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1992年，一篇名为《细胞程序性死亡可诱导免疫球蛋白基因超家族成员PD-1表达上调》的论文被正式发表[1]，当时会有几个人想到，这将是未来癌症免疫治疗大时代的起始符呢？又有多少人认识论文通讯作者——本庶佑呢？
当然了，随着2018年诺贝尔生理学或医学奖的颁发，本庶佑最早发现PD-1的功绩已经广为人知。从靶点发现到PD-1抑制剂的上市，经过了整整20年的转化努力，今天的免疫检查点抑制剂已是癌症治疗“第四极”，还不断书写着新的传奇。
那么30年后的今天，人类到底对PD-1有多少了解呢？它还有没有潜力可挖掘？本庶佑教授虽然已年过八旬，但最近也亲自在《自然·免疫学》上与同僚们一起撰文，全面盘点了调控PD-1表达的机制、PD-1的生理功能以及基于PD-1通路的免疫治疗应用前景，一起来看这篇来自诺奖得主的重磅好文吧[2]！
论文首页截图
PD-1通路及调控其表达的机制
本文讨论的PD-1通路，主要指PD-1/L1通路（同为PD-1配体的PD-L2对PD-1/L1抑制剂治疗影响不大）。首先，编码PD-1的PDCD1基因在转录层面，会受到众多刺激因素（如T细胞刺激、感染、癌症等）经转录因子施加的复杂调控。
不同刺激因素间还会通过转录因子竞争性结合的方式来“明争暗斗”，例如由T细胞受体（TCR）活化的转录因子NFAT与IL-2激活的转录因子STAT5，就共用PDCD1基因上的一处结合位点，二者对PDCD1基因转录的影响也截然相反；而抑制PD-1通路也会反过来影响转录因子，从而进一步调节PD-1表达和免疫状态。
调控PD-1转录和表达的机制示意图
而作为PD-1配体的PD-L1，调控其表达的因素可以大致分为两类，一类是免疫应答相关的细胞外信号调控，如经典的干扰素-γ通路及IL-6、TNF等细胞因子；另一类则是致癌基因信号驱动的细胞内调控，如EGFR、PI3K/AKT等基因或信号通路的调控，此外还要考虑转录后和翻译后表观遗传层面的影响。
PD-1与PD-L1结合后的信号转导流程，也已被本世纪初的一系列研究所明确，如二者结合后通过胞内免疫受体酪氨酸抑制基序（ITIM）和免疫受体酪氨酸基开关基序（ITSM）结构域，招募SHP2磷酸酶以使TCR下游信号分子去磷酸化，抑制T细胞介导的免疫应答，与此类似的还有PD-1对CD28共刺激分子通路的调节。
值得注意的是，PD-L1并非只能与PD-1结合，还能在抗原提呈细胞表面与CD80结合，从而减少可与PD-1结合的PD-L1数量，影响PD-1/L1通路的抑制作用；此外，PD-1和PD-L1也会参与到其它信号通路之中，特别是PD-L1介导的PD-1非依赖性胞内信号转导，可能对癌细胞和免疫细胞表型有重要影响，有望成为新的抗癌治疗靶点。
PD-1的生理功能
PD-1在抗肿瘤免疫中的影响极为深远和广泛，可参与肿瘤反应性细胞毒性T细胞（CTLs），调节性T细胞等免疫抑制性细胞的激活，以及T细胞耗竭、免疫记忆形成等过程，本庶佑教授列举了PD-1在五个方面的重要功能：
1.确立T细胞的“激活阈值”
CTLs被激活后的命运各不相同，一部分细胞可以维持原有功能不变，但更多的细胞则进入耗竭状态，或因过度激活而凋亡，因此CTLs可通过表达PD-1提高自身的激活阈值，避免被刺激信号持续强力激活。
但在抗肿瘤免疫过程中，这显然会抑制因肿瘤新抗原而激活的CTLs数量。而对PD-1通路进行抑制，则能够降低TCR信号对CTLs的激活阈值，扩大抗肿瘤T细胞库，并可通过三种不同的机制，让T细胞的抗肿瘤免疫应答更为持久：
1）抑制PD-1可促进部分TCR对肿瘤新抗原亲和力较低的T细胞克隆（即次优克隆）增殖，从而增加T细胞的数量，这部分新生T细胞还可能替换掉更早浸润到肿瘤部位的T细胞，成为真正发挥抗肿瘤作用的生力军[3]；
2）TCR与不同抗原之间会存在交叉反应（Cross-reactivity），而抑制PD-1激活的大量次优克隆，可能与肿瘤的各种不同抗原持续发生交叉反应，从而对肿瘤发起一波又一波攻击；
