前言

免疫检查点抑制剂(ICIs)正在深刻地改变许多癌症的治疗前景。一种T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)抑制剂和6种程序性细胞死亡蛋白途径抑制剂(PD-1/PD-L1)已获得美国食品和药物管理局(FDA)对多种恶性肿瘤的监管批准。尽管有些人可以获得持久的完全缓解,但这些药物作为单一疗法的总有效率(RRs)依然很低(15%-20%)。

对ICIs反应的差异性突出了识别预测性生物标志物的必要性。免疫组织化学(IHC)检测PD-L1表达是最直观的预测生物标志物之一。另一个最近引起广泛关注的生物标志物是肿瘤突变负荷(TMB),它是衡量肿瘤突变数量的指标;突变越多,新抗原越多,其中一个或多个自身新抗原具有免疫原性并触发T细胞反应的几率就越高。许多研究报告了较高的TMB和ICI疗效之间的联系,表明TMB可能是一个良好的预测性生物标记物。

TMB的定义及测定

TMB的概念定义是肿瘤标本中出现的突变总数。根据不同的方法,针对TMB考虑的基因改变类型的实际定义有所不同。TMB的特征最初是通过全外显子组测序(WES)来完成的,WES本质上认为遗传改变仅限于外显子(编码区域)。WES的TMB计算包括编码区的非同义突变,并通过减去匹配的正常样本排除种系变化。

基金会医学开发的324个基因(相当于1．1MB编码基因组)的全面基因组分析检测试验(FoundationOne),被证实是WES对TMB的准确评估。最近, FDA批准了该检测方法,作为对于>10个突变/Mb的TMB患者使用pembrolizumab的辅助诊断。

FoundationOne分析还包括其TMB中的同义突变和内含子区的插入缺失标记(Indels),这些都不包括在WES中。Indels通常会产生新的DNA开放阅读框,从而产生一个全新的肽段,这些肽段可能有更高的机会编码免疫原性新抗原。

另一个FDA批准的NGS检测试验是MSK-IMPACT,该试验目前确定了468个癌症相关基因(约1．2MB)的体细胞外显子突变。

TMB与肿瘤免疫应答

免疫逃避是肿瘤的一个重要特征。T细胞通常识别由突变产生的新抗原,并由癌细胞表面的主要组织相容性复合物(MHC)蛋白呈现。为了生存,肿瘤劫持了通常作为检查点的蛋白质来削弱免疫系统对其的杀伤作用。

通过阻断免疫检查点蛋白,如PD-1、PD-L1和CTLA-4,免疫系统可以被重新唤醒。然而,一旦活化,T细胞必须仍然能够将肿瘤与正常细胞区分开来。如果肿瘤细胞表面存在免疫原性新抗原,则有助于对肿瘤细胞的识别。由于新抗原是由突变产生的,突变的数量越多(即TMB越高),MHC蛋白所呈现的一些新抗原具有免疫原性的可能性就越大。在此基础上,高水平的TMB与ICI治疗后更好的结果相关也就不足为奇了。

然而,任何将TMB的预测能力二分法的尝试都是不完美的,因为理论上,T细胞识别的新抗原可以起源于低突变环境(尽管可能性较低);相反,大量突变并不一定转化为免疫原性新抗原。

影响TMB作为抗癌免疫治疗生物标记物的环境和宿主因素

几种不同的因素可能会导致肿瘤细胞基因组的改变,其数量可以通过TMB进行量化。环境因素(例如,紫外线)和DNA编辑错误(MSI)导致不同特征下的突变模式。每一个特征不仅可能影响突变的数量,还可能影响作为突变体负载的新抗原的质量和免疫原性。

宿主的固有特性也会影响新抗原的呈现和识别。例如,MHC多样性定义了新抗原的呈现程度,而TCR群集可以定义新抗原识别。表观遗传调控(如组蛋白修饰和DNA甲基化)也可能影响宿主产生有效免疫反应的能力。

TMB作为生物标记物的应用与挑战

TMB作为免疫治疗早期患者预后标志物的作用

临床上,TMB与PD-1/PD-L1抑制剂的客观反应之间存在显著相关性。在使用ICIs治疗的151例晚期实体瘤患者中,TMB低水平患者的RRs为5%(<5个突变/Mb),TMB中间患者的RRs为25%(6-19个突变/Mb),TMB高水平患者的RRs为45%(>20-49个突变/Mb),以及TMB非常高的个体(>50突变/Mb)的RRs为65%。

将鳞状细胞与其他组织学进行比较也是相关的。鳞状细胞肿瘤的TMB高于非鳞状细胞癌,其中皮肤鳞状细胞瘤的TMB最高,41%表现为非常高的TMB(>50突变/Mb)。在接受免疫治疗的鳞状细胞癌患者中,较高的TMB(>12突变/Mb)与显著更好的预后相关,皮肤鳞状细胞癌的ICI临床受益率最高。

低TMB并不排除对ICIs的反应

即使在TMB较低的情况下,ICIs也可以有效,尽管患者的百分比很小(5%)。例如,卡波西肉瘤是一种病毒相关的恶性肿瘤,对ICI有反应。事实上,接受抗PD-1单药治疗的9名患者中有6名(67%)获得了完全或部分缓解;所有患者的TMB均较低,PD-L1阴性。

Merkel细胞癌是另一个有趣的例子,其中晚期患者的ICI 治疗RRs约为56%。Merkel细胞癌可能与紫外线或默克尔细胞多瘤病毒感染相关,而由紫外线引起的Merkel细胞癌呈高水平TMB,带有Merkel细胞多瘤病毒的Merkel细胞肿瘤呈TMB低水平,但病毒抗原本身具有免疫原性。

TMB作为复合生物标志物的一部分来预测ICI的预后

开发精确的ICI反应预测因子需要深入了解免疫反应和耐药的复杂性,并将多个变量整合到复合生物标记物中,该生物标记物可能包括TMB、PD-L1、PD-1的表达和其他检查点,并考虑其表达的细胞,肿瘤分子特征、新抗原免疫原性等多方面特征。这一整合的概念模型被称为“癌症免疫图”。

癌症免疫图的七个参数类别之一是肿瘤外来性。虽然TMB在定义新抗原的质量方面有其局限性,但它可以被视为外来性的一个代表。癌症免疫图的其他参数包括与免疫浸润和代谢相关的生物标志物、抑制剂的缺乏、检查点状态以及肿瘤对免疫效应剂的敏感性。这个模型的一个关键方面是设定肿瘤免疫系统为动态的,是随着疾病的发展而变化的。因此,在这个复合系统中,生物标志物可以随着疾病的发展而增加或移除。

小结

多方面的证据表明,较高的TMB与ICI治疗后更好的结果相关。尽管FDA最近批准了抗PD-1抗体pembrolizumab在TMB >10突变/Mb的实体瘤中的应用,并且正在开发评估TMB的血液测试,但作为临床生物标记物,TMB的进一步开发仍面临许多挑战。

例如,TMB对免疫疗法与靶向药物或化疗联合应用的预测价值尚未确定。此外,认识到低TMB患者中有一小部分(5%)对ICIs反应良好,而超过50%的高水平TMB患者无反应,这一点至关重要。这反映了免疫系统的复杂性,需要将多个其他变量纳入一个复合生物标记物中,以便更准确地预测ICI结果,并充分发挥免疫治疗的潜在益处。

参考文献:

1．The Challenges of Tumor Mutational Burden as an Immunotherapy Biomarker． Cancer Cell

． 2020 Oct 14;S1535-6108(20)30495-5．