Globo—H疫苗抗肿瘤机制及在乳腺癌中的作用

高崧淋　陈玉杰　魏垚臣

【摘要】肿瘤相关糖抗原 （tumor-associated carbohydrate antigens， TACAs）是广泛表达于多种肿瘤细胞表面的多糖类肿瘤相关性抗原，Globo-H作为TACAs中的代表，广泛表达于包括乳腺癌在内的多种肿瘤细胞表面。而基于Globo-H的抗肿瘤糖疫苗作为未来可能治疗乳腺癌的新武器，在近年来取了快速的发展，一些Globo-H疫苗已经进入了临床试验阶段。虽然在发展过程中出现了一些困难，但随着细胞代谢糖工程的不断发展，Globo-H疫苗有着广阔的前景。

【关键词】Globo-H；肿瘤糖疫苗；乳腺癌；临床试验

【中图分类号】R4 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8801（2016）04-0001-02

免疫治疗（immunotherapy）是近年来受到关注的抗肿瘤疗法之一，其中肿瘤疫苗（tumor vaccine）是主动免疫治疗中的重要方面。肿瘤疫苗治疗是指给机体输入具有肿瘤抗原性的免疫制剂，刺激免疫系统产生抗肿瘤效应。其基本原理在于：用肿瘤细胞、肿瘤特异性抗原（tumor-specific antigen，TSA）或肿瘤相关抗原（tumor-associated antigen，TAA）免疫患者，使患者体内产生免疫应答，自身生成肿瘤特异的抗体或T淋巴细胞，从而杀伤肿瘤细胞。GLOBO-H是一种广泛表达于包括乳腺癌在内的多种肿瘤细胞表面的肿瘤相关糖抗原（tumor-associated carbohydrate antigens， TACAs），在肿瘤细胞恶性行为及免疫调节中发挥着重要作用，目前已成为肿瘤疫苗研究的靶点。本文就Globo-H疫苗的发展及其在乳腺癌治疗中的相关进展做一综述。

1、Globo-H抗原的特点

过去的几十年中，人们发现肿瘤细胞表面有许多糖链的过量表达，这些糖链具有长度变短、过度唾液酸化的特征，被称为肿瘤相关糖抗原（TACAs），它们在肿瘤细胞的转移以及信号转导方面起着重要的作用，Globo-H就是其中的代表。Globo-H （Fucα1–2Galβ1–3GalNAcβ1–3Galα1–4Galβ1–4Glc）是一种多聚己糖，由Hakomori 及其同事首次以糖脂的形式从人乳腺癌MCF-7细胞系中分离获得[1] 。Globo-H可以在癌细胞表面以糖脂或是糖蛋白的形式表达。Globo-H过量表达见于许多种上皮细胞来源的肿瘤，例如大肠癌，卵巢癌，胃癌，胰腺癌，肺癌，前列腺癌和乳腺癌等[2]。后来发现Globo-H也可以表达于许多正常组织的上皮细胞上，但在这些正常组织细胞中，Globo-H只表达于上皮细胞的管腔面，并不能进入机体激活免疫反应。这一点区别于肿瘤细胞表面的Globo-H广泛表达特征，这就使基于Globo-H的抗肿瘤疫苗具有理论基础。

2、Globo-H疫苗的发展过程

基于上述发现，Globo-H抗肿瘤疫苗逐渐成为了人们研究的焦点。最初，Globo-H的糖类抗原本质为Globo-H抗肿瘤疫苗的研发带来了一定困难，由于新的疫苗研发技术，有些困难已经逐渐被所克服。

