前言
癌症免疫疗法是通过刺激免疫系统来摧毁肿瘤,不同癌症的免疫治疗中,患者的生存期有显著提高;联合常规治疗方法更会增加20%-30%的疗效。如今,免疫治疗已成为继手术、放化疗、靶向治疗后,另一有效的治疗手段。人体的免疫治疗对抗肿瘤这一概念最早可以追溯道19世纪50年代。近年来,随着肿瘤免疫机制的进一步明确,已有多个免疫检查点相关药物被批准用于多种癌症。
黑色素瘤是一种皮肤癌,它起源于色素细胞,和其他癌症类型相比,黑色素瘤细胞的高突变负荷增加了黑色素瘤的免疫原性和免疫细胞向肿瘤的浸润。现今,黑色素瘤已经被用作免疫疗法开发的模型。今年二月份发表在《Nature》的一篇综述:Mechanisms of immune activation and regulation: lessons from melanoma,以黑色素瘤为切入点,回顾了肿瘤免疫反应的机制,并讨论了免疫治疗最新的进展以及治疗策略。
背景
皮肤黑色素瘤是一种黑色素细胞导致的恶性肿瘤,太阳紫外线照射是最主要的风险因素,导致了黑色素瘤的高突变负荷。黑色素瘤表现出许多与肿瘤细胞生存和增殖相关的driver突变和passenger突变,目前已有小分子药物靶向其中一些突变。肿瘤微环境(TME)是肿瘤发展、生长、侵袭和转移的关键调节因子,在肿瘤免疫和患者预后方面发挥着核心作用。黑色素瘤中肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)的存在及其定位、成分和密度可影响免疫反应和患者生存。然而,肿瘤进展仍可能发生在T细胞浸润的情况下,这是诱导免疫逃避的一个迹象。
这种现象可能有几种机制,例如抑制肿瘤特异性T细胞、抗原或呈递它们的MHC分子缺乏或水平低、浸润 T 细胞上缺乏趋化剂或其受体、TME中的肿瘤细胞、邻近细胞或抑制性免疫细胞分泌的抑制因子。除了CD4+和CD8+T细胞外,其他先天性T细胞,如自然杀伤T细胞,γδT细胞,MAIT细胞,在控制肿瘤生长过程中也扮演了十分重要的角色。此外,在肿瘤中还发现了其他的先天性或适应性免疫细胞类型,包括巨噬细胞、树突状细胞、B细胞、肥大细胞、自然杀伤细胞和中性粒细胞。
免疫检查点抑制剂(ICIs)通过逆转效应T细胞功能障碍和耗竭,从而增强其抗肿瘤特性,在转移性黑色素瘤中显示出显著的临床疗效。这一成功导致ICIs被用作黑色素瘤和其他癌症类型的一线治疗。然而,40–60%的黑色素瘤患者并没有取得显著的治疗效果,许多患者经历了肿瘤复发。
在这篇综述中,作者通过关注影响抗肿瘤免疫的不同机制,概述了对黑色素瘤免疫反应最新理解。讨论肿瘤细胞内在因素在免疫反应中的作用、TME 中的免疫细胞如何与肿瘤细胞相互作用、肿瘤中免疫细胞如何发挥其功能;以及微生物组学对抗肿瘤免疫的影响。这些信息如何帮助更好地靶向参与抗肿瘤免疫反应的免疫机制、治疗方式的开发、时机的作用以及不同类型治疗的组合以实现最大效果。
内容
一、肿瘤细胞内在因素
肿瘤细胞的抗原性主要是由于其遗传、转录和功能性景观的改变而产生的。这些肿瘤细胞的内在因素一方面决定了天然的抗肿瘤T细胞反应的诱导和维持,另一方面,导致了ICIs治疗的抵抗[Fig.1]。
1. 肿瘤细胞抗原性
