抗肿瘤免疫由濒临死亡的肿瘤细胞释放肿瘤抗原，然后由抗原呈递细胞（antigen-presenting cell, APC）摄取、加工和呈递而启动。在最佳共刺激和适当阳性信号条件下，肿瘤抗原特异性T细胞被激活、增殖并运输至肿瘤进行靶向杀伤。虽然有些个体会出现自发的抗肿瘤免疫反应，癌症疫苗设计旨在促进同样的效果，并可用于产生更广泛的临床影响。
迄今为止，癌症疫苗缺乏稳健的临床疗效。许多针对晚期癌症患者的小型试验得出结论，疫苗是安全的且具有免疫原性，与关注的免疫效应相关，并提供具有临床反应的病例报告。几项研究表明，在辅助治疗和微小残留疾病中，无进展生存率和/或无复发生存率显著提高。这些数据表明，癌症疫苗接种在晚期和转移性肿瘤环境中可能不够有效，但在低肿瘤负担环境中可能具有积极的临床影响。尽管疫苗平台的结果稳健且可重复，并且有证据表明外周抗肿瘤效应细胞增加，但疫苗成功接种仍然是一个难以实现的目标。
癌症疫苗未来将如何发展（表1）？加州大学的Juraj Adamik教授等讨论了抗原靶点、疫苗平台、合理组合和免疫监测，为未来的发展奠定基础。
抗原靶点
理想情况下，癌症疫苗需要靶向肿瘤特异性抗原（tumor-specific antigen, TSA），以避免潜在的自身免疫反应和中枢耐受问题。许多疫苗由于靶向过度表达的肿瘤相关抗原（tumor-associated antigen, TAA）而达不到这种特异性。事实上，2010年4月，美国食品药品管理局（FDA）批准了sipuleucel-T，一种针对非突变TAA前列腺酸性磷酸酶的自体细胞免疫疗法，用于治疗无症状或轻微症状的转移性去势抵抗前列腺癌患者。这些抗原在临床试验中基本上被证明是安全的和具有免疫原性的。尽管如此，使用疫苗或过继T细胞疗法靶向此类抗原的潜在自身免疫毒性仍然令人担忧。
肿瘤的抗原特异性是什么？众所周知，肿瘤可以被免疫系统识别为外来组织。两个常见的致癌基因突变是Kras和p53。靶向这些突变蛋白表位的疫苗由主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex, MHC）分子高效地呈递，可诱导抗原特异性调节T细胞（Treg）。约15%的肿瘤由病毒蛋白引起，如人乳头瘤病毒（HPV）蛋白质E6和E7，它们是被成功靶向的TSA。NY-ESO-1和MAGE家族蛋白是在多种肿瘤细胞中表达的非突变“癌睾”（cancer-tests）抗原。深入理解识别这些抗原的T细胞生物学，开始确定一条前进的路径，以避免抑制反应，并扩大具有更大疗效潜力的共享靶点阵列。
细胞的恶性转化取决于DNA损伤积累。免疫系统经常对由DNA损伤而产生的新抗原作出反应。新抗原的识别似乎也是T细胞检查点阻断和过继T细胞治疗临床活性的重要驱动因素。突变的肿瘤特异性新抗原表征在过去5年中彻底改变了肿瘤抗原研究，因为这些抗原可以通过肿瘤测序技术轻易识别，这使得它们可以进行临床测试。来自突变肿瘤抗原肽表位的鉴定仍然是一个开放的实验领域，因为许多研究小组使用专门和独特的算法来选择可由肿瘤呈递的表位。高分辨率质谱法还可以直接鉴定MHC结合的表面肽，这些肽被加工并呈递给免疫系统。
全球合作有助于推进肿瘤新抗原的鉴定。美国帕克研究中心组建了一个全球联盟，其中每个参与者根据共享的肿瘤测序数据预测免疫原性表位。随后，在患者匹配的样本中，共评估了用于T细胞结合的608个表位。通过整合与呈递和识别相关的肽特征，开发了一个肿瘤表位免疫原性模型，以高于0.70的精度过滤掉98%的非免疫原性肽。对模型特征进行优先级排序的管道具有优异的性能，利用它们对管道进行更改提高了预测性能。在综合模型中确定了五个决定表位免疫原性的特征：具有强MHC结合亲和力和长半衰期的肽高度表达，具有低同源性或高异源性。