首先，Globo-H作为多糖分子不易合成，早期主要采用从肿瘤细胞中分离的方法获得，但其在肿瘤细胞表面存在不均一性，要保证获得高效均一的Globo-H十分困难。直至人们采用分步合成以及进一步改进的程序性“一锅法”（Programmable One-Pot）和酶联法（Enzymatic Synthesis）后才能够合成高效均一的Globo-H抗原。其次，糖类抗原是非T细胞依赖性抗原（thymus independent antigen，TIAg）。与多肽或蛋白质为本质的T细胞依赖性抗原不同，糖类抗原不能诱导T细胞应答，只能与B细胞作用，诱导出短效的、低亲和力的IgM 抗体。这种免疫反应不仅不能对肿瘤细胞产生细胞毒作用，反而可能会利于肿瘤细胞的免疫逃逸和转移。为了诱导机体产生高亲和力的IgG抗体，人们将Globo-H抗原与含有T细胞表位的蛋白共价连接，形成T细胞依赖性的偶联物。目前最常用的载体蛋白是钥孔戚血蓝素蛋白（keyholelimpethemocyanin，KLH）。为了使这种结合不影响抗原表位的识别，需要连接物（如异双功能交联剂MBS）把二者偶联起来。由于除了B细胞和T细胞的活化外，适应性免疫应答还需要由固有免疫应答分泌相应的细胞因子来提高免疫应答的效应，所以我们加入佐剂或者Toll样受体（TLRs）的配体来刺激产生这些促进APCs成熟和细胞因子释放的相关免疫活性物质来提高免疫应答效应。它们通过活化巨噬细胞表面的 TLRs 刺激APCs 释放细胞因子，从而引发固有免疫应答并增强特异性免疫应答。皂苷类佐剂 QS-21被认为是目前最有效的糖疫苗佐剂。另外，与细菌病毒等外源性致病物质不同，肿瘤细胞是内源性的宿主细胞，肿瘤相关糖抗原会被机体识别为自身抗原。而且由于Globo-H在正常组织中也有少量的表达，其免疫原性很弱，因此通常会引起机体的免疫耐受。如何打破Globo-H的免疫耐受，是目前肿瘤糖疫苗研发中最关键的问题，这也是许多基于糖抗原的肿瘤疫苗在临床试验中失败的根本原因[3]。

基于Globo-H引起的上述问题及解决方案，目前设计的Globo-H抗肿瘤糖疫苗基本由3部分组成：第一部分是与靶点密切相关的糖抗原Globo-H。第二部分是与糖抗原能共价结合的载体蛋白，最常用的为钥孔戚血蓝素蛋白KLH。第三部分为免疫佐剂，如皂苷类佐剂 QS-21[4]。

随着化学合成工艺的发展，细胞糖抗原生化工程也获得了迅猛发展。Globo-H抗肿瘤疫苗经历了从提纯天然糖抗原疫苗——半合成的糖抗原结合物疫苗——全合成的糖抗原结合物疫苗——基于非天然糖抗原的肿瘤疫苗???——基于细胞代谢糖工程的肿瘤糖疫苗发展过程[5]。为了加强抗原的免疫原性，人们分别尝试了只含有Globo-H单抗原表位的Globo-H抗肿瘤疫苗和含有簇状Globo-H单抗原表位的簇状疫苗，以及含有多种 TACAs 多抗原表位的多价疫苗。目前具有多种肿瘤糖抗原多表位多价疫苗已经在一些临床试验中显示出较单抗原表位抗肿瘤疫苗更强的免疫原性。例如，单分子多价多表位（Globo-H-GM2-sTn-TF- Tn） 疫苗在应用于卵巢、输卵管及腹膜癌患者的I期临床试验中，显示出了较单抗原表位抗肿瘤疫苗更强的免疫原性[6]。

3、Globo-H疫苗在临床试验中的表现

随着肿瘤糖疫苗的研究取得了很大进展，多种糖抗肿瘤疫苗进入了临床前或者各期临床试验阶段，但是大多数基于天然糖抗原的肿瘤疫苗并未达到预期的效果。例如 Biomira 公司研发的STn-KLH 半合成肿瘤疫苗 Theratope，在Ⅲ期临床试验中并未能有效提高乳腺癌病人的存活率[7]。Westerlind et al合成的STn-OVA323-339的全合成疫苗，最终只能在三分之一的小鼠体内产生比较强烈的免疫应答[8]。这些基于天然糖抗原的肿瘤疫苗未获得成功，主要是由于这些糖抗原大多被免疫系统识别为自身抗原，无法打破免疫耐受。

4、Globo-H抗肿瘤疫苗在治疗乳腺癌方面的表现

1997年9月到1999年8月，为了观察全合成Globo-H疫苗的毒性和免疫原性，27名伴有转移的乳腺癌患者接受了该疫苗的I期临床试验，使用的疫苗为Globo—H偶联KLH并联合佐剂QS-21。这些患者在1、2、3、7、19周接受了连续五次的免疫程序，试验发现该疫苗在患者中具有较好的耐受性。通过血清学分析，其中16名患者产生了显著的IgM抗体效价升高，而通过亲和力纯化这些IgM抗体后，这些抗体显示出针对Globo-H抗原的特异性识别。3名患者的样本中有微量的 IgG抗体水平升高，9名患者的标本中发现了补体介导的细胞毒作用， 在8名患者体内发现了抗体介导的细胞毒反应。上述数据表明全合成Globo—H疫苗能被患者耐受且具有一定的免疫原性[9]。在此次试验中研究者还发现，Globo—H疫苗不仅能诱导机体产生抗Globo-H抗体，还能诱导机体产生抗SSEA-3与SSEA-4抗体。随后，Wen-Wei Changet al发现SSEA-3抗原在乳腺癌肿瘤干细胞中的表达要高于Globo-H。上述发现不仅为Globo-H的生物合成过程的阐明提供了线索，而且为新疫苗的发展开辟了方向[2]。

