我们人体的免疫系统可以识别并且杀死癌细胞，然而癌细胞还是能逃脱免疫系统的追杀。
那么癌细胞是如何逃脱的呢？immune checkpoint (免疫检查点)起到了关键的作用。通过抑制T细胞，它可以抑制肿瘤微环境（TME）中免疫系统对肿瘤的防御力。
相对的，阻断immune checkpoint可以重新激活T细胞，帮助免疫系统清除癌细胞。
在众多的immune checkpoint中，PD-1是一个重要的靶点。在这篇文章中，我将配合思维导图帮大家详细了解PD-1免疫疗法的那些事儿。
表达 (Expression)
Naive T细胞在TCR信号通路激活的时候，会飞快地表达PD-1。而当T细胞被连续不断地刺激时，T细胞会变成exhausted T，会持续性地表达很高的PD-1。
除了在CD4, CD8 T细胞上有表达，PD-1在Treg, B, NK, NKT细胞也有表达。
目前已知的PD-1的ligand有两个：
- PD-L1 (CD274)
- PD-L2 (CD273)
和PD-L1相比，PD-L2跟PD-1有更好的粘性，但是表达范围没有PD-L1那么广。
PD-L1在很多种细胞上都有表达。免疫细胞中有T,B, macrophage,DC；非免疫细胞中有epithelial (上皮细胞), stromal（基质） 和endothelial (内皮细胞)。
PD-L2的表达主要集中在免疫细胞上，比如DC, macrophage, B, Th2细胞。至于非免疫细胞，PD-L2会在上皮细胞有表达，尤其是肺的上皮细胞。
很多跟发炎有关的分子都可以刺激PD-L1/2的表达，比如IFNg，至于其它的分子大家可以参照上图。这个现象总结一下就是：发炎–>PD-L1/2增高 –>免疫细胞被抑制 ，属于“负反馈”调节。在免疫学中，这也叫adaptive immune resistance （后天免疫抵抗性）。这种抵抗性在健康的人体中是用来保护正常组织，但在病人中却可以帮助肿瘤细胞逃脱。
除了和PD-1结合，PD-L1和PD-L2还可以和其它分子结合。
- PD-L1和T细胞上的B7-1 (CD80)结合，来抑制T细胞。
- PD-L2和RGMb结合，调节肺部的T细胞。
PD-1信号通路
PD-1的信号主要会经历以下几步：
- PD-1 cytoplasmic部分的tyrosine motifs的磷酸化，也就是ITIM（immune-receptor tyrosine based inhibitory motif）和ITSM (switch motif)的磷酸化。
- 磷酸化会招来并激活SHP2（去磷酸的酶）
- SHP2会抑制 Zap-70 (TCR signaling)和PI3K (CD28 co-stimulatory signaling)
- TCR/CD28信号降低，T细胞活性被抑制。
PD-1信号激活之后有什么后果呢？
- T细胞活性被抑制
- T细胞周期停留在G1
- 细胞毒性(cytotoxic)物质降低
- 凋亡因子上调，比如Bim
- T细胞的机动性和与DC接触的长度发生改变，使得DC没法有效地激活T细胞
- T细胞内新陈代谢的变化，正常T细胞新陈代谢一般是用glycolysis, 但是在抑制的T细胞中，glycolysis降低，更多的是fatty acid oxidation。
- PD-1信号的激活会涉及它的ligand，表达ligand的细胞会受到影响。
- 实验证明，anti-PD-L1可以影响肿瘤细胞的活性，换而言之，PD-L1信号激活可以促进肿瘤细胞。
现在我们知道了PD-1信号激活对于T细胞的影响了，那么它在我们人体内主要有什么功能呢？
PD-1的功能
- 参与T细胞在thymus（胸腺）内的成长
这里我科普一下T细胞是如何在胸腺内走向成熟的。
下图中蓝色的部分是胸腺，始祖T细胞会从骨髓中迁移到胸腺。
始祖T在胸腺中会经历以下几个阶段：
Double-negative是CD4-CD8-; double-positive 是CD4+CD8+