黑色素瘤是高抗原性肿瘤,这在肿瘤自发消退、T细胞高浸润和患者对ICIs响应较高的患者中很明显。尽管抗原不敏感疗法在黑色素瘤治疗方面取得了成功,但我们必须了解肿瘤细胞抗原性的来源,以便开发抗原靶向疗法。这一目标导致了仅由肿瘤细胞表达的肿瘤特异性抗原或肿瘤相关抗原,或虽然在正常细胞中表达,但是明显在肿瘤细胞中表达水平升高的肿瘤相关抗原的鉴定,以及这些抗原在肿瘤免疫反应中的作用。
此前,黑色素瘤抗原研究主要集中于黑色素瘤细胞中过度表达的野生型基因的肿瘤相关抗原,如编码黑色素分化抗原的基因、不太重要的组织的抗原等。最近的研究表明,肿瘤中突变抗原可以作为免疫显性抗原发挥作用,因为它们在正常组织中不表达,因此绕过了中枢神经耐受。这些发现促使人们致力于开发新的鉴定突变肽的方法,并了解如何更好地预测它们在癌细胞上发现的MHC分子的呈现及其免疫原性。
抗原识别方法:
出于治疗目的,理想的肿瘤抗原应具有免疫原性和肿瘤特异性,由肿瘤细胞呈现。目前的抗原识别方法依赖于这些属性,并基于使用免疫肽组学对抗原进行物理纯化,或基于识别它们的T细胞的存在,通过使用肽、串联小基因、cDNA文库或四聚体的抗原筛选进行识别。所有的这些方法都需要抗原序列的先验知识,作为抗原识别的输入。
在所有癌症类型中,黑色素瘤的突变率最高[Fig.S1];虽然突变抗原具有治疗潜力,但它们具有高度的患者特异性,并且从复发性黑色素瘤突变中识别的共有突变抗原的数量很低。同样,在每个患者中识别的临床相关的突变抗原的数量也非常有限,每个患者只有很少的突变抗原,或者根本没有。
Ref:Lawrence MS, Stojanov P, Polak P, et al. Mutational heterogeneity in cancer and the search for new cancer-associated genes. Nature. 2013;
使用突变抗原的另一个障碍是——它们在肿瘤和转移部位的异质性,这是由于肿瘤免疫编辑和多种治疗方法的选择效应导致的肿瘤突变景观的异质性。在黑色素瘤小鼠模型中,肿瘤异质性降低可导致强有力的免疫检测,这可以解释肿瘤异质性与患者生存之间的联系。
对抗原加工和呈递通路的不断增加的了解,以及对基因组、转录组和蛋白质组肿瘤景观的逐渐挖掘,正在揭示呈递抗原的全部内容。全基因组和全外显子组测序、RNA 测序和核糖体分析等技术已经允许鉴定源自突变(非同义单核苷酸变异、移码和插入缺失)、易位、可变剪接(转录物融合或替代 mRNA 或蛋白酶体剪接事件)、替代核糖体产物、翻译后修饰和非编码或snRNA。黑色素瘤细胞呈递的其他抗原来源是内源性逆转录病毒和肿瘤内细菌。
肿瘤免疫编辑(Tumour immuno-editing):免疫编辑是一个由免疫监视和肿瘤进展组成的动态过程,它描述了肿瘤细胞和免疫系统之间的关系,主要可以分为3个阶段——清除(Elimination)、平衡(Equilibrium)、逃逸(Escape)。最初,免疫系统识别转化的细胞并清除它们,未被清除的细胞会进入平衡阶段。然后经过编辑的肿瘤可以逃脱免疫系统并表现出无限制的生长[Fig.S2]。
Ref:O'Donnell JS,Teng MWL, Smyth MJ. Cancer immunoediting and resistance to T cell-based immunotherapy. Nat Rev Clin Oncol . 2019;
