脑癌在所有种类肿瘤中的发病人数仅占2%，发病率排名甚至没有进入前10。脑癌难诊断、难治疗，一直是科学家们致力于攻克的焦点。脑癌分为原发性脑癌和继发性脑癌。继发性脑癌主要指其他部位肿瘤的脑转移，如肺癌脑转移、乳腺癌脑转移等。从发病部位上脑癌可分为：脑胶瘤、垂体腺瘤、神经鞘瘤、颅咽管瘤，脑膜瘤等。其中胶质瘤最普遍，占所有脑部肿瘤的27%，在恶性脑部肿瘤中占比80%。随着胶质瘤级别的升高，患者的平均生存期逐步缩短。WHO II级低级别胶质瘤患者有6.5年的生存期；WHO III级间变性胶质瘤生存期降低到3.2年；WHO IV级胶质母细胞瘤(GBM)的平均生存期只有1.2年。脑癌缺乏精准靶向治疗药，目前只有替莫唑胺(TMZ)和贝伐珠单抗2种药物获得美国FDA的上市批准用于GBM的系统治疗，存在着极大未满足临床需求。免疫检查点抑制剂、CAR-T、溶瘤病毒和肿瘤疫苗等免疫疗法，有望填补脑癌领域精准治疗的空白。
脑癌药物开发高风险 CNS（中枢神经系统）疾病，是指神经退行性疾病、功能性紊乱、CNS感染等，包括阿尔茨海默症、帕金森症、抑郁症、精神分裂症、癫痫，以及原发性脑瘤和脑转移癌等。相比于其他治疗领域，CNS领域药物开发呈现出高风险的特点，从临床I期到上市的成功率仅为8.4%。而肿瘤药物从临床I期到上市的成功率只有5.1%。脑癌药物既属于CNS领域，也属于肿瘤领域。因此，它的开发风险极大。据统计，脑癌药物的临床失败率近60%，图1统计了不同临床开发阶段及状态的脑癌药物个数，大部分脑癌药物在临床阶段终止开发。
▲图1 脑癌药物不同临床状态及阶段的数量分布/个 来源：Datamonitor数据库 鉴于CNS脑癌药物开发的高风险，很少有Biotech公司会贸然介入此领域，甚至不乏一些MNC关闭CNS药物研发中心，比如GSK就于2017年关闭了CNS全球研发中心。图2统计了脑癌临床试验开展数量TOP10的制药企业情况。TOP10公司全部为MNC，涉及默沙东、罗氏、诺华、BMS、辉瑞、阿斯利康、卫材等，并没有见到Biotech公司的身影。
▲图2 脑癌药物临床试验开展数量TOP10制药企业 来源：Datamonitor数据库 虽然脑癌药物开发风险极大，但是存在着极大的市场空间。据统计，2014年全球脑胶质瘤药物的市场规模达到6.59亿美元，2024年将在此基础上增加到33亿美元，年复合增长率高达17%。中国Biotech公司赞荣医药和壁辰医药均专注于脑癌药物的管线布局及研发。赞荣医药利用对DMPK的独特理解，致力于开发原创性、高血脑屏障穿透力的小分子入脑抗癌药。其研发的ZN-A-1041是一款潜在的HER2+晚期乳腺癌脑转移的治疗药，目前处于临床I期。壁辰医药同样专注于入脑抗癌药物的开发。其研发的ABM-1310是一款BRAF抑制剂，在临床前试验中显示出高穿脑活性，目前处于临床I期。此外，于今年递交了科创板IPO的索元生物，专注于肿瘤领域和CNS领域疾病开发药物，管线布局中涉及到2个脑癌品种：DB102（PI3K抑制剂，一线GBM，III期）和DB107（Toca511+Toca FC，溶瘤病毒与小分子组合药，二线GBM，寻找生物标志物阶段）。这两个品种均来自于引进及合作开发。索元生物管线还布局了精神分裂症、抑郁症、阿尔茨海默症等CNS疾病。
