancet. 2017;390(10105):1833-1842. doi:10.1016/S0140-6736(17)32247-X

[19].https://alzheimersnewstoday.com/alzheimers-disease-statistics/

[20].Jia L, Du Y, Chu L, et al. Prevalence, risk factors, and management of dementia and mild cognitive impairment in adults aged 60 years or older in China: a cross-sectional study. Lancet Public Health. 2020;5(12):e661-e671. doi:10.1016/S2468-2667(20)30185-7

[21].Halle A, Hornung V, Petzold GC, et al. The NALP3 inflammasome is involved in the innate immune response to amyloid-beta. Nat Immunol. 2008;9(8):857-865. doi:10.1038/ni.1636

[22].Heneka MT, Kummer MP, Stutz A, et al. NLRP3 is activated in Alzheimer's disease and contributes to pathology in APP/PS1 mice. Nature. 2013;493(7434):674-678. doi:10.1038/nature11729

本文作者丨BioTalker

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