2. 干扰素γ的反应和信号传递
肿瘤细胞中干扰素-γ (IFNγ) 通路的激活在抗肿瘤免疫反应中具有双重作用,这取决于激活的持续时间和 IFNγ 通路组分的存在。IFNγ 信号传导具有直接的抗增殖和促凋亡作用,可导致 CXCL9 和 CXCL10 等趋化因子的分泌,并增加抗原加工机制和表面MHC-I、 MHC-II 分子的表达。IFNγ还可以改变呈递抗原的种类,从而提高肿瘤细胞的免疫原性。相比之下,黑色素瘤细胞长期暴露于IFNγ可导致表观遗传学和转录组学改变,导致抑制性T细胞受体上调和ICIs耐药。
3. 抗原呈递丧失
IFNγ信号通路对肿瘤免疫的影响依赖于其上调MHC-I类抗原呈递的能力。尽管在一些 MHC-I 缺陷型肿瘤中,用 IFNγ 治疗可以恢复抗原加工机制的表达和 MHC-I 表达,但在其他情况下,抗原呈递缺陷是不可逆的。尽管MHC-II表达在黑色素瘤细胞中的作用尚不清楚,但有研究人员建议将其用作抗PD1治疗反应的预测性生物标志物。与MHC-I递呈通路相比,MHC-II抗原递呈的缺陷较少见,但已报道了MHC-II介导的对PD1抑制的抵抗机制。此外,黑色素瘤中MHC-II的异常表达可吸引CD4+T细胞,从而抑制CD8+T细胞的抗肿瘤反应。
4. 致癌信号
除了基因改变对肿瘤抗原的贡献外,致癌信号还可以通过各种其他机制影响肿瘤免疫。 尽管其他类型的癌症中显示的机制也可能与黑色素瘤有关,但这里仅讨论先前在黑色素瘤模型和黑色素瘤患者中描述的最常见的致癌信号传导机制。
在黑色素瘤的发展和免疫逃避中,MAPK 信号通路扮演了十分重要的角色。大约一半肿瘤患者携带BRAFV600E 激活突变。使用Vemurafenib抑制BRAF蛋白突变,通过增加 MHC-I和黑色素瘤分化抗原的表达,显示黑色素瘤细胞对 T 细胞介导的细胞毒性的敏感性增加,而不影响 T 细胞功能。
黑色素瘤细胞中的其他畸变,包括PTEN的丢失,降低肿瘤细胞对 T 细胞介导的肿瘤杀伤的敏感性,这也与 T 细胞浸润减少和 PD1抑制剂治疗的较差结果相关。WNT-β-连环蛋白信号的激活与 T 细胞浸润减少、免疫抑制细胞因子的产生以及通过破坏表达转录因子 BATF3 的 DCs 的募集来防止 T 细胞引发抗肿瘤反应相关。最近的证据表明,肿瘤去分化也可能在对免疫疗法的抵抗中发挥作用。
二、免疫细胞对黑色素瘤的影响
1.免疫检查点
TILs 活性是免疫监视成功的主要决定因素。TILs可以识别由肿瘤细胞呈递的抗原,并且在共刺激因子的参与下,TIL激活可以介导肿瘤细胞杀伤,从而控制肿瘤生长。另一方面,TIL活性会被表达抑制性检查点分子阻碍。这些免疫检查点及其配体在细胞分布、功能作用和参与免疫反应方面各不相同[Fig.2]。
研究最广泛的免疫检查点分子是PD1和CTLA4,临床上广泛应该PD1和CTLA4抑制剂,它们是黑色素瘤患者的一线治疗药物。其他使用较为广泛的免疫检查点包括LAG3(淋巴细胞活化基因3蛋白)、TIM3(T细胞免疫球蛋白粘蛋白受体3)、TIGIT(具有免疫球蛋白和 ITIM 结构域的T细胞免疫受体)。通过人类黑色素瘤肿瘤样本中的单细胞分析,这些免疫检查点已显示在 TILs 的CD8+亚群中上调。