1895年，Ehrlich博士首次发现血脑屏障(blood-brain barrier)现象。他将蓝色染料通过静脉注入动物体内后发现，除大脑外几乎所有器官都变成了蓝色。上世纪60年代电子显微镜出现后，科学家才直接观察到了血脑屏障。血脑屏障就是指脑毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血液与脑组织之间的屏障，其主要由血管内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞、细胞外连续的基底膜和细胞外基质及神经元构成。血脑屏障能够防止毒素及其他外源性有害物质进入脑内损害神经细胞，并且维持着脑功能所需物质的摄入，使内环境稳定以维持神经细胞的正常功能。新生儿的血脑屏障尚未发育成熟。如大脑中的P-gp（P-糖蛋白）表达在出生时非常有限，会随着年龄增长而逐步增加，并在3-6个月时达到成人水平。因为出生后血脑屏障上P-gp的表达量过低，吗啡会通过新生儿的血脑屏障并在大脑中蓄积，带来毒副作用。研究表明，母亲在哺乳期使用可待因会导至新生儿出现阿片类药物毒性，甚至危及生命。 由于血脑屏障的存在，几乎所有的大分子和98%以上的小分子药物都无法进入脑实质。药物分子进入脑实质主要通过以下途径：a.被动扩散，大部分小分子都是通过这一途径入脑，但是会受到主动外排的限制；b.通过细胞间隙入脑，这种方式只适用于极性低分子量的化合物；c.脑内皮细胞表达的转运蛋白介导的摄取，如肽转运体、转铁蛋白受体等；d.脑内皮细胞表达的受体蛋白介导的转运，通过受体介导的转运方式能使大分子顺利入脑，如胰岛素受体可转运胰岛素样生长因子进入脑实质。通过内源性血脑屏障转运系统能有效的穿透血脑屏障并靶向脑部肿瘤进行药物递送，为脑癌的治疗提供了一种安全有效的方法。目前与脑癌相关研究最多的是TfR1（转铁蛋白受体）、LAT1（大型中性氨基酸转运蛋白1）、AChR（乙酰胆碱受体）、LRP1和LRP2（低密度脂蛋白受体）等。 研究发现，CNS疾病均会对血脑屏障产生影响，如原发性/转移性脑癌会造成血脑屏障的渗漏。临床上也观察到脑瘤患者脑部的药物暴露量会更高。乳腺癌患者接受拉帕替尼治疗后，发生脑转移的患者脑部的拉帕替尼浓度高于未发生脑转移的患者脑部浓度。一些大分子抗体药物，如赫赛汀（曲妥珠单抗）在脑转移病人的脑脊液中蓄积更高。这些现象均说明脑部肿瘤会破坏血脑屏障的完整性。 在脑癌新药研发中选择合适的动物模型起着至关重要的作用。大鼠SOA(Short oral absorption)试验是筛选入脑化合物时常用的动物模型，通过比较化合物在大脑与血液的浓度比值来判断它的入脑程度。某研究中化合物的被动扩散较好，例如Papp（表观渗透系数）> 5*10-6 cm/s，也并非人体P-gp的底物，但在此大鼠模型中并未发现足够的脑部暴露量，很可能的原因是该化合物是大鼠P-gp底物，尽管P-gp在人体和大鼠的同源性非常高，但仍然存在着种属差异。血脑屏障种属差异的存在，导至临床前动物试验并不能很好的指导人体脑癌药物临床研究。
脑癌的流行病学分析 中国脑胶质瘤年发病率为5-8/10万，5年病死率仅次于胰腺癌和肺癌。脑胶质瘤发病机制尚不明确，目前确定的危险因素包括：暴露于高剂量电离辐射和与罕见综合征相关的高外显率基因遗传突变。此外，亚硝酸盐食品、病毒或细菌感染等致癌因素也可能参与脑胶质瘤的发生。虽然脑癌的发病率显著低于其他细分瘤种，但是难诊断、难治疗，致死率极高。2018年全球各国脑癌的发病率见图3。
▲图3 全球2018年脑癌发病率（人/100,000） 来源：The association between incidence and mortality of brain cancer and human development index (HDI): an ecological study. BMC Public Health 20, 1696 (2020). 中国癌症患者2000-2015年间发病率的变化趋势见图4。脑癌的发病率呈平缓升高趋势，女性相较男性而言增长较明显。
▲图4 中国各类癌症发病率2000-2015年变化趋势：A男性；B 女性 来源：Cancer incidence and mortality in China, 2015, Journal of the National Cancer Center, https://doi.org/10.1016/j.jncc.2020.12.001 中国癌症死亡率2000-2015年变化趋势见图5。中国脑癌患者的死亡率在过去15年间几乎没有什么变化。
