Neoantigen và ứng dụng trong điều trị ung thư

Neoantigen là gì?

Neoantigen là kháng nguyên đặc hiệu hiện diện trên bề mặt tế bào ung thư. Chúng là phân tử protein được hình thành từ đột biến ADN trong tế bào khối u. Neoantigen khác với kháng nguyên thường thấy trên tế bào khỏe mạnh, chúng là dấu hiệu đặc trưng cho tế bào ung thư. Vì vậy, neoantigen trở thành mục tiêu lí tưởng cho tế bào miễn dịch . Hệ miễn dịch sẽ nhận diện neoantigen là ngoại lai, qua đó kích hoạt đáp ứng miễn dịch chống lại khối u. Bởi vì neoantigen bắt nguồn từ chính tế bào ung thư của bệnh nhân, liệu pháp nhắm vào phân tử này có tính đặc hiệu cao và giảm tác dụng phụ lên các mô khỏe mạnh xung quanh.

Ảnh: Cấu trúc ADN
Nguồn: U.S. National Library of Medicine

Ảnh: Các loại tế bào miễn dịch
Nguồn: ihope.vn

Quá trình phát triển neoantigen

Khái niệm về neoantigen bắt đầu xuất hiện vào đầu những năm 1990, người ta nhận thấy tế bào ung thư có khả năng tạo ra kháng nguyên đặc hiệu do đột biến gen. Ngoài ra, họ cũng phát hiện hệ miễn dịch có thể nhận diện và tấn công những kháng nguyên này như một yếu tố ngoại lai.

Đến giữa những năm 2000, nhờ tiến bộ vượt bậc trong công nghệ giải trình tự gen, người ta có thể phân tích chi tiết bộ gen của khối u, do đó xác định chính xác các đột biến có khả năng tạo ra neoantigen.

Y học cá nhân hóa phát triển đã thúc đẩy lĩnh vực neoantigen tiến triển mạnh mẽ. Vào giữa thập niên 2010, thuật toán hiện đại đã cho phép xác định neoantigen từ mẫu khối u riêng lẻ. Cách tiếp cận cá nhân hóa này đã mở đường cho vaccine neoantigen phát triển. Vaccine này hoạt động với cơ chế kích thích hệ miễn dịch tấn công tế bào ung thư có biểu hiện neoantigen trên bề mặt.

Hiện nay, công nghệ giải trình tự thế hệ mới (NGS) đã tạo nên bước đột phá trong nghiên cứu gen, chúng nắm vai trò quan trọng đối với quá trình xác định neoantigen. NGS có thể phân tích toàn diện bộ gen của khối u nhằm phát hiện đột biến tạo ra neoantigen. ADN khối u được so sánh với ADN từ mô bình thường để xác định đột biến có khả năng mã hóa thành peptide mới mà hệ miễn dịch có thể nhận diện là tác nhân lạ. Khả năng giải trình tự thông lượng cao của NGS có thể phát hiện nhiều neoantigen tiềm năng, do đó, công nghệ này trở thành nền tảng quan trọng để phát triển vaccine ung thư cá nhân hóa.

Mặt khác, dữ liệu từ NGS được sử dụng trong tin sinh học để dự đoán khả năng liên kết của neoantigen với phân tử MHC. Liên kết này là bước quan trọng để trình diện peptide cho tế bào T và kích hoạt đáp ứng miễn dịch.

Nguồn gốc của neoantigen

Đột biến soma

Đột biến soma là nguồn phổ biến nhất tạo nên neoantigen, chúng là những đột biến xảy ra trong tế bào sinh dưỡng (không phải trứng hoặc tinh trùng). Trong tế bào ung thư, đột biến soma có thể hình thành neoantigen. Phân tử phức hợp tương thích mô học chính (Major Histocompatibility Comple – MHC) sẽ xử lí và trình diện neoantigen trên bề mặt tế bào ung thư, nhờ đó, tế bào T nhận diện chúng là protein ngoại lai và kích hoạt phản ứng miễn dịch.