ICIs的使用改变了黑色素瘤的治疗方法,提高了黑色素瘤晚期患者的总体生存率。ICIs也可作为其他癌症的一线治疗方式,例如非小细胞肺癌。CTLA4或PD1阻断抗体的单一疗法显著延长了一些患者的生存期,但仍旧有40-60% 的患者对该疗法没有反应,这导致了靶向其他免疫检查点分子的联合治疗的发展。
2. 免疫细胞的动态变化
TME不同成分之间的相互作用导致细胞群体的动态变化,细胞群体的动态变化对肿瘤进展至关重要。黑色素瘤的特点是免疫细胞浸润相对较高,因此被认为是一种免疫原性恶性肿瘤。然而,这些免疫细胞可能会产生相反的作用,启动或抑制免疫反应。
(1)肿瘤微环境中的免疫细胞激活
T细胞在抗肿瘤免疫反应中起主要作用。T细胞中的shRNA(short hairpin RNA)和CRISPR筛选已经确定了介导T细胞特异性细胞功能的通路,这项研究有助于药物开发和基于基因重编程的T细胞的疗法的设计。这些技术已在体内和体外模型中得到应用,用于识别T细胞受体(TCR)信号的正向和负向调节。
在注射OT-1 TCR转基因CD8+T细胞的荷瘤小鼠中,进行shRNA筛查,识别B16黑色素瘤细胞表达替代肿瘤抗原卵清蛋白,确定了靶标PPP2R2D——PP2A磷酸酶家族的一个调节亚单位。在人类CD8+细胞中进行的单独的CRISPR 筛选,确定了 TCR 信号传导的几个负调节因子。通过增加早期激活的CD69和CD40L细胞表面标志物的表达,以及杀死靶标A375黑色素瘤细胞系,编码这些调控子的基因消融增强了CD8+T细胞功能。 这些研究表明,对T细胞进行基因改造,可是使其具有抗黑色素瘤活性。
促进黑色素瘤患者免疫反应的另一个方面是肿瘤内存在高度组织化的三级淋巴结构(TLSs:Tertiary lymphoid structures),包括B细胞、T细胞和DCs(树突细胞)。这些细胞在高内皮小静脉(HEV)周围形成高度特化的免疫聚集体,从而能够招募幼稚 B 细胞和 T 细胞。肿瘤浸润性 B 细胞和TLSs均已被证明可促进黑色素瘤患者的免疫治疗反应。 在这些结构中激活的免疫机制尚未完全了解。 然而,肿瘤相关TLSs的重要性已被明确确立。天然免疫细胞,如NK细胞,也可以消除肿瘤细胞。此外,非常规的先天样T细胞(包括γδT细胞、NKT细胞和MAIT细胞)在调节肿瘤免疫方面也很重要。
(2)肿瘤微环境中的免疫细胞抑制
TME中的许多不同细胞,包括基质细胞、成纤维细胞、调节性T细胞(Treg细胞)、髓源性抑制细胞(MDSC)和肿瘤相关巨噬细胞 (TAM)都会抑制免疫细胞活化。Treg细胞是免疫抑制性T细胞,可通过抑制CD8+T细胞、NK 细胞、B 细胞和APC来抑制抗肿瘤免疫反应。在包括黑色素瘤在内的多种癌症中,高水平的Treg细胞浸润与复发、肿瘤进展和转移有关。