▲图5 中国各类癌症死亡率2000-2015年变化趋势：A男性；B女性 来源：Cancer incidence and mortality in China, 2015, Journal of the National Cancer Center, https://doi.org/10.1016/j.jncc.2020.12.001
脑癌患者的减寿年数约22年，在所有癌症减寿年数中排名第4位。前3位分别是：睾丸癌、宫颈癌和霍奇金淋巴瘤。分析其原因，主要是因为脑癌难诊断和治疗。脑癌的分级从最轻者（I级）到侵袭力最强（IV级），生存率呈下降趋势。I级脑癌患者生存率最高，1年生存率高达96%，5年生存率约92.5%。IV级脑癌患者的生存率最低，1年生存率为26%，5年生存率只有2.5%。早期诊断可以延长患者的生存时间。
▲图6 不同种类肿瘤的减寿年数对比 来源：脑癌的流行病学分析[J].世界科学,2018(12):2+65.
尽管检测和治疗技术都有所进步，但脑癌所致的死亡人数在过去30年内没有什么变化。澳大利亚、加拿大、法国、英国、美国的脑癌死亡率远远大于日本，这些国家脑癌死亡率呈平稳波动趋势，具体见图7。包括中国、日本在内的亚洲国家，脑癌死亡率明显低于西方国家，可能是因为人口的基因差异。
▲图7 1980-2010年六国脑癌死亡率变化趋势对比 来源：脑癌的流行病学分析[J].世界科学,2018(12):2+65.
脑癌的常规治疗 GBM（胶质母细胞瘤）是CNS脑部肿瘤里最常见的、侵袭性最高的恶性肿瘤，占所有原发性脑瘤的15%，占所有胶质瘤的54%。GBM患者按基因型分为两类：IDH（异柠檬酸脱氢酶）野生型和突变型。90%的GBM患者呈IDH野生型，这类患者基本为临床上原发或新发GBM，年龄多发于55岁以上；IDH突变型占10%，由低级别弥漫性胶质瘤发展而来，多发于年轻患者。目前GBM的标准治疗包括：手术切除、放疗、化疗和综合治疗。 手术切除可延长患者的生存期，并获得肿瘤标本用来进行病理学诊断和分子遗传学检测。为了最大范围安全切除肿瘤，常采用神经导航、术中神经电生理监测和术中MRI实时影像等新技术。放疗可杀灭或抑制肿瘤细胞，延长患者生存期，常规分割外照射是脑胶质瘤放疗的标准治疗。GBM术后放疗联合TMZ（替莫唑胺）同步并辅助化疗，已成为成人新诊断GBM的标准疗法。 美国FDA近年只批准了2种药物用于GBM患者的系统治疗：TMZ获批上市用于新诊断GBM患者的治疗；贝伐珠单抗获批上市治疗复发性GBM患者。但是在现有疗法下，GBM患者仅获得了14.6个月的中位生存期，5年生存率低于5%。
▲来源：胶质母细胞瘤的治疗现状. 临床医学进展, 2020, 10(12): 2875-2882. 备注：Gliadel：卡莫司汀聚合物晶片（可生物降解）；PCV：洛莫司汀+甲基苄肼+长春新碱；Gliadel（卡莫司汀聚合物晶片）可产生严重颅内感染、颅内高压和脑脊液泄漏等并发症。因此不作为临床推荐使用。
脑癌免疫疗法进展 因为血脑屏障的存在，淋巴细胞极少能进入大脑。因此大脑被认为拥有“免疫特权”。但是随后研究发现，大脑并没有完全地和血液中的免疫细胞相隔离。大脑中的抗原可以通过硬脑膜和脑膜中的淋巴管流入颈部淋巴结。小胶质细胞作为大脑的常驻免疫细胞，可以作为一种抗原呈递细胞(APC)起作用，并且颈部淋巴结中的T细胞被激活后可通过脑脊液(CSF)进入脑实质。 GBM肿瘤细胞通过多种方式发挥免疫抑制作用。一方面，GBM肿瘤细胞可以分泌各种细胞因子或趋化因子，这些因子可以影响巨噬细胞极化，促进调节性T细胞募集，抑制DC（树突状细胞）和NK（自然杀伤）细胞的功能。