Quá trình cắt ghép ARN thông tin thay thế

Một cơ chế khác góp phần hình thành neoantigen là quá trình cắt ghép ARN thông tin (mARN) thay thế. Quá trình này có thể tạo ra nhiều isoform protein khác nhau từ một gen duy nhất, dẫn đến sự hình thành các peptide độc đáo không tồn tại trong mô bình thường. Những peptide này có thể trở thành neoantigen. Isoform protein là các biến thể khác nhau của một loại protein được tạo ra từ cùng một gen, tuy nhiên, những biến thể protein này có cấu trúc và chức năng khác nhau.

Biến đổi sau dịch mã

Biến đổi sau dịch mã cũng có vai trò thiết yếu đối với hình thành neoantigen. Các quá trình biến đổi sau dịch mã như phosphoryl hóa, glycosyl hóa và carboxyl hóa có thể thay đổi cấu trúc của protein, do đó phân tử mới có khả năng hình thành neoantigen được tạo ra.

Phân loại neoantigen

Kháng nguyên đặc hiệu khối u (Tumor-Specific Antigens – TSA)

Kháng nguyên đặc hiệu khối u là những kháng nguyên hiện diện duy nhất trong tế bào ung thư, chúng không tồn tại trong mô bình thường. Các kháng nguyên này được tạo ra từ đột biến trong tế bào ung thư. Do đó, TSA có khả năng sinh miễn dịch cao, nghĩa là chúng có thể kích hoạt phản ứng miễn dịch mạnh mẽ. Vì vậy, TSA trở thành mục tiêu lí tưởng cho liệu pháp miễn dịch điều trị ung thư. Ngoài ra, dựa vào tính đặc hiệu của TSA đối với tế bào ung thư, người ta phát triển các loại vaccine ung thư cá nhân hóa có thể nhắm trúng đích và tiêu diệt tế bào ung thư mà không gây tổn hại đến những tế bào khỏe mạnh xung quanh.

Kháng nguyên kết hợp khối u (Tumor-Associated Antigens – TAA)

Kháng nguyên kết hợp khối u là các protein được biểu hiện với mật độ cao trong tế bào ung thư, đồng thời chúng cũng tồn tại với số lượng ít trong tế bào bình thường. TAA có thể là những protein bình thường được sản xuất quá mức trong tế bào ung thư hoặc chúng là protein bị biến đổi do hoạt động sinh học của khối u thay đổi. TAA có thể kích hoạt đáp ứng miễn dịch, tuy nhiên phản ứng do các phân tử này tạo ra không mạnh mẽ bằng TSA.

Ứng dụng neoantigen trong điều trị ung thư

Vaccine ung thư cá nhân nhân hóa

Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của neoantigen là phát triển vaccine ung thư cá nhân hóa. Những vaccine này được thiết kế để kích thích hệ miễn dịch chống lại neoantigen đặc hiệu hiện diện trong khối u của từng bệnh nhân. Người ta xác định neoantigen đặc trưng cho khối u, từ đó tạo ra vaccine cho từng người bệnh. Sau khi bệnh nhân tiêm vaccine, tế bào T sẽ tăng cường phản ứng chống lại tế bào ung thư mà vẫn bảo vệ các mô khỏe mạnh, qua đó kết quả điều trị ung thư được cải thiện.

Liệu pháp nuôi dưỡng tế bào T

Đối với cách tiếp cận này, tế bào T được thiết kế để nhắm mục tiêu vào neoantigen cụ thể và tăng số lượng lên bên ngoài cơ thể. Đầu tiên, người ta phân lập tế bào T từ bệnh nhân, sau đó sửa đổi tế bào này để chúng nhận diện hiệu quả neoantigen rồi đưa trở lại cơ thể bệnh nhân. Tính đặc hiệu của tế bào T đối với neoantigen cho phép chúng tiêu diệt tế bào ung thư hiệu quả, do đó liệu pháp này thường được ứng dụng trong điều trị ung thư có mức độ đột biến cao.

