科學家用誘導性多能幹細胞研製出真正的防癌疫苗

在2017年年中的時候，有一項臨床試驗的成功刷了奇點糕的屏——《自然》：開天闢地！美德兩國團隊同時宣布，抗癌個性化疫苗首次大獲成功，兩項臨床試驗效果喜人。

「癌症疫苗」，一直是領域內許多研究人員的夢想。我們現在所見的癌症疫苗一般都是「治療性疫苗」，通過增強免疫系統攻擊腫瘤的能力，減小、甚至消滅腫瘤。然而這和我們認知中的疫苗不太一樣，從小到大，我們接種的都是預防性疫苗，將疾病扼殺在搖籃中的那種，那癌症能不能也這樣呢？

在不久前的《細胞 幹細胞》雜誌上，斯坦福大學心血管研究所負責人Joseph Wu博士和他的同事就發表了一項癌症預防性疫苗的研究[1]，他們使用誘導性多能幹細胞（iPSCs）作為疫苗的「本體」，在小鼠中成功抑制了移植的癌細胞發展為腫瘤，有幾隻接種了疫苗的小鼠存活時間超過一年，抗體水平始終保持如初，再次移植的癌細胞也被免疫系統「團滅」。

Joseph Wu博士

他們是怎麼做到的呢？

故事要從胚胎幹細胞說起。胚胎幹細胞本身有可能癌變，發展成畸胎瘤，而癌細胞的無限增殖特性也和胚胎幹細胞有著相似之處，這種相似讓研究人員忍不住猜測，從分子角度上來說，胚胎幹細胞與癌細胞是不是也「表裡如一」的相似呢？結果研究發現，胚胎幹細胞與多種癌細胞果然「共享」轉錄組和抗原[2,3]。

那麼讓我們回想一下，傳統疫苗是怎麼做的？是將減毒或滅活的病原體上的大量抗原提呈給免疫細胞，讓免疫系統記住它們，在病原體再次入侵時就可以循著記憶去消滅。所以這就意味著，讓胚胎幹細胞來「扮演」這個病原體，它就能成為癌症疫苗了。

但是呢，胚胎幹細胞的應用有非常嚴肅的倫理問題，真正進行臨床研究或是推廣都會面臨巨大的挑戰。不過還好它們有「替身」——iPSCs，將轉錄因子用載體送入成熟細胞中，細胞會發生重編程，重獲多能性，這樣得到的iPSCs從形態和功能上都和胚胎幹細胞相似[4]，所以，研究人員希望能用iPSCs來代替胚胎幹細胞成為疫苗。

雖然來源不同，但是胚胎幹細胞（ES）和iPSCs外形相似，且都具有多向分化的能力

完成這個願望的第一步就是要驗證iPSCs是否也像胚胎幹細胞一樣和癌細胞具有相同的抗原。研究人員將11種不同來源的人源iPSCs與癌症資料庫中的數十種癌細胞系進行比較，發現它們的基因表達譜有顯著的相似性，共享表面抗原。這一點在小鼠中也得到了驗證。

接下來就是看看iPSCs做成的疫苗是不是真的能「預防」癌症了。普通的疫苗要將病原體滅活或減毒，研究人員也對iPSCs進行了射線照射處理，這樣iPSCs就不會形成腫瘤，可以安心地做疫苗了。

研究人員將小鼠分為4組，其中一組是注射磷酸緩衝液的對照組，其餘三組中，一組注射免疫刺激劑CpG寡核苷酸，一組注射iPSCs，最後一組注射iPSCs+CpG。CpG作為免疫刺激劑，可以激活樹突狀細胞、抗原呈遞細胞等免疫細胞，促進免疫應答，抑制腫瘤生長，給iPSCs打個配合。

這些小鼠每周接受一次注射，一共注射4次。準備工作做好之後，研究人員給每隻小鼠皮下注射了5x104個乳腺癌細胞，1周後，小鼠們都出現了凸起的腫瘤，但是iPSCs+CpG組明顯要小一些。4周後，研究人對每組的10隻小鼠執行了「殺一半，留一半」的政策，處死的小鼠用來觀察腫瘤的消退情況，對血液、脾臟和淋巴結進行免疫學分析，留下的5隻則用作長期觀察，看看「感染」了癌細胞後，疫苗是不是能幫助它們長期存活。