另一方面，GBM肿瘤细胞能够表达免疫抑制分子，如表达的PD-L1可阻止T细胞的增殖和活化。 2021年Cancer Cell发布了一项研究成果，揭示了脑癌中起关键作用的生物图谱。丁莉教授团队对近百例GBM患者开展了调查分析，绘制了GBM发生发展过程中起关键作用的基因、蛋白、浸润细胞和信号通路的详细图谱。研究人员根据免疫细胞的类型和数量，将GBM划分为4种不同类型。1型GBM含有大量的巨噬细胞和少量T细胞；2型含有中等数量的巨噬细胞；3型含有大量的T细胞和少量的巨噬细胞；4型为“免疫沙漠”，即不含有任何类型的免疫细胞或者数量很少。这一发现揭示了GBM患者大多对免疫治疗无明显疗效的原因。以巨噬细胞为目标的免疫疗法如CD47疗法等，可能对1型有效，但是对4型无效。4种不同免疫亚群的存在，可能是GBM免疫治疗截至目前大样本III期临床均呈阴性的根本原因之一。 GBM的免疫疗法主要包括：免疫检查点抑制剂、疫苗、CAR-T细胞疗法和溶瘤病毒疗法。未来GBM的治疗方向在于：免疫疗法，与放化疗，以及作用于肿瘤微环境的分子靶向治疗的联合应用。脑胶质瘤各种疗法的作用机制见图8。
▲图8 脑胶质瘤的免疫疗法和靶向治疗 来源：Management of Glioblastoma: State of the Art and Future Directions. CA CANCER J CLIN 2020;70:299–312
截至目前，全球上市的PD-1/L1抗体药物，均未获批用于脑胶质瘤的治疗；PD-1/L1曾经针对GBM开展的III期临床也均以失败告终。 CheckMate143是首个PD-1治疗GBM的大样本随机III期临床试验。对比O药(Nivolumab)和贝伐珠单抗的疗效数据，结果显示未达到主要临床终点OS(mOS：9.8月vs10.0月；mPFS：1.5月vs3.5月)。但是在MGMT甲基化GBM、且未使用皮质类固醇的患者中，O药与贝伐珠单抗对比的mOS为：17.0月vs10.1月，结果表明这类患者可能获益于免疫检查点抑制剂。但受样本量的限制，该部分患者是否能从O药治疗中获益仍需进一步临床研究。 CHECKMATE498是一项针对MGMT非甲基化新诊断GBM患者的III期临床，O药联用放疗与TMZ联用放疗作对比的OS并无延长。而针对MGMT甲基化新诊断GBM患者的另一项III期临床CHECKMATE548结果显示，O药+放疗+TMZ组与TMZ+放疗组的PFS相比无延长，OS结果未公布。默沙东曾经开展一项II期临床试验，研究K药(Pembrolizumab)与贝伐珠单抗联用治疗复发性GBM的疗效，最终获得了4.1个月的mPFS和8.8个月的mOS 。 值得关注的是：新辅助PD-1单抗治疗能成功逆转复发性GBM肿瘤微环境的免疫抑制性，增强局部及全身的抗肿瘤免疫应答，提高局部免疫细胞浸润。NCT02550249是一项II期临床，旨在评价O药用作复发性GBM患者的新辅助治疗的疗效。临床结果显示：O药成功激起了患者的免疫应答，增强了趋化因子的转录表达，提高了免疫细胞浸润数量；O药作新辅助治疗后的mPFS达4.1个月，mOS达7.3个月；其中2例患者PFS分别达到28.5个月、33.3个月。 免疫检查点抑制剂(PD-1/L1、CTLA-4)已完成的极具代表性的临床研究，见表2。
