如今，癌症患者有多種治療方法可以選擇，但每種方法都有其缺點：化療能殺死迅速分裂的癌細胞，但也會損害體內健康細胞，而且往往不能有效防止腫瘤轉移或疾病復發。免疫療法通過作用於患者的免疫系統產生持續的抗癌應答來避免這些問題，但腫瘤產生的免疫抑制性局部環境常常使免疫療法難以接近腫瘤。
現在，一種新的兩全其美的方法將化療的抗癌能力和免疫療法的長期療效打包進一種基於生物材料的癌症疫苗，可以在腫瘤部位附近注射。當手術切除了侵襲性三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer, TNBC）的小鼠接種疫苗後接受癌細胞再挑戰時，100%的小鼠存活下來，沒有復發。來自哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所和John A. Paulson工程與應用科學學院的研究人員於11月10日在Nature Communications雜誌上報導了這項研究成果。
來源：Nature Communications
該研究的第一作者Hua Wang博士說：「像TNBC這種免疫原性差的腫瘤對目前的免疫治療仍有抵抗力。在我們開發的新系統中，免疫療法能吸引大量免疫細胞進入腫瘤，而化療能產生大量死亡癌細胞碎片，免疫細胞可以利用這些碎片產生有效的腫瘤特異性反應。」
無需等待的個性化疫苗
可注射癌症疫苗於2009年首次被開發出來，在治療小鼠多種癌症方面顯示出巨大的前景，並已在Dana Farber癌症研究所進行了治療黑色素瘤的臨床試驗。
在最初的疫苗配方中，癌細胞中發現的被稱為腫瘤相關抗原（TAA）的分子與阿司匹林大小支架內的佐劑結合在一起，這樣一來，到達的樹突狀細胞就可以識別出它們是「外來的」，並啟動針對腫瘤的免疫應答。這些TAA可以從採集的腫瘤中分離出來，也可以通過對癌細胞基因組進行測序來鑑定，然後再進行生產，但是這兩種製造個性化癌症疫苗的過程都是漫長且昂貴的。
「開發腫瘤疫苗的關鍵限制因素之一是對TAA的選擇，由於目前我們僅有非常小的少數特定腫瘤細胞株已知抗原庫，因此很難預測哪種抗原能產生有效的免疫反應，」共同第一作者Alex Najibi說道，「在疫苗支架內植入化療藥物會導致癌細胞大量死亡，使TAA直接從腫瘤中釋放給樹突狀細胞，從而繞過了漫長而昂貴的抗原研發過程。」
樹突狀細胞（黃色）從腫瘤細胞中提取抗原，攜帶到淋巴結和脾臟，在那裡它們被呈遞給對腫瘤進行免疫攻擊的T細胞。（來源：哈佛大學Wyss研究所）
Wang、Najibi和他們的同事開始將這種新的癌症疫苗策略應用於TNBC。研究小組首先將一種叫做粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）的蛋白質分子裝載在海藻酸水凝膠支架上。GM-CSF刺激樹突狀細胞的發育和聚集，樹突狀細胞吸收來自腫瘤和其他入侵者的抗原，並將其呈遞給淋巴結和脾臟的T細胞，以啟動免疫應答。他們還添加了與一種叫做iRGD的肽相連的化療藥物阿黴素（Dox）。iRGD已知可穿透腫瘤，並幫助阿黴素釋放後靶向腫瘤。
當化療藥物阿黴素（紅色）與腫瘤浸潤分子iRGD結合時，它有效地滲透到TNBC（藍色）中攻擊它們（左）。
未經此修飾的阿黴素主要保留在水凝膠中，不會遷移到腫瘤中（右）。（來源：哈佛大學Wyss研究所）
當TNBC模型小鼠注射新型疫苗時，與接受包含阿黴素-iRGD的凝膠、未經修飾的阿黴素或未治療組相比，接受載有GM-CSF和阿黴素-iRGD結合物凝膠的小鼠顯示出明顯更好的藥物對腫瘤的滲透性，增加的癌細胞死亡，以及更少的肺部轉移性腫瘤。對凝膠支架的分析表明，它們已經積累了大量的樹突狀細胞，表明疫苗的免疫治療和化療成分都是有效的。
在這些結果的鼓舞下，研究小組隨後在疫苗中添加了第3種成分CpG，這是一種合成的細菌DNA序列，已被證明可以增強免疫應答。與接種不含該成分疫苗的小鼠相比，接種了具有這種添加劑的疫苗的小鼠腫瘤生長速度明顯減慢，存活時間更長。