在TME基质细胞中,癌症相关成纤维细胞(CAF) 是最丰富的。这些细胞在形成肿瘤细胞周围的细胞外基质 (ECM) 结构中发挥作用;同时,它们还在肿瘤发生中发挥作用。已经表明,使用人类黑色素瘤相关的CAFs,基质金属蛋白酶 (MMP) 的分泌导致NKG2D的配体MICA和MICB水平的降低,从而抑制肿瘤细胞对NK细胞介导的杀伤作用的敏感性。此外,因为 ECM 重塑、胶原沉积和机械力可以调节免疫细胞迁移和激活,ECM重塑产生的ECM 和蛋白水解产物也可能在免疫治疗抵抗中发挥关键作用。很明显,在黑色素瘤等免疫原性肿瘤的中,免疫系统的不同分支之间存在不断变化的平衡,导致肿瘤识别和消除。同时,肿瘤进化还包括允许肿瘤细胞逃避免疫监视和抗肿瘤免疫的免疫编辑机制。
基于这些发现,靶向免疫抑制细胞群已成为一种有吸引力的治疗干预策略,主要是通过抑制它们向 TME 的募集和施用共刺激分子以增强T细胞活化。
3. 肿瘤免疫的代谢调节
在 TME 中,肿瘤细胞和免疫细胞都在争夺资源,通常会遇到缺氧、氧化应激和营养缺乏等挑战。T细胞活化和肿瘤细胞增殖需要有氧糖酵解。除了营养之外,肿瘤脉管系统的异常特征会产生缺氧区域,导致糖酵解活性和乳酸产生增强。乳酸的增加使TME酸化,影响抗肿瘤免疫反应。肿瘤和免疫细胞之间的营养竞争为肿瘤细胞逃避免疫反应提供了另一种手段,在研究抗肿瘤免疫时需要考虑这一原则。
三、微生物群的参与
1.肿瘤微生物组
早在100年前,就有许多关于肿瘤内细菌的报道。关于黑色素瘤中的瘤内微生物组,人们的认识存在很大差距。大多数研究都是针对上呼吸消化道中的肿瘤进行的。最近的一项研究显示,包括黑色素瘤在内的许多肿瘤都有微生物组,这表明肿瘤微生物组比先前的认为更为普遍。本研究阐释了肿瘤内与呼吸消化道(呼吸道、肺道、上消化道)无直接关系的微生物,因此它们不太容易含有共生生物。这些微生物似乎具有肿瘤类型特异性,表明它们具有肿瘤特异性作用。
肿瘤内微生物组已被证明具有影响肿瘤进展和对治疗反应的各种功能,包括通过增加诱变直接促进肿瘤发生、调节致癌通路或调节宿主免疫系统。此外,一些研究表明,微生物组会影响癌症患者化疗药物的效率。
2.对免疫反应的影响
肠道微生物在抗肿瘤应答和ICIs响应中的作用已在临床前小鼠模型和各种癌症患者的研究中得到证实。最近的临床试验表明,将抗PD1治疗有响应的患者的粪便微生物,移植到对抗PD1治疗无效的转移性黑色素瘤患者中,发现该患者克服了耐药性;暗示肠道菌群的调节可以发展为黑色素瘤的治疗方法。
已经研究针对单个微生物和人类微生物组进行测序,深入了解了它们对健康和疾病的影响。除了测序,基于显微镜和流式细胞术的方法也被证明是检测和研究肿瘤相关微生物组的有效工具。不同肿瘤类型中的微生物可能会影响TME和肿瘤免疫。来自TCGA的 RNA测序数据显示,肿瘤内肠道微生物可以调节趋化因子水平并影响黑色素瘤中的 CD8+T细胞浸润,从而影响患者的生存。
另一方面,TME 中的很多微生物是免疫抑制的。PDAC肿瘤中不同的细菌通过TLR连接促进抑制性单核细胞分化,导致T细胞无响应。
四、将机制转化为治疗
由于免疫细胞大量参与了黑色素瘤的肿瘤微环境,黑色素瘤长期以来均被作为研究和开发免疫治疗的模型。针对TME的不同成分设计了不同的治疗方法,包括肿瘤细胞的内在和外在因素。尽管一些疗法在黑色素瘤的临床治疗中取得了成功——如ICIs、过继性免疫治疗、抗原特异性疫苗;但一些患者对所选的治疗并无响应,或会因为肿瘤免疫逃逸而复发。
故为每位患者选择最佳靶点是一个巨大的挑战,需要考虑肿瘤细胞的遗传、转录、表观遗传和抗原环境,以及肿瘤的其他免疫和非免疫细胞成分。靶向多种成分的组合治疗策略可能提供更大的疗效,但选择最佳组合必须在最大限度诱导免疫反应的同时,最大限度的减少不良反应和耐药。