結果研究人員發現，iPSCs+CpG的組合還是非常有用的，處死的20隻小鼠中，iPSCs+CpG組有3隻已經幾乎看不到腫瘤了，另外2隻的腫瘤體積也明顯減小。通過流式細胞術，研究人員發現接種了疫苗的小鼠抑制免疫反應的調節性T細胞減少，效應T細胞、記憶T細胞和抗原呈遞細胞都增加了。

移植癌細胞4周後，被處死的4組共20隻小鼠的腫瘤生長情況，由上至下依次為iPSCs+CpG組，CpG組，iPSCs組和磷酸緩衝液對照組

其餘活下來的小鼠情況又如何呢？在其他組小鼠陸續撐不住，為科研獻出生命的同時，iPSCs+CpG組有2隻竟然平平安安的存活了1年多！並且始終具有與實驗開始時同樣的抗體水平。研究人員還嘗試了再次給它們注射5x104個癌細胞，結果癌細胞被團滅了！

為了鞏固研究結果，研究人員用黑色素瘤和間皮瘤的腫瘤細胞進行了重複實驗，都觀察到了iPSCs+CpG的抑癌效果。接下來，他們將接種過疫苗的小鼠的淋巴細胞轉移給了荷載腫瘤的未接種小鼠，發現腫瘤有了數倍的減小。而將淋巴細胞轉移給了嚴重免疫缺陷且移植了未經射線照射的iPSCs的小鼠後，與對照組相比，iPSCs發展的畸胎瘤也減小，甚至消失了。這種「雙向免疫」再次驗證了iPSCs和癌細胞之間共享抗原。

分別將接種了疫苗（C+I Immunized）和磷酸緩衝液（Vehicle）的小鼠的淋巴細胞轉移給嚴重免疫缺陷且移植了未經射線照射的iPSCs的小鼠後，小鼠畸胎瘤大小的對照

既然疫苗也可以使已經形成的腫瘤縮小，研究人員又產生了新的想法。他們對黑色素瘤小鼠的腫瘤進行了手術切除，然後給小鼠接種iPSCs+CpG疫苗，一段時間後，注射了磷酸緩衝液的對照組腫瘤原位複發，而疫苗組則完全沒有。除了切除的位置外，疫苗組引流淋巴結（腫瘤細胞沿淋巴管所能到達的淋巴結）中的腫瘤也顯著減小，癌細胞的荷載量不足20%，而對照組則超過50%！

研究的第一作者Nigel Kooreman博士認為這種方法特彆強大，因為它讓免疫系統接觸了許多不同的癌症特異性抗原和癌症相關抗原，之後，免疫系統就會警惕目標癌症的發展，在檢測到抗原表達時消滅掉它們[5]。

研究人員接下來的目標是在實驗室中對人類的癌細胞和iPSCs進行實驗。如果成功，他們設想，在未來，任何年齡的人都可以接受經過射線照射的iPSCs和CpG組成的疫苗，以阻止數月或數年後癌症的發生，或是抑制癌症的複發。而且，疫苗還有可能被用作腫瘤切除術後的輔助治療方式之一。

作為研究的主要通訊作者，Joseph Wu博士表示：「雖然還有很多研究尚待完成，但這個研究的概念本身很簡單，我們可以利用每個人的血細胞等成熟細胞製造iPSCs，以預防癌症，我對它未來應用的可能性感到非常興奮。」[5]

參考資料：

[1] Kooreman N G, Kim Y, de Almeida P E, et al. Autologous iPSC-based vaccines elicit anti-tumor responses in vivo[J]. Cell Stem Cell, 2018.

[2] Ben-Porath I, Thomson M W, Carey V J, et al. An embryonic stem cell–like gene expression signature in poorly differentiated aggressive human tumors[J]. Nature genetics, 2008, 40(5): 499.

[3] Ghosh Z, Huang M, Hu S, et al. Dissecting the oncogenic and tumorigenic potential of differentiated human induced pluripotent stem cells and human embryonic stem cells[J]. Cancer research, 2011, 71(14): 5030-5039.

[4] Bock C, Kiskinis E, Verstappen G, et al. Reference Maps of human ES and iPS cell variation enable high-throughput characterization of pluripotent cell lines[J]. Cell, 2011, 144(3): 439-452.

[5] http://med.stanford.edu/news/all-news/2018/02/induced-pluripotent-stem-cells-could-serve-as-cancer-vaccine.html

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