▲来源：Current Immunotherapies for Gliblastoma Multiforme. Frontiers in Immunology.11:603911. GBM患者中MGMT启动子未甲基化比例可高达50-70%。MGMT甲基化的GBM患者对放化疗敏感，这类患者的标准疗法为Stupp方案（同步放化疗+6个周期TMZ辅助化疗）。而此方案对于MGMT未甲基化GBM患者的临床存在着争议。然而虽然存在争议，但是此类患者的优先治疗依然采用TMZ。目前MGMT是否甲基化在高级别胶质瘤中可作为预后判断指标，但是不能作为治疗效果指标。 一项针对新诊断MGMT未甲基化的GBM患者的II/III期临床试验(NCT04396860)正在进行中，旨在对比Ipilimumab+O药+放疗联合疗法与TMZ+放疗的疗效差异。K药治疗GBM的临床研究，除了单独使用K药，更多的是将K药与TMZ、放疗及贝伐珠单抗的联合应用；K药与TMZ、放疗的联用主要治疗新诊断的GBM患者；与贝伐珠单抗的联用主要用于复发性GBM患者。 截至目前获批上市的PD-L1抑制剂包括durvalumab，atezolizumab和avelumab，未曾开展针对脑胶质瘤的III期临床研究。在曾经开展的临床I/II期试验中，也并没有获得阳性结果。Durvalumab曾经开展的一项II期临床(NCT02336165)，共招募了159名GBM患者，这是全球首项PD-L1单抗用于GBM的临床研究。此项临床旨在评价Durvalumab联用基础放疗对于新诊断MGMT未甲基化GBM患者的疗效，以及Durvalumab联用贝伐珠单抗用于复发性GBM的疗效。临床结果显示：Durvalumab联合放疗治疗新诊断的MGMT未甲基化GBM患者疗效良好，40名入组患者的中位随访时间为24.5个月（截至2018年11月5日），1年生存率达50%。 PD-1/L1针对GBM正在开展的临床试验见表3。
▲来源：Current Immunotherapies for Gliblastoma Multiforme. Frontiers in Immunology.11:603911. ClinicalTrials.gov 备注：TMZ：替莫唑胺；BEV：贝伐珠单抗；HSRT：Hypofractionated stereotactic radiation therapy，即大分割立体定向放射治疗。
肿瘤细胞PD-L1表达强度、肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)、微卫星不稳定性(MSI)及DNA错配修复缺陷等，均会影响PD-1/L1单抗的疗效。GBM中TIL常呈耗竭状态，且数量较为稀少，而TIL的存在是免疫检查点抑制剂起效的基础。研究表明，具有高突变负荷、高新抗原负荷的肿瘤更易激发机体免疫。基于Barresi等的一项研究，在18–54岁、野生型IDH的GBM患者中分离出特殊的超突变（TML>9个突变/Mb）亚群，超突变患者OS与非超突变患者相比显著延长，提示GBM中的超突变患者具有更好的预后。 PD-1/L1抗体在针对GBM的III期临床研究中并没有表现出优效性。分析其原因，可能包括以下几点：肿瘤免疫原性不足；克服免疫抑制性微环境的能力不足；免疫检查点抑制剂不能通过血脑屏障并原位破坏免疫检查点信号等。因此，PD-1/L1疗法的联合应用可能对GBM的治疗更有效。2018年哈佛大学的研究者发现，表达PD-1抗体(scFvPD-1)的新型溶瘤性单纯疱疹病毒(oHSV)可以增强抗肿瘤效果。在临床前动物试验中，这种新型溶瘤病毒延长了GBM小鼠的中位生存期，而且诱导产生了抗肿瘤的记忆反应。这项发现为将溶瘤性HSV-1的肿瘤内局部应用与PD-1阻断的原位表达相结合的策略提供了支持。 综上，中国临床指南中不推荐抗PD-1疗法应用于MGMT非甲基化新诊断的GBM患者，也不推荐用于复发性GBM患者。目前抗PD-1新辅助治疗推荐用于复发性GBM患者的临床研究。
