▎药明康德
在生命科学广阔浩渺的大海中，免疫学是一个颇为“神秘”而复杂的领域，充满了未知的魅力。它的调控机制有着太多的未解之谜，也同样充满了无限的可能和机遇。
传统意义上，免疫系统通常被视为是一种“防御体系”，预警和消灭来自外界的“有害”病原体，又或是巡视和清理自身衰老和异常的细胞。随着科学发展的深入，免疫系统被赋予了更多的期待，人类通过免疫系统治疗疾病、攻克癌症、消灭肿瘤，探索获得更健康长久生命的可能。
“只有充分的认识，才能更好地驾驭。探寻和揭示免疫机制的本质，为产业创新提供正确有效的理论指引，正是基础研究的使命。” 多年来，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心研究员许琛琦围绕T细胞免疫应答的机理，在信号调控和代谢调控两个维度开展了深入的研究，提出了全新的肿瘤免疫治疗理论及策略。
在今日揭晓的2021年第十五届药明康德生命化学研究奖中，许琛琦因为在T细胞免疫应答与肿瘤治疗领域取得的卓越贡献获得了本届杰出成就奖。
现任中科院生物化学与细胞生物学研究所/分子细胞卓越创新中心研究员，分子生物学国家重点实验室副主任，上海科技大学特聘教授。许琛琦长期从事免疫学研究工作，阐明了T细胞抗原免疫应答的新机制，提出了肿瘤免疫治疗的新方法，推动了相关免疫治疗产业的发展，已在Nature，Cell，Nat Struct & Mol Biol，Cell Res等学术期刊上发表54篇论文，其中通讯作者（含共同通讯）论文27篇，获批多项专利，有专利已成功转化进行药物研发。
免疫受体的静电调控机制——解锁TCR“静默”与“激活”
攻读博士期间，许琛琦远赴比利时做访问学者，从事电生理学的研究。在遥远的异国他乡，他度过了一段非常宁静宝贵的学习时光，有大量的时间可以用来阅读文献，安静地深度思考。那段时间里，免疫学深深地吸引了他。
“免疫学非常符合中国的一个传统哲学思想——阴阳平衡。在免疫系统中，各种因素间相辅相成，相生相克，彼此协作的同时，也有着巧妙的制衡。‘平衡’恰恰是免疫系统的最佳状态，也是这个研究领域最吸引我的地方。” 也许正是来源于这种哲学上的领悟，许琛琦选择将T细胞受体（TCR）作为了自己博士后工作的研究方向。
T细胞在适应性免疫反应中起到了关键作用。作为T细胞表面受体，TCR具备多个功能亚基。如果将细胞质膜的脂双分子层视为流动的海洋，TCR就是一艘艘漂浮在海面的“信号船”。当捕获“敌军”信号时，处于海面的胞外部分会被激活，然后通过跨膜信号转导，将胞外信号转化为胞内信号，从而触发海面下的级联反应，启动T细胞的免疫应答。
许琛琦关注到，在没有抗原刺激的情况下，TCR这艘“信号船”会在海洋里处于一种“静默”状态。他很想知道，调控这种“静默”的因子会是什么。
TCR中负责识别抗原的TCRαβ亚基没有胞内结构域，需与CD3形成复合物，获得信号转导的功能。在对TCR-CD3复合物的研究中，许琛琦团队发现CD3ε和CD3ζ胞内区中富含正电的碱性氨基酸富集区（BRS），会与膜的负电性磷酸脂产生静电作用，使得胞内信号域埋藏在细胞膜脂质内，屏蔽了与下游信号的联系，此时，TCR的“信号船”会处于“静默”状态。
▲处于“静默”状态的TCR
而在接收到胞外信号激活后，TCR会活化并使得Ca2+通道打开，大量Ca2+内流进入T细胞后，在TCR复合物附近形成高浓度的微区，竞争性地中和了膜脂质的负电性，从而将CD3ε/ζ的胞内信号域从膜脂质中解离，释放到胞浆区域，暴露的CD3酪氨酸基团被Lck磷酸化并开始招募下游分子，从而启动后续免疫应答。