突变的新抗原既提高了肿瘤靶向的特异性，又刺激了更高亲和力的T细胞，那么它们是否是更有效的抗原靶点？这一点尚待实验确定；然而，最近的研究表明，这些T细胞仍然会出现表型衰竭。大多数新抗原鉴定管道尚不太可能解释的一个重要变量是，突变抗原是在肿瘤发生早期出现并在整个肿瘤组织中均有表达的“主干”突变，还是在肿瘤发展后期发生的“分支”突变。“分支”可能更为异质性表达，但可能较少受到肿瘤免疫系统的影响（cross-talk），因此可能促进更活跃的T细胞。由于新抗原已成为有效的肿瘤导向T细胞应答的靶点，研究表明新抗原负荷增加与检查点阻断的患者结局改善相关。使用负载短肽、长肽或RNA的树突状细胞（dendritic cell, DC）在黑色素瘤患者中进行的三项新抗原疫苗临床试验，表明了该方法的安全性、可行性和强免疫原性。
TSA也可以是未定义的肿瘤裂解物形式。分析靶点不明确的疫苗影响具有挑战性，但这些混合抗原方法可以促进多克隆反应，并且在自体环境中，可以包括不需要通过详细管道进行识别的新抗原。这些裂解物不仅包括非肿瘤相关的自身抗原，还可能含有限制疗效的免疫抑制因子，如白细胞介素-10（IL-10）和转化生长因子β。在肝细胞癌中，甲胎蛋白（α-fetoprotein, AFP）通常过表达。尽管AFP在癌症疫苗接种环境中具有免疫原性，但最近的研究表明，它也具有高度免疫抑制作用，并抑制DC的代谢功能。
疫苗平台
这些肿瘤抗原应该如何递送？癌症疫苗最关键的成分是肿瘤抗原（信号1）、共刺激（信号2）和细胞因子（信号3）（图1）。抗原通常与佐剂结合，佐剂可稳定免疫原性分子，并可刺激APC和T细胞介导的反应。目前使用的佐剂包括油包水乳剂（Montanide）、细胞因子（粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子）、Toll样受体（TLR）信号诱导分子[poly ICLC(Hiltonol)]、CD40共刺激触发物或更复杂的佐剂（如病毒）。RNA疫苗已成为可行的疫苗平台，并用包装在脂质纳米颗粒中的RNA分子配制，以优化递送和免疫刺激特性。最大限度提高有利免疫反应所需的理想信号尚未完全阐明，仍需要与特定抗原平台匹配的最优佐剂。
图1 疫苗成分和平台
DC是专职APC，负责抑制不必要的反应（耐受）和激活病原体驱动的反应。作为“天然佐剂”，它们可以通过多层共刺激进行抗原呈递，还可以分泌关键的细胞因子，以及提供尚不清楚的信号。有许多不同类型的DC，但大多数癌症疫苗临床试验使用体外分化的髓系DC，因为它们是促进T细胞反应的可靠平台。
标准治疗（Standard-of-care, SOC）方法显示出体内肿瘤裂解介导的疫苗样“效应”，包括射频消融、栓塞术、化疗、放疗和小分子信号通路抑制剂（图1）。有些药物可以提供额外的刺激信号；吉西他滨促进染色质去甲基化，辐射诱导DNA损伤。携带肿瘤抗原的重组病毒也可以提供强大的免疫刺激信号。除了促进肿瘤细胞生长抑制和裂解外，研究者在试图利用和优化治疗方案以促进抗原释放和免疫刺激时还面临诸多挑战。
合理组合：在成功的基础上提高疗效
如何提高T细胞活化和抗肿瘤活性及疗效？对于DC疫苗，已经测试了多种组合，包括添加细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA-4）和/或程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）/PD配体1阻断剂、T细胞过继转移、低剂量IL-2、干扰素-α（IFN-α）和化疗，这些都取得了适度改进。还有正在研究提高sipulucel-T疗效的策略，包括用抗CTLA-4改善活化T细胞向肿瘤的转运，用IL-7支持T细胞活化和增殖。