3）次优克隆T细胞上表达的免疫检查点分子一般较少，因此在被抑制PD-1激活后，更可能处于持久激活状态，且不容易完全耗竭，更有利于长期起效。
抑制PD-1或CTLA-4以调控CTLs激活的过程示意
2.PD-1与T细胞耗竭
T细胞耗竭的基本概念已经广为人知，此处就不做详述，而耗竭T细胞实际也分为两部分，一部分处于“耗竭前”（Pre-exhausted）状态，仍可能通过抑制PD-1被激活，另一部分PD-1阳性耗竭T细胞则已无法挽救[3]。
3.PD-1与记忆T细胞的生成
长寿命记忆T细胞对免疫治疗的持久应答尤为重要，而现有研究尚不确定PD-1信号在这一过程中的作用，在不同疾病模型以及记忆T细胞形成的不同阶段，抑制PD-1的影响不尽相同。此外，组织驻留性T细胞（TRM cells）也可能在PD-1/L1抑制剂治疗后，扩增并分化为长寿命记忆T细胞[4]。
4.PD-1对调节性T细胞和固有免疫细胞的影响
近期有研究显示，对浸润到肿瘤部位的调节性T细胞，PD-1通路可维持其代谢状态和免疫抑制功能，阻断PD-1通路可弱化其抑制功能[5]；但少数PD-1缺失的调节性T细胞却抑制性极强，是导致免疫治疗后病情“超进展”（Hyperprogression）的罪魁祸首[6-7]，这可能与激活阈值下调及CTLA-4的参与有关。
多种固有免疫细胞，例如固有淋巴细胞（ILCs）也会表达PD-1，从而调控对病原体感染乃至肿瘤的免疫应答，当前研究显示抑制PD-1通路，大多可正向调节固有免疫细胞的抗肿瘤活性，但具体机制和意义有待进一步明确。
5.PD-1对微生物的调节
PD-1也会通过影响特定免疫细胞亚群，对人体内的肠道微生物起到调节作用，例如敲除PD-1导致的滤泡调节性T细胞功能失调，就会引发肠道中的浆细胞功能紊乱，使肠道微生物突破免疫防线，导致全身促炎性免疫应答。
PD-1/L1抑制剂参与的免疫联合治疗
PD-1/L1抑制剂单打独斗的时代快要落幕了，免疫联合治疗无疑是大势所趋，而与一般的分类方法不同，本庶佑教授在本次综述中将含PD-1/L1抑制剂的联合治疗方案分为三类：1）与其它免疫检查点抑制剂联合；2）与其它降低T细胞激活阈值的药物联合；3）与靶向T细胞代谢通路的药物联合。
1.PD-1/L1抑制剂与其它免疫检查点抑制剂联合
除已获批的CTLA-4抑制剂、LAG3抑制剂外，针对TIGIT、TIM3等靶点也有大量在研的免疫检查点抑制剂，不过CTLA-4抑制剂与PD-1/L1抑制剂的协同增效机制目前相对更明确：抑制CTLA-4更多是在免疫应答过程的早期起效，让更多TCR亲和力不同的T细胞被激活，从而有效降低T细胞的激活阈值。
2.PD-1/L1抑制剂与其它降低T细胞激活阈值的药物联合
TCR信号通路的下游分子同样会影响T细胞的激活阈值，例如E3泛素连接酶CBL-B可抑制关键信号分子的磷酸化，在TCR通路中进行负反馈调节，而敲除CBL-B就能显著降低T细胞激活阈值、增强抗肿瘤活性，还能使T细胞转化为长寿命记忆T细胞，是理想的治疗靶点。
上文提到的SHP2磷酸酶与PD-1组成的PD-1-SHP2轴，以及CD45、PTPN22等类似的调节分子，也能通过负反馈调节上调T细胞激活阈值，针对这些位点设计靶向新药颇具可行性。
3.PD-1/L1抑制剂与靶向T细胞代谢和线粒体状态的药物联合
T细胞的代谢状态在很大程度上影响乃至决定其抗肿瘤活性，目前认为CTLs主要依赖糖酵解供能，抑制PD-1通路可有效促进糖酵解，但也会导致CTLs的过度激活，使它们早早走向耗竭或凋亡，从而使实际抗击肿瘤的CTLs数量减少。
而在PD-1抑制剂治疗后扩增的T细胞克隆，以及对免疫治疗持久见效至关重要的长寿命记忆T细胞，则更依赖线粒体参与的氧化磷酸化或脂肪酸代谢，因此需要根据实际情况干预T细胞代谢通路，有效干预甚至能让CTLs“起死回生”。
线粒体代谢对T细胞分化和命运的影响
例如本庶佑教授团队2018年开展的研究显示，降脂药苯扎贝特可通过激活CTLs的线粒体功能，重启氧化磷酸化或脂肪酸代谢，与PD-1抑制剂协同增效[8]，2022年本庶佑教授团队又发现了可起到相似功能的膳食补充剂——多胺亚精胺[9]。
此外，鉴于肠道微生物及其代谢产物也可通过多种途径，影响T细胞及其它免疫细胞的功能，从肠道微生物角度展开干预，如粪菌移植、补充特定代谢产物等，同样是未来可期的免疫联合治疗策略。
