Targeting immunosuppressive adenosine in cancer

尽管靶向PD1、PD-L1或CTLA4的抗体在治疗癌症中发挥了历史性的疗效，可是还有相当一部分人群对这类治疗不响应（先天性耐受），还有三分之一的人群治疗后有复发的病症（获得性耐受），这也从侧面表明在肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）中同时存在其他的免疫耐受的机制。其中一个主要免疫耐受机制与腺苷通路相关，近期的试验结果让人们觉得她也是一个可成药的医疗靶点。该通路在缺氧的肿瘤中容易被活化，细胞外的腺苷可通过肿瘤固有的（tumor-intrinsic）和宿主介导的（host-mediated）分子机制造成机体免疫耐受。临床前小鼠内的实验显示腺苷受体（adenosine receptor）的拮抗剂和抗体可抑制肿瘤的生长，目前，靶向该通路的药物单独用药、与PD1或PD-L1抗体联用的临床试验正在开展。与Tryptophan和IDO、Arginine和Arginase、Opioid和Opioid receptor等等通路类似，Adenosine和Adenosine receptor与免疫系统有着神秘而复杂的联系，在原发性肿瘤的发生和肿瘤的转移中也有重要作用。

在研究TME的过程中，肿瘤内的低氧环境可直接影响代谢和免疫网络的变化，与肿瘤细胞的增殖、存活息息相关。早在1955年人们就知道肿瘤内部分区域处于异常缺氧状态，只是在过去二十年前人们才对该现象在TME中的影响开启机制研究。低水平的氧气限制了能量的转移与利用，使得细胞外部积累大量的ATP，细胞内部的腺苷水平也会随着腺苷激酶活性的下降而升高，同时也会释放到细胞外部。与此同时，细胞膜表面经缺氧诱导表达的外磷苷酸酶也会使得肿瘤细胞外的AMP和腺苷的水平会增高。高水平的腺苷会影响效应T细胞、记忆T细胞，以及CD8+杀伤性T细胞的活化。[1]2015年Hatfield, S. M等人报道了呼吸性缺氧对肿瘤发生的作用，并直接表明抑制厌氧过程和降低腺苷的水平可增强机体对抗肿瘤的免疫能力，并且报道60%的氧气可通过腺苷受体（A2AR）缓解肿瘤因厌氧导致的肿瘤增殖和转移。[2]

Adenosine inhibits expansion of naïve CD8 T cells after αCD3/CD28 activation[1]

分泌到细胞外的ATP开始可经P2 嘌呤受体（P2XRs和P2YRs）将信号传递下去，增强机体的免疫能力，也可快速水解成腺苷，与P1嘌呤受体（也被称为腺苷受体）结合后减缓免疫细胞的渗入和活化。外核苷酸酶（ectonucleotidases）CD39（也称NTPDase 1）和CD73（也称5’-NT）是引起TME腺苷水平上调的主要因素，其中CD39主要促进ATP转变为ADP或AMP，而CD73催化AMP到腺苷的转变。细胞外积累的腺苷可通过与其对应的受体结合继续发挥调节功能，常见的腺苷受体有A1R，A2AR，A2BR和A3R。

Simplified illustration of extracellular purinergic signaling [3]

一般来说，A2BR对腺苷的亲和力相对较低，在肿瘤TME中高浓度腺苷（~25 uM）的条件下才会活化，而其他三个受体可响应较低的腺苷水平（250-700 nM）；对下游cAMP通路的影响也不同，A2AR和A2BR可激活cAMP通路，减缓机体验证效应，保护组织损伤，也与免疫耐受相关[4, 5]，而A1R和A3R可抑制cAMP的生成，由此这两个受体可认为是增强免疫的腺苷受体。

现在人们知道，A2AR抑制剂可增强抑制肿瘤的效应主要是通过调节免疫细胞的功能，如提升细胞毒淋巴细胞的杀伤力、阻止免疫耐受的细胞被募集到TME中。[5]相比而言，A2BR与CD73可通过肿瘤细胞固有的和宿主介导的两种方式发挥促癌效应（pro-tumor effects）。CD39广泛表达于多种癌细胞和免疫细胞中，近期的数据显示她也可同时调节肿瘤细胞和免疫细胞。在免疫细胞中，A2AR和CD73主要降低NK和CD8+ T细胞的活性，也可通过CD4+CD25+FOXP3+的调节T细胞（Treg cell）发挥作用，A2AR主要可通过骨髓细胞组织细胞毒淋巴细胞的功能。[6]

根据不同受体作用机理的不同，在药物开发中可考虑组合用药的疗法，在小鼠的体内可见到双靶向A2AR和CD73可抑制初期肿瘤的增长和在肺部的转移。[7]此外，靶向腺苷受体药物也可和免疫检查点阻断剂、化疗、靶向治疗和获得性细胞疗法（adaptive cellular therapies, ACT）的药物联用来改善抗癌作用。目前多个临床试验正在进行，比如靶向A2AR的NCT02403193，NCT02655822和NCT02740985，以及靶向CD73的单抗NCT02503774。

癌症中的腺苷分子

肿瘤细胞能克服千难万阻，在极度缺氧的肿瘤微环境中得以生存，依然练就一身本领，相对于安逸的正常细胞而言，实属危险之极。缺氧条件下，营养供应稀缺，各种细胞需要竞争葡萄糖的利用，这个过程中肿瘤细胞可占据先机，进而抑制了淋巴细胞的增殖和功能，是的肿瘤细胞逃避免疫系统的监控而躲到较远的组织和器官。这里面有一个关键成员HIF1α（hypoxia-inducible factor 1α），是在厌氧条件下活化的转录调节因子，可以高效诱导CD39、CD73和A2BR的表达，如此肿瘤细胞中腺苷受体通路异常活化也就不足为奇了。A2AR主要是由NF-κB调控，只是人们对A2AR和免疫细胞之间的关系还不是非常清楚。