根据临床I期试验的阳性结果，II/III 期临床试验被批准在全世界超过 40 临床中心中进行。349名转移性乳腺癌患者以实验组与对照组2：1的比例进行随机分配，实验组注射OPT822/OPT821疫苗，对照组使用安慰剂PBS；另外，两组病人均接受 （300 mg/m2）环磷酰胺治疗，并以无进展生存期（PFS）为主要疗效指标。目前，在美国芝加哥所举行的美国肿瘤医学会（ASCO）2016年会上口头报告的这一II/III期临床试验研究数据（研究摘要1003号）显示，对照组与实验组的主要疗效指标无统计学差异。但是在实验组中，有50%患者的IgG抗体效价超过了1：160，而这些患者的PFS较对照组具有统计学意义。这一结果为基于Globo-H抗肿瘤疫苗的未来发展保留了继续探索的空间。至于该研究的次要疗效指标、总生存期（OS）等，目前数据尚未成熟。在此研究中，由于免疫耐受的作用使疫苗并未在足够多的患者中激活有效的免疫反应。所以如何更好的打破机体的免疫耐受成为了未来Globo-H疫苗发展的关键。

5、结语及展望

肿瘤疫苗在最近几十年取得了巨大的进展，尤其是以Globo-H为代表的抗肿瘤糖疫苗更是取得了令人瞩目的成就。虽然许多Globo-H抗肿瘤疫苗进入了临床试验阶段，但目前还没有Globo-H抗肿瘤疫苗被批准上市，目前阻碍其进一步发展的原因仍是抗肿瘤疫苗不能完全突破机体对抗原的免疫耐受。目前，基于细胞代谢糖工程的非天然糖抗原肿瘤疫苗和基于交叉反应性的肿瘤糖疫苗技术在克服抗原耐受方面取得了可喜的进展，Globo-H抗肿瘤疫苗研发很有可能沿着上述两个方向发展。也许在不久的将来，Globo-H抗肿瘤疫苗能过突破免疫耐受的壁垒，为癌症患者带去福音。

参考文献：

[1]Bremer EG， Levery SB， Sonnino S， et al. Characterization of a glycosphingolipid antigen defined by the monoclonal antibody MBr1 expressed in normal and neoplastic epithelial cells of human mammary gland. J Biol Chem. 1984. 259（23）： 14773-7.

[2]Chang WW， Lee CH， Lee P， et al. Expression of Globo H and SSEA3 in breast cancer stem cells and the involvement of fucosyl transferases 1 and 2 in Globo H synthesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008. 105（33）： 11667-72.

[3]霍常鑫，叶新山. 肿瘤糖疫苗的研究进展. 药学学报. 2012 ： 261-270.

[4]李婕. 抗肿瘤糖疫苗的研究进展. 中国肿瘤生物治疗杂志. 2010. 17（4）： 462-467.

[5]Danishefsky SJ， Shue YK， Chang MN， Wong CH. Development of Globo-H cancer vaccine. Acc Chem Res. 2015. 48（3）： 643-52.

[6]O'Cearbhaill RE， Ragupathi G， Zhu J， et al. A Phase I Study of Unimolecular Pentavalent （Globo-H-GM2-sTn-TF-Tn） Immunization of Patients with Epithelial Ovarian， Fallopian Tube， or Peritoneal Cancer in First Remission. Cancers （Basel）. 2016. 8（4）.

[7]Holmberg LA， Sandmaier BM. Vaccination with Theratope （STn-KLH） as treatment for breast cancer. Expert Rev Vaccines. 2004. 3（6）： 655-63.

[8]Westerlind U， Hobel A， Gaidzik N， Schmitt E， Kunz H. Synthetic vaccines consisting of tumor-associated MUC1 glycopeptide antigens and a T-cell epitope for the induction of a highly specific humoral immune response. Angew Chem Int Ed Engl. 2008. 47（39）： 7551-6.

[9]Gilewski T， Ragupathi G， Bhuta S， et al. Immunization of metastatic breast cancer patients with a fully synthetic globo H conjugate： a phase I trial. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001. 98（6）： 3270-5.