▲Ca2+介导的TCR信号放大模型示意图
研究人员还发现，保持这种相对高浓度的Ca2+水平可以使得TCR信号维持在一定的水平，这是T细胞发挥全部效应潜能的必要条件。这一研究发表在2013的Nature杂志上。
此后，许琛琦团队发现了磷脂/Ca2+静电调控的广谱性，在多种免疫受体中均得到了有效的验证，在此基础上总结性地提出了“膜脂及钙离子静电调控”的新理论，指出酸性磷脂可以通过静电相互作用调控免疫受体的构象与功能，而Ca2+又可以中和酸性磷脂的负电荷，从而间接调控免疫受体的活性。
近年来，科学家利用基因工程技术为T细胞装上特异性识别肿瘤抗原的嵌合型抗原受体（Chimeric antigen receptor, CAR）。改造后的CAR-T细胞可以精准地识别肿瘤抗原，从而“击杀”体内肿瘤细胞。
但经过人工改造的CAR分子和天然的TCR分子相比，具有明显的信号缺陷。由于缺少了很多调节和限制机制，CAR-T细胞往往过度“活跃”，易引发天然免疫系统大量分泌细胞因子，从而引起细胞因子风暴、神经毒性等不良反应，严重时会引发生命危险。另外，CAR-T细胞的寿命与疗法的持久性密切相关。CAR-T细胞在肿瘤环境中寿命较短，使得疗法作用效果难以持续，成为肿瘤复发的直接原因。
▲当前CAR-T细胞治疗的局限性
谈及如何在人工改造的基础上，进一步完善现有的免疫疗法，许琛琦表示：“我们还是要回到对TCR充分研究的基础上，追本溯源，才能进一步识别和选择性保留必要的功能。”
TCR的复杂性在于，它有20个酪氨酸磷酸化位点，根据不同的抗原刺激，理论上能够产生220种信号传递的可能性。这一巨大的信号体量，意味着能够承载非常复杂的信号传递。
“我们需要进一步理解在抗原刺激后，CD3胞内区从膜上解离下来后，磷酸化的模式。”因此许琛琦团队与北京大学黄超兰研究员合作，发展了绝对定量质谱方法，观察了不同CD3链上的酪氨酸磷酸化模式，发现CD3ε具有单磷酸化模式，而其他的CD3链更多是双磷酸化的模式。
CD3ε具有什么样的独特功能呢？许琛琦团队进一步与美国加州大学圣地亚哥分校的惠恩夫团队合作，发现单磷酸化后的CD3ε招募了一个抑制性分子Csk。Csk会下调TCR的磷酸化水平，为TCR活化提供了一个负反馈调控，使其不会过度活化。此外，CD3ε上的另外一个BRS区域负责招募PI3K的调节性亚基p85, 从而激活AKT信号通路，促进T细胞增殖。
▲CD3ε的多种信号传导作用及其在CAR-T细胞治疗中的应用
基于上述发现，许琛琦团队在传统的CAR中引入CD3ε，发现升级后不但可以提高CAR-T细胞的存活时间，而且可以提高抗肿瘤效果，并减轻过多的细胞因子分泌，降低强烈副作用的发生风险。在小鼠模型中，对血液肿瘤和实体肿瘤均展现了良好的治疗效果。这项研究成果发布在2020年的Cell杂志上，并入选了中国生命科学十大进展，中国医学重要进展和Cell Press 2020中国年度论文。
在肿瘤微环境中，肿瘤通过各种机制对免疫细胞进行抑制，使得免疫逃逸发生。作为重要的免疫检查点，PD-1是T细胞被活化后所诱导表达的一种蛋白，如果PD-1与对应的两种配体PD-L1或PD-L2结合，T细胞活性就会受到抑制。这是人体调节免疫系统过度反应的一种方式。许多癌细胞能制造PD-1的配体，同时肿瘤微环境中的T细胞也高表达PD-1。因此PD-1信号通路在肿瘤微环境中抑制了T细胞的抗肿瘤功能。通过阻断性抗体阻断PD-1与配体的结合，就可以使T细胞得以正常工作。这种免疫检查点阻断疗法在临床上取得了巨大的成功，并于2018年获得诺贝尔生理学或医学奖。