一个关键问题是纳入疫苗的时间和顺序。小鼠研究表明，在检查点阻断之前接种疫苗比相反的顺序更有效，这一结果也得到了人类患者数据的支持。由于FDA批准了符合实验性疫苗试验条件的患者可能已经接受了检查点阻断治疗，因此对检查点组合的进一步研究变得复杂。
免疫监测以了解作用机制
癌症疫苗如何取得下一阶段的成功？我们需要更好地了解它们的免疫和临床影响。对疫苗接种诱导的免疫反应的剖析已带来重要见解。毒性并未限制广泛的疫苗平台试验和平台内的剂量递增（以达到有效剂量）。对癌症疫苗反应的差异很大，这凸显了迫切需要确定哪些患者可能受益于这种治疗。测量疫苗肽特异性细胞的频率可以确定细胞数量和详细的表型特征。这种分析已经确定了与不同癌症相关的T细胞分化和耗竭水平，以及疫苗接种如何影响这些细胞。
功能测试对于了解疫苗如何改变免疫反应也是至关重要的，最好通过离体分析来进行，以避免体外刺激的潜在改变。干扰素-γ酶联免疫斑点法（IFN-γ Enzyme Linked Immuno-Spot, ELISPOT）和细胞内细胞因子染色是常见的功能性检测，可以提供疫苗成功接种的证据，但往往与临床结果缺乏深刻的相关性。
表位扩散已成为疫苗效力的关键指标（图2）。这涉及促进针对靶组织抗原特异性的连续T细胞激活，从而使T细胞库多样化。这种多样化促进了更广泛的细胞免疫反应，使得肿瘤中T细胞克隆扩增与更好的结果相关。表位扩散对于靶向抗原多样性肿瘤和克服某些肿瘤抗原表达缺失也具有显著影响。
图2 表位扩散
癌症疫苗还必须能够克服肿瘤诱导的免疫抑制。由于存在高度抑制性骨髓来源抑制细胞（myeloid-derived suppressor cell, MDSC），即使在癌前阶段，高危患者的预防性癌症疫苗接种试验也受到严重限制。已知功能抑制的Treg和MDSC的高循环频率与许多肿瘤类型的免疫和临床反应降低相关，这表明在接种疫苗前靶向减少这些抑制性细胞可能会改善结果。
表1 癌症疫苗在体内的障碍及其解决方法
经验教训和未来展望
新配方取得了更大成功。FixVac是一种静脉注射的脂质体RNA疫苗，可单独或联合PD-1阻断剂靶向多种抗原。FixVac可以在接受检查点抑制剂治疗的不可切除黑色素瘤患者中介导持久的客观反应，给予更多剂量的患者表现出反应增强。在接种疫苗后患者的切除转移灶中，显示出疫苗诱导的T细胞浸润和自体肿瘤细胞的新表位特异性杀伤。
此外，在一项小型胶质母细胞瘤（glioblastoma, GBM）试验中，新抗原疫苗能够促进肿瘤内T细胞反应，在颅内GBM肿瘤组织中检测到来自外周血的新抗原特异性T细胞。因此，靶向新抗原的合成长肽疫苗有可能改变弱突变肿瘤（如GBM）的免疫环境。反应最佳的是没有接受地塞米松的患者，这表明SOC药物可能会限制联合治疗的疗效。
结论
癌症疫苗接种是一种可以安全地促进体内抗肿瘤T细胞反应的方法，并且可以对处于疾病多个阶段的癌症患者产生治疗效果。尽管疫苗基本结构已得到充分研究，但疫苗成分仍在不断优化中（表1）。已经测试了许多组合，包括细胞因子和检查点阻断，但很少表现出显著改善。免疫监测揭示了可应用于新的癌症疫苗方法，特别是表位扩散诱导的关键有效机制。优化治疗计划和更好地了解如何诱导有效反应的机制，对于未来癌症疫苗的成功至关重要。
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