TCR有两种，αβ TCR和 γδ TCR。我们经常说的CD4 T细胞和CD8T细胞都属于αβ这一类。
αβ这个名字来源于TCR结构的两条链，如下图。
对于普通的T细胞，也就是αβ T细胞，DN2到DN3阶段是进行β链重组，重组成功之后，会先和一个假的α链 (pTα, pre-TCRα)配对，表达在细胞膜上，并且释放一个信号，使得另一个chromosome上的β链停止重组(因为我们chromosome都是一对一对的嘛，一条来自妈妈，一条来自爸爸)，这个信号同时会促进细胞表达CD4和CD8，因此形成了Double positive (DP) T细胞。
DP阶段中，α链会进行重组，来自父母双方的两条chromosome上的α链会同时重组，好处是如果其中一个α链重组失败，还有另一条。坏处是，容易形成有两种TCR，即α1β和α2β，但这个问题可以由post-translation（翻译后修饰）来解决。
拥有完整TCR的T细胞会经历正向选择（positive selection）和负向选择(negative selection)。
正选可以决定T细胞最后是CD8还是CD4 T细胞。DP T细胞的TCR会和胸腺上皮细胞（thymic epithelial cell, TEC）的MHC相接触。如果TCR识别MHCI，最后会变成CD8；如果识别MHCII，最后会变成CD4。如下图。
这个TCR和MHC的接触只能是浅尝辄止，如果二者契合度过高，细胞就会凋亡，从而形成了负向选择，如下图。
负向选择主要由胸腺DC和胸腺上皮细胞负责。胸腺上皮细胞可以表达我们人体很多器官特有的抗原，这个表达主要是由转录因子AIRE来调控，上皮细胞还可以把这些抗原传给DC。一旦T细胞识别这些抗原，就会立即凋亡。因此，负向选择可以帮我们消除自身免疫（即免疫细胞不会攻击我们自身）。
这基本就是T细胞在胸腺中走向成熟的全过程了，下图是一个概括。
成熟的T细胞也叫naive T，会转移到2nd lymphoid tissues(淋巴组织)，即下图。
以上就是T细胞在胸腺内的成长历程。
回到PD-1，实验证明，PD-1可以影响T细胞的正向选择。缺失PD1或PD-L1的小鼠在胸腺拥有更多的DP T细胞。至于如何影响T细胞库，目前还不是非常清楚。
PD-1除了会影响T细胞库，还会对secondary lymphoid tissue中的naive T细胞有影响。
- PD-1可以左右naive T细胞的命运
- DC 和 T细胞接触时PD1的信号会决定naive T细胞是否被激活 （activation or tolerence）
除此之外，PD-1还可以保护我们身体的器官。
- PD-1保护器官不受到免疫细胞的攻击
- 在EAE 模型中，self-react T细胞会表达很高的PD-1，器官会表达很高的PD-L1
- PD-1缺失的老鼠有很强烈的自身免疫。
[关于EAE模型，全称是experimental autoimmune encephalomyelitis, 是一种免疫实验里常见的模型。主要是把CNS(中枢神经系统)的蛋白，比如myelin相关物质–>PLP, MBP, MOG，和adjuvent混合（常用CFA），皮下打入到老鼠体内进行immunization。老鼠之后会产生抗CNS的免疫细胞，形成自身免疫。]
长期病毒感染的PD-1
在长期感染(chronic infection)中，T细胞会不再产生IL-2, TNF, IFNg，而是进入了exhaustion（衰竭）状态。
- 连续不断的抗原/TCR刺激使得T细胞高表达PD-1
- 长期感染会促成很多发炎分子的产生，这些分子会刺激T细胞使其维持PD-L1的高表达
注意的是，PD-1的高表达对于T细胞的衰竭并不是诱因，而是起维持作用。
- 去掉PD-1，衰竭的T细胞会变成彻底衰竭(terminally exhausted)的T细胞
- 彻底衰竭的T细胞不会再被重新激活。
PD-1和肿瘤
研究PD-1/PD-L1在肿瘤中的作用主要会问两个问题：
- 是肿瘤的PD-L1影响力大？
- 还是体内（host-derived）的PD-L1影响力大？