CAR-T（嵌合抗原受体T细胞免疫疗法)，是一种通过人体自身免疫细胞来杀死肿瘤的免疫细胞疗法。先从癌症患者PBMC（外周血单个核细胞）中分离出T细胞；在实验室中将T细胞进行基因工程改造，具体是：抗CD3和抗CD28的抗体刺激T细胞激活；利用基因工程将能特异识别肿瘤细胞的CAR结构转入T细胞；改造后的T细胞进行体外培养、扩增至治疗所需剂量，一般为十亿至百亿级别；化疗清淋预处理然后回输CAR-T细胞，观察疗效病严密监测不良反应。这就是CAR-T疗法的基本流程。 2017年，诺华研发的CTL-019（商品名Kymriah）获得美国FDA的批准上市，治疗急性淋巴细胞白血病，开创了免疫细胞治疗癌症的先河，CAR-T细胞疗法自此进入商业化时代。CAR-T技术发现于1986年，至今已有30多年的历史。2012年7岁白血病女孩埃米利的治愈，使CAR-T疗法引起了空前的关注。截至目前，全球共批准上市了6款CAR-T疗法。据统计，难治性血液肿瘤患者在目前疗法没有特别有效的情况下，使用CAR-T疗法的有效率高达50%-70%。CAR-T疗法治疗脑癌的作用机制见下图9。
▲图9 CAR-T细胞免疫疗法治疗脑癌的作用机理 来源：Brain immunology and immunotherapy in brain tumours. Nat Rev Cancer 20, 12–25 (2020). CAR-T细胞疗法针对GBM的临床研究靶点主要为：HER2、IL‐ Rα2和EGFRvⅢ等。首个自体HER2-CAR-CMV-T细胞疗法用于GBM的临床试验中，取得了24.5个月的中位总生存期。这是一项入组了16名GBM患者的I期临床。首个靶向IL‐ Rα2的I期临床，共入组了3例复发性GBM患者。术后在患者瘤腔内注射CAR‐T细胞后，1例患者肿瘤细胞的IL‐ Rα2表达量下调，1例患者的注射部位肿瘤坏死体积增加。mOS达11个月。首个靶向EGFRvⅢ CAR‐T临床I期试验，对10例MGMT非甲基化的复发性GBM患者静脉输注CAR‐T细胞，mOS只有8个月。首个前瞻性、多中心随机对照的研究CIK细胞疗法用于新诊断GBM患者的III期临床中，取得了22.5个月的中位总生存期。针对GBM患者作细胞疗法研究的已完成的临床情况，见表4。
▲来源：Current Immunotherapies for Gliblastoma Multiforme. Frontiers in Immunology.11:603911. 备注：CMV：巨细胞病毒
靶向EGFRvⅢ的CAR-T疗法，开展了一项I/II期临床研究(NCT01454596)，入组患者为EGFRvIII阳性的恶性胶质瘤，计划入组107人；针对新诊断GBM人群的EGFRvⅢ CAR-T疗法开展了一项I期临床(NCT02664363)，计划入组48人。更多的针对GBM进行的CAR-T细胞疗法临床试验信息，见表5。
▲来源：Current Immunotherapies for Gliblastoma Multiforme. Frontiers in Immunology.11:603911.
综上，CAR‐T疗法治疗脑癌的开发难点，与其他种类实体瘤具备的共性原因主要包括：肿瘤的异质性体现在不同患者对CAR-T细胞疗法的响应率不同；实体瘤微环境不仅包含Treg（调节性T细胞）、TAM（肿瘤相关巨噬细胞）等多种具有免疫抑制能力的细胞，还会过度表达TGFβ、IL-10、IL-4等细胞因子，而这些细胞因子具有免疫抑制作用。这些因素构成的实体瘤微环境会显著降低CAR-T细胞的效力。因此如何避免实体瘤微环境中的免疫抑制，且长时间维持局部CAR‐T细胞的水平便是需要解决的难题。而脑癌使用CAR-T治疗的特性问题在于，如何有效的透过血脑屏障进而发挥疗效，或者说如何有效输注细胞进入脑实质，如输入脑脊液治疗GBM等；此外，如何避免出现细胞因子风暴等严重副作用而又不影响CAR-T疗法的效力，则是CAR-T治疗所有肿瘤的普遍关注问题。因此，CAR-T用于脑癌的治疗仍需要更多的临床探索研究。
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