参考文献：
[1]Ishida Y, Agata Y, Shibahara K, et al. Induced expression of PD‐1, a novel member of the immunoglobulin gene superfamily, upon programmed cell death[J]. The EMBO Journal, 1992, 11(11): 3887-3895.
[2]Chamoto K, Yaguchi T, Tajima M, et al. Insights from a 30-year journey: function, regulation and therapeutic modulation of PD1[J]. Nature Reviews Immunology, 2023.
[3]Yost K E, Satpathy A T, Wells D K, et al. Clonal replacement of tumor-specific T cells following PD-1 blockade[J]. Nature Medicine, 2019, 25(8): 1251-1259.
[4]Caushi J X, Zhang J, Ji Z, et al. Transcriptional programs of neoantigen-specific TIL in anti-PD-1-treated lung cancers[J]. Nature, 2021, 596(7870): 126-132.
[5]Kim M J, Kim K, Park H J, et al. Deletion of PD-1 destabilizes the lineage identity and metabolic fitness of tumor-infiltrating regulatory T cells[J]. Nature Immunology, 2023, 24(1): 148-161.
[6]Kamada T, Togashi Y, Tay C, et al. PD-1+ regulatory T cells amplified by PD-1 blockade promote hyperprogression of cancer[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(20): 9999-10008.
[7]Wakiyama H, Kato T, Furusawa A, et al. Treg-dominant tumor microenvironment is responsible for hyperprogressive disease after PD-1 blockade therapy[J]. Cancer Immunology Research, 2022, 10(11): 1386-1397.
[8]Chowdhury P S, Chamoto K, Kumar A, et al. PPAR-induced fatty acid oxidation in T cells increases the number of tumor-reactive CD8+ T cells and facilitates anti–PD-1 therapy[J]. Cancer Immunology Research, 2018, 6(11): 1375-1387.
[9]Al-Habsi M, Chamoto K, Matsumoto K, et al. Spermidine activates mitochondrial trifunctional protein and improves antitumor immunity in mice[J]. Science, 2022, 378(6618): eabj3510.
本文作者丨谭硕