載有趨化因子（GM-CSF）、佐劑（TLR9激動劑CpG）和化療藥物（Dox-iRGD）的生物材料支架組成的原位腫瘤疫苗示意圖。在腫瘤周圍注射生物材料，Dox-iRGD被釋放並穿透腫瘤，誘導腫瘤細胞免疫原性死亡，釋放的趨化因子可在支架部位積聚大量未成熟樹突狀細胞。積聚的樹突狀細胞可以吸收和處理腫瘤抗原，同時被佐劑激活，以激發腫瘤特異性T細胞，從而殺死腫瘤細胞。（來源：Nature Communications）
為了評估這種由3部分組成的疫苗產生的免疫應答的強度和特異性，研究人員從小鼠的淋巴結和脾臟中提取並分析了細胞。令人吃驚的是，14%的淋巴結來源T細胞對腫瘤細胞產生了反應，這表明它們已經被樹突狀細胞「訓練」成可靶向腫瘤。相比之下，接受了兩組分疫苗的小鼠和未經治療的小鼠中分別只有5.3%和2.4%的T細胞對腫瘤細胞有反應。此外，在注射疫苗12天後給予一劑「增強」疫苗可以進一步延長他們的存活時間。
局部作用，長期保護
雖然這些結果揭示了疫苗對激活免疫系統的作用，研究小組還想了解它是如何影響局部腫瘤微環境的。對疫苗及其附近腫瘤的分析表明，用含有GM-CSF、Dox-iRGD和CpG的凝膠治療的腫瘤細胞表面的鈣網蛋白增加，這是細胞死亡的一個指示。此外，接種了3組分疫苗的小鼠也顯示出更高數量的促炎巨噬細胞，其與提高抗癌活性和延長生存期有關。
研究人員還發現，他們的治療使腫瘤細胞表面蛋白PD-L1的表達增加，而腫瘤則利用這種蛋白逃避免疫檢測。他們預測疫苗聯合抗PD-1治療阻止這種免疫逃避有助於提高療效，並對此進行了驗證。實驗結果顯示用凝膠疫苗和抗PD-1聯合治療的小鼠顯示腫瘤的大小和數量顯著減少，平均存活40天，而未治療的小鼠存活27天，單獨接受PD-1抗體的小鼠存活28天。這種協同作用表明，疫苗可能最好與檢查點抑制劑療法結合使用。
來源：Nature Communications
研究的最後，科學家們還測試了這款新型癌症疫苗在原發性腫瘤切除後預防癌症復發的能力。他們手術切除了小鼠的TNBC腫瘤，然後在腫瘤原發部位附近注射3組分凝膠疫苗或含有所有成分的液體疫苗。兩個治療組的腫瘤復發率均顯著降低，但凝膠疫苗使腫瘤生長明顯減慢，生存率提高。接著，通過注射癌細胞對小鼠進行再挑戰，令人吃驚的是，接種了凝膠疫苗的小鼠100%存活下來，沒有轉移，而所有未經治療的小鼠都死於該疾病。
來源：Nature Communications
通訊作者David J. Mooney博士說：「這種疫苗能夠在不需要識別患者特異性抗原的情況下引發強有力的免疫應答，這是一個主要優勢。其次，局部化療藥物遞送的能力可以避開全身化療的嚴重副作用。此外，這種疫苗不僅能在原位激活腫瘤特異性TAA的樹突狀細胞，還能重塑腫瘤微環境，使免疫系統更容易接觸腫瘤，並產生免疫記憶，防止進一步復發。」
該團隊正在繼續探索化療與癌症疫苗的結合，並希望能提高它們對其他難以治療的腫瘤模型的抗癌效果。研究小組希望未來的研究能更好地理解和優化該系統，使其能夠進入臨床試驗，並最終造福患者。
「最新版本癌症疫苗是一種新型多功能抗癌療法，為多種癌症的治療帶來了新的希望。它本質上是一種結合化療的全新形式，可以通過單次注射給藥，並且可能比現在使用的傳統療法具有更高的療效和更低的毒性。」哈佛大學Wyss研究所創始主任Don Ingber博士總結道。
參考資料：
1# Biomaterial-based cancer vaccine combines chemo and immunotherapy to treat triple-negative breast cancer (來源：Medical press)
2# Hua Wang et al. Biomaterial-based scaffold for in situ chemo-immunotherapy to treat poorly immunogenic tumors. Nature Communications (2020)