[关于host-derived PD-L1: 文章的第一部分我们说了PD-L1的表达，它存在于T,B, macrophage,DC, 所以host-derived PD-L1其实就是看这些细胞对于清除肿瘤的重要性。]
验证第一个问题，往往需要在肿瘤细胞里敲掉PD-L1，再打入老鼠体内观察肿瘤生长即可。
验证第二个问题，则需要在PD-L1缺失的老鼠，把肿瘤细胞打入，再观察肿瘤生长。
不同的肿瘤类型，给出的答案也不一样。
在MC38肠癌这种免疫性很强（high immunogenic）的肿瘤里，PD-L1是更重要的，因为敲掉PD-L1大大地降低了MC38肿瘤的生长。
而在没那么免疫性强的肿瘤里，比如在B16和D4m黑色素瘤中，host-derived的PD-L1更为重要。
在通过用PD1/PD-L1阻断抗体来清除肿瘤的过程中，其它因素也必不可少：
- T细胞需要在场
- 需要BATF3+ DC用来表达抗原
- 需要DC STING激活，并且分泌IFNg来起始（initiate）清除。
- 需要一些微生物的合作，帮助DC。（原理未知）
- 抗体fc的部分和macrophage的协作。
- 等等……
PD-1/PD-L1的阻断抗体和其它药物的组合
临床PD-1/PD-L1的阻断抗体
以上是目前批准的阻断抗体（欢迎大家来补充），但我觉得知道nivo是anti-PD1 和ipi是anti-CTLA4就够了。
在人体中，这些抗体被发现可以促进血液中CD8细胞的繁殖，即有更多的Ki67+ CD8细胞。
另一个问题是，抗体的效果是取决于PD-L1在APC的表达还是PD-L1在肿瘤上的表达？
这个回答一直是有争议的。在一些肿瘤中，PD-L1表达和抗体的效果呈正相关，而在一些肿瘤中，二者根本没有相关性。
还有一些证据则表明，抗体的效果取决于APC和T细胞之间是否有B7/CD28结合，这意味着APC也相当重要。
由于人体里不能做基因敲除的实验，所以抗体的在人体内的效果到底是取决于哪一方并不是很清晰。
PD-1/PD-L1阻断抗体的效果预测
众所周知，PD-1/PD-L1抗体不仅价格昂贵，在人体内还有一些副作用。而且这些抗体只在一部分患者体内有效果。因此，预测抗体是否有效就变得很重要了。
目前的方案：
- 根据肿瘤中PD-L1的表达来预测
- 比较难，虽然在肺癌患者中，PD-1抗体只允许给肿瘤表达PD-L1的患者用，但并不意味着PD-L1的表达可以当作绝对指标。事实上在肾癌和膀胱癌中，PD-L1和抗体效果根本没联系。
- 通过MHC1的抗原来预测，即通过neoantigen来预测
- 看肿瘤的突变量(tumor mutational burden)
- 肿瘤内基因突变量越高，抗体效果往往越好
- 看肿瘤内转录因子表达的规律
- 比如看IFN信号通路的基因表达，目前在临床三期（phase III）测试IFN通路上16个基因的表达和抗体效果的关联。
对抗体的抵抗性
为什么抗体对于一些病人无效呢？
研究发现，有以下几个原因：
- MHC1 的表达出问题了
- 患者如果缺失B2M，抗体治疗就会无效。B2M参照下图的A
- 肿瘤内Wnt/b-catenin通路激活
- 这条通路激活的肿瘤往往是cold tumor，即免疫细胞缺失的肿瘤。
- IFN通路缺失
- 研究发现，在那些对CTLA-4抗体疗程没反应的患者中，他们的肿瘤有IFN通路上基因的缺失。
- 还有其它的inhibitory checkpoint (免疫检查点)尚未未阻断
- 在肾癌（RCC）中，同时阻断CTLA-4和PD-1才会有效。
- 等等，欢迎来补充
———————————–我是结束的分界线————————————–
说了这么多，不知道你对PD-1/PD-L1有没有一些了解了呢？欢迎大家在下面留言喔，我也会定期来补充新的东西：）
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：科科
【知乎日报】千万用户的选择，做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载