免疫抑制是癌症中常见的特征，而寻找一种方式接触这种抑制是抗癌的一种策略，靶向腺苷受体也是目前较为流行的手段。A2AR和A2BR在肿瘤微环境中可诱导cAMP，进而抑制免疫效应，常见于三阴性乳腺癌、多发性骨髓肿瘤、急性髓性白血病和脂肪肉瘤等疾病中。

Involvement of adenosinergic molecules in human cancers[8]

腺苷分子经多方面的功能可引起肿瘤微环境中高强度的免疫耐受，而靶向抑制疗法不仅可减缓其对免疫的耐受，与CD39阻断剂联用可提升肿瘤微环境中ATP的积累，通过P2嘌呤受体可启动免疫原性细胞死亡（immunogenic cell death, ICD），而死亡的肿瘤细胞又会引发新的效应，增强免疫系统的攻击能力。此外，降低腺苷分子的水平也会直接影响到肿瘤细胞、基质细胞和一些免疫细胞的功能。高水平的环化的腺苷酸（或环磷酸腺苷，cAMP）可抑制细胞毒性淋巴细胞的增殖和效应功能，却可以增强免疫耐受细胞的发成与肿瘤渗入的能力，如Treg 细胞、髓样抑制细胞（myeloid-derived suppressor cells, MDSCs）、B 细胞核肿瘤相关巨噬细胞（tumor-associated macrophages, TAMs）等。

在DC细胞中，活化的CD39、A2BR和A2AR可减弱DC的抗原递呈能力并抑制部分T细胞的活化，A2BR也可促进细胞分泌VEGF、IDO等蛋白影响免疫细胞的活性；在初始CD4+ T细胞中，A2AR的活化可以通过FOXP3和LAG3通路促使细胞分化成Treg细胞，该细胞自身高表达CD39和CD73，增强了免疫抑制调节的潜力，也可抑制CD8+ T细胞和NK细胞的杀伤能力；与之类似的还有B细胞，也可以抑制T效应细胞的功能，并诱导分泌IgA和IgG类型的抗体；肿瘤相关巨噬细胞的A2BR的活化可诱导细胞内Arginase活性上调，进而可活化M2巨噬细胞，抑制CD4+ T细胞功能；许多靶向肿瘤的小分子抑制剂也会削弱T细胞的活性，T细胞的活化、增殖和杀伤也需要RAS/MAPK， PI3K/mTOR， HDAC和CDK等通路。[9]

靶向腺苷分子通路

人们很期待靶向腺苷分子通路的临床实验结果，比如CPI‑444（from Vernalis, licensed by Corvus Pharmaceuticals), PBF‑509 (from Palobiofarma, licensed by Novartis) 和AZD4635 （from Heptares, licensed by AstraZeneca) 等靶向 A2AR 已在Phase I，与PD-L1的抗体联用用来治疗癌症。此外，腺苷通路与其他靶向致癌基因的疗法在临床上也有一定的相关性，有数据显示小鼠携带Braf突变的肿瘤可同时使用BRAF或MEK与A2aR的联合抑制；厌氧的肿瘤对放疗有一定的抑制，并且高表达HIF1α，可以考虑放疗的同事加入A2aR的抑制剂来提升临床效果；此外，与抑制血管发生的靶点（如VEGF和FGF）或是调节其他代谢通路的分子（如IDO, Arginase）联合使用也可以考虑，只是需要更多的尝试。

这篇草稿搁置了这么久，实在是没有时间继续跟进，感觉需要查阅、学习的therapeutic targets太多，目不暇接。不过我的心中还是一直有个疑问，已经困扰我多年，至今未解：

该如何选择治疗靶点？

这条路真的很长，不知自己是不是已经迈入门槛？不知自己能走多远，只是感觉路不是很好走。

TJ   Pharmaron

2018年10月16日

在这祝亲爱的老婆生日快乐！！！

有时我就好奇，她怎么只有年龄一年一年的长？……哈哈——

Reference

1.            Linnemann, C., et al., Adenosine regulates CD8 T-cell priming by inhibition of membrane-proximal T-cell receptor signalling. Immunology, 2009. 128(1 Suppl): p. e728-37.

2.            Hatfield, S.M., et al., Immunological mechanisms of the antitumor effects of supplemental oxygenation. Sci Transl Med, 2015. 7(277): p. 277ra30.

3.            Velasquez, S. and E.A. Eugenin, Role of Pannexin-1 hemichannels and purinergic receptors in the pathogenesis of human diseases. Front Physiol, 2014. 5: p. 96.

4.            Ohta, A. and M. Sitkovsky, Role of G-protein-coupled adenosine receptors in downregulation of inflammation and protection from tissue damage. Nature, 2001. 414(6866): p. 916-20.

5.            Ohta, A., et al., A2A adenosine receptor protects tumors from antitumor T cells. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006. 103(35): p. 13132-7.

6.            Cekic, C., et al., Myeloid expression of adenosine A2A receptor suppresses T and NK cell responses in the solid tumor microenvironment. Cancer Res, 2014. 74(24): p. 7250-9.

7.            Young, A., et al., Co-inhibition of CD73 and A2AR Adenosine Signaling Improves Anti-tumor Immune Responses. Cancer Cell, 2016. 30(3): p. 391-403.

8.            Vijayan, D., et al., Targeting immunosuppressive adenosine in cancer. Nat Rev Cancer, 2017. 17(12): p. 765.

9.            Allegrezza, M.J. and J.R. Conejo-Garcia, Targeted Therapy and Immunosuppression in the Tumor Microenvironment. Trends Cancer, 2017. 3(1): p. 19-27.