许琛琦在建立独立课题组时就开始关注PD-1在肿瘤中异常高表达这一现象。其团队发现PD-1在正常的T细胞中存在一个快速降解过程，并且鉴定了其中起关键作用的蛋白质分子FBXO38。FBXO38可以给PD-1加上一种介导降解的标签，有了降解标签的PD-1会被送到细胞的回收场——蛋白酶体进行降解，由此保证PD-1维持正常水平，不影响T细胞功能的发挥。然而，在被肿瘤“包围”的T细胞中，FBXO38“活跃”程度过低，可能导致PD-1不能被正常降解，T细胞因此“受困”于那些原本应该被降解的PD-1，抗肿瘤免疫反应被抑制。
许琛琦团队进一步发现白介素2可以恢复FBXO38的“活跃”度，让PD-1回归“正常指标”，从而提高T细胞的抗肿瘤功能。白介素2已经是治疗黑色素瘤和肾癌的临床药物，对PD-1的调控应该是其临床效果背后的机制之一。需要指出的是，白介素2由于副作用没能在临床上广泛应用。今后可以优化白介素2的剂型和用量，并且探索它与其它药物联合治疗的前景。
这项研究于2018年发表于Nature，阐明了重要药物靶点PD-1的新调控机制，有助于研究人员更好地理解肿瘤免疫应答并设计新的肿瘤免疫治疗方法。
“尽管以PD-1为代表的免疫检查点抑制剂取得了巨大的成功，但是，当前基于T细胞的癌症免疫疗法只在部分患者群体中有疗效。我们对免疫反应的很多机制还是不清晰的，使得理论上非常有效的方法实际效果难以尽如人意。因此，科学家还需要从新的角度去提升免疫疗法的效能。” 许琛琦指出。
作为细胞膜脂质的关键组分，胆固醇在T细胞信号转导和功能中发挥着重要作用。许琛琦研究组和本所的李伯良研究组展开了联合研究，相关研究成果发表于2016年的Nature上，证明了胆固醇代谢对肿瘤免疫应答起到了关键作用，开辟了肿瘤免疫治疗研究的一个全新领域。
▲代谢调控研究入选Nature 2016中国科学十大进展/中国生命科学十大进展
团队尝试了针对胆固醇“代谢检查点”的调控。胆固醇酯化酶ACAT1可以将细胞内的游离胆固醇转化为胆固醇酯。抑制CD8+T细胞的ACAT1活性可以使细胞质膜的游离胆固醇水平上升，从而使得TCR信号增强，T细胞肿瘤抗原免疫应答由此变得更加高效。
由此，团队发现了肿瘤免疫治疗的新靶点——胆固醇酯化酶ACAT1，并利用其小分子抑制剂avasimibe，成功调控了CD8+T细胞的抗肿瘤活性，发现该抑制剂具有很好的抗肿瘤效应；并且avasimibe与现有的肿瘤免疫治疗临床药物anti-PD-1联用后获得了更好的疗效。
这种改善T细胞功能的新方法有望作为当前免疫检查点抑制疗法的重要补充。
“研究得越深入，就越觉得我们对免疫学很多微观的机制依然没有研究得很透彻。从功能性研究，到机理性研究依然有很多需要翻越的高山大海。”许琛琦表示，“现有的免疫疗法依然有着种种局限，希望学术界和产业界都能够继续保持现在的耐心和热情，从各自的角度去探索更好的免疫治疗方案。”
生命科学的奥秘浩如烟海，也灿如星辰。正是一代又一代的科学家不断拨开迷雾，才有了星光熠熠的今日。
汇集免疫学理论的诸多发现，许琛琦提出了 “代谢与信号联合调控”的攻关方向。让我们共同期待，随着对T细胞功能的基础研究进一步深入开展，将为肿瘤免疫疗法持续提供新的策略和思路，指导更多创新疗法问世，造福人类健康。
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