Liệu pháp neoantigen off-the-shelf

Liệu pháp neoantigen off-the-shelf là bước tiến mới trong điều trị ung thư bằng liệu pháp miễn dịch. Thay vì tạo ra vaccine riêng cho từng bệnh nhân, phương pháp này tập trung vào các neoantigen phổ biến và có thể sử dụng cho nhiều người khác nhau. Những neoantigen này được đóng gói sẵn và có thể sử dụng ngay khi có nhu cầu. Do đó, liệu pháp này đơn giản hóa quá trình phát triển và phân phối, nên vaccine ung thư dễ tiếp cận và tiết kiệm chi phí hơn.

Vaccine neoantigen off-the-shelf nhắm đến đột biến dịch khung thường xuất hiện trong khối u có tính bất ổn định microsatellite. Microsatellite là các đoạn ADN ngắn lặp lại liên tiếp. Bất ổn định microsatellite xảy ra khi hệ thống sửa chữa lỗi ADN hoạt động bất thường, dẫn đến mất ổn định và xuất hiện đột biến trong các đoạn lặp lại này. Tế bào ung thư có tính bất ổn định microsatellite thường tích lũy nhiều đột biến, trong đó có đột biến dịch khung. Những đột biến này hình thành các dạng neoantigen phổ biến trên nhiều bệnh nhân. Người ta nhận thấy những neoantigen này có thể kích thích phản ứng miễn dịch mạnh mẽ, do đó chúng trở thành lựa chọn lí tưởng cho phương pháp điều trị off-the-shelf.

Hiện nay, nhiều nghiên cứu lâm sàng đang được thực hiện để đánh giá hiệu quả của vaccine neoantigen off-the-shelf. Ví dụ, một nghiên cứu giai đoạn 2 đang thử nghiệm phương pháp sử dụng đa neoantigen trên bệnh nhân ung thư phổi không tế bào nhỏ (NSCLC) di căn. Nghiên cứu này đã chứng minh tính khả thi của liệu pháp này trong điều trị nhiều loại ung thư.

Vaccine kết hợp với liệu pháp ức chế điểm kiểm soát miễn dịch

Chất ức chế điểm kiểm soát miễn dịch là những loại thuốc ngăn chặn protein ức chế như PD-1, PD-L1 và CTLA-4. Tế bào ung thư thường sử dụng các protein này nhằm đánh lừa hệ miễn dịch và ức chế tế bào T hoạt động hiệu quả. Khi sử dụng chất ức chế điểm kiểm soát miễn dịch, protein ức chế sẽ bị vô hiệu hóa, do đó tế bào T có thể hoạt động tự do và tiêu diệt tế bào ung thư. Hiệu quả điều trị của liệu pháp này liên quan chặt chẽ đến số lượng neoantigen trong khối u. Neoantigen hiện diện với số lượng lớn sẽ làm tăng hiệu quả điều trị của liệu pháp ức chế điểm kiểm soát miễn dịch.

Vaccine neoantigen có khả năng tạo ra nhiều tế bào T đặc hiệu có chức năng nhận diện tế bào ung thư, mặt khác, liệu pháp ức chế điểm kiểm soát miễn dịch bảo vệ tế bào T không bị ức chế hoạt động trong môi trường vi mô khối u. Do đó, hai biện pháp này kết hợp với nhau sẽ kích hoạt phản ứng miễn dịch mạnh hơn và làm tăng thời gian đáp ứng miễn dịch so với sử dụng từng liệu pháp đơn lẻ.

Tiêu chí lựa chọn neoantigen trong điều trị

Mức độ liên kết với phân tử MHC

Neoantigen có khả năng liên kết với phân tử MHC là yếu tố then chốt để trình diện kháng nguyên cho tế bào T và kích hoạt tế bào này hoạt động. Người ta sử dụng kĩ thuật khối phổ nhằm xác định và định lượng neoantigen có khả năng liên kết với MHC, qua đó cung cấp thông tin chi tiết về các neoantigen có khả năng sinh miễn dịch cao.

Khả năng kích hoạt đáp ứng miễn dịch

Xét nghiệm kích hoạt tế bào T được thực hiện nhằm đánh giá trực tiếp khả năng neoantigen kích thích đáp ứng miễn dịch. Người ta nuôi cấy tế bào T với tế bào trình diện kháng nguyên (APC) mang neoantigen, APC sẽ trình diện kháng nguyên neoantigen trên bề mặt để kích hoạt tế bào T hoạt động. Sau đó, người ta đo mức độ hoạt hóa tế bào T thông qua quá trình sản xuất cytokine hoặc khả năng tăng sinh của tế bào T. Phương pháp này cung cấp bằng chứng trực tiếp về khả năng kích hoạt đáp ứng miễn dịch tế bào của neoantigen.

Hiệu quả trên mô hình động vật và lâm sàng

Các mô hình động vật rất quan trọng nhằm đánh giá hiệu quả của liệu pháp nhắm mục tiêu neoantigen. Nghiên cứu trên mô hình động vật cho phép quan sát đáp ứng miễn dịch toàn diện, bao gồm khả năng làm giảm kích thước khối u trong môi trường sinh học phức tạp. Cuối cùng, người ta thử nghiệm lâm sàng trên bệnh nhân nhằm đánh giá hiệu quả, mức độ an toàn và tiềm năng ứng dụng thực tiễn của neoantigen.

Khó khăn khi ứng dụng neoantigen

Phát hiện và xác định neoantigen

Neoantigen phát sinh từ đột biến trong tế bào ung thư, do đó phát hiện neoantigen yêu cầu công nghệ giải trình tự gen và công cụ tin sinh học tiên tiến. Ngoài ra, quá trình xác minh khả năng sinh miễn dịch của những phân tử này cũng rất phức tạp và tốn kém. Mặt khác, đa dạng di truyền giữa các khối u có thể làm neoantigen thay đổi biểu hiện, do đó tăng độ phức tạp cho quy trình xác định neoantigen.

Khả năng trốn tránh miễn dịch của khối u

Một thách thức lớn khác là khối u có khả năng trốn tránh miễn dịch. Tế bào ung thư có thể phát triển nhiều cơ chế nhằm trốn tránh phản ứng tấn công của hệ miễn dịch. Ví dụ, chúng giảm biểu hiện neoantigen trên bề mặt hoặc thay đổi vi môi trường khối u. Khả năng này của tế bào ung thư có thể làm liệu pháp neoantigen giảm hiệu quả. Do đó, người ta cần tìm hiểu và ngăn chặn các cơ chế này nhằm nâng cao hiệu quả điều trị.

Sản xuất và chi phí

Quá trình sản xuất và chi phí thực hiện liệu pháp neoantigen cá nhân hóa cũng là một rào cản lớn. Thiết kế vaccine hoặc tế bào T cho từng cá nhân yêu cầu công nghệ phức tạp, tốn nhiều thời gian và chi phí cao. Những yếu tố này có thể hạn chế khả năng tiếp cận của bệnh nhân với liệu pháp neoantigen.

Lời kết

Các liệu pháp điều trị dựa trên neoantigen là hướng đi đầy hứa hẹn trong cuộc chiến chống ung thư. Neoantigen có khả năng kích hoạt đáp ứng miễn dịch đặc hiệu, do đó chúng có tiềm năng phát triển thành liệu pháp điều trị ung thư cá nhân hóa, mang lại hiệu quả và độ an toàn cao hơn so với những phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, quá trình phát triển liệu pháp điều trị ung thư dựa trên neoantigen vẫn gặp nhiều khó khăn. Hiện nay, người ta đang từng bước giải quyết những khó khăn này dựa trên công nghệ hiện đại như giải trình tự gen, tin sinh học, miễn dịch học ung thư và công nghệ sản xuất vaccine.