了解免疫系统对肿瘤的影响要考虑的首要问题是,是否有预先的抗肿瘤免疫反应?最直接的指标可能是TME中的T细胞。类似的,预测ICIs存活和反应的特定T细胞状态的存在和频率,也可以用作预先存在的免疫反应的生物标记物。
(1)存在事先免疫
如果存在事先免疫,ICIs的使用有助于逆转肿瘤特异性T细胞的局部免疫抑制效应,或从外周诱导和招募肿瘤特异性T细胞。ICIs反应最直接的生物标志物是TME中的免疫检查点分子的表达。不过,这些生物标志物并未在所有测试的队列中显示出强大的预测能力;并且这些生物标志物对ICIs反应没有特异性,可能这些标志物表明的是先前对肿瘤的免疫反应。ICIs反应的另一个生物标志物是 TLSs,与其他生物标记物相比,TLSs的存在表明正在进行的抗肿瘤免疫反应,并提供了多种细胞类型之间的动态相互作用的信息,可能是一种更具包容性的生物标记物。但仍需要进一步研究来确定TLSs在黑色素瘤和其他肿瘤中的作用,了解TLSs内发生的不同的相互作用,以及 TLS 的形成机制。
在表现出事先免疫的肿瘤中,无论它们对ICIs的响应能力如何,降低TME中细胞的抑制作用或激活 T 细胞活性的治疗可以与上述治疗方式相结合。例如,降低 T-reg 细胞、MDSCs、TAMs 和 CAFs 的抑制作用,以及不同细胞类型之间的信号通路,可以降低 T 细胞和 NK 细胞的抑制作用。用不同的细胞因子和趋化因子治疗患者,促进 T 细胞活化和免疫细胞向肿瘤迁移,从而导致抗肿瘤免疫激活。
(2)不存在事先免疫
在没有事先免疫的肿瘤中,事先免疫缺失可能是由于抗原的丢失或缺失,或抗原呈递分子(如B2M或MHC分子)的丢失。虽然可以弥补或修复抗原呈递通路中某些成分的丢失或低表达,减少的肿瘤细胞抗原性可以通过先前提到的治疗方法增加,不过,在丢失MHC分子的肿瘤治疗中,不能依赖 TCR-肽-MHC识别。由于NK细胞可以识别MHC低表达的肿瘤细胞,因此可以应用不同的治疗方法来提高NK细胞的细胞毒性和对肿瘤细胞的识别。类似地,其他非常规T细胞,如NKT细胞、γδT细胞和MAIT细胞,不限于MHC识别,可以提供抗肿瘤细胞毒性。
另一种不依赖于抗原呈递的治疗方法是使用嵌合抗原受体 (CAR) T 细胞。尽管抗CD19 CARs已被证明是治疗血液系统恶性肿瘤的成功方法,但在实体瘤中识别可供选择的靶标可能更具挑战性。除了使用CAR T 细胞外,最近的研究还关注改造其他免疫细胞(如NK细胞和巨噬细胞)——使它们能够像CAR T细胞类似的方式,靶向癌细胞[Fig.3]。
对于黑色素瘤或其他癌症的患者,需要进一步的工作来识别生物标志物、监测肿瘤的免疫响应,特别是在抗原呈递、T细胞和 APCs参与方面,这将有助于成功地进行治疗调节。 同样,需要研究不同细胞类型在TME中的参与功能。 由于不同的治疗会改变肿瘤的环境,后续治疗需要更进一步研究肿瘤状态和相关的耐药机制。
五、结论和前景
黑色素瘤是一种高度免疫原性肿瘤,由于其高的突变负荷,研究人员已深入研究黑色素瘤的免疫反应。然而,对黑色素瘤细胞免疫原性中起作用的细胞自主因子以及这些因子如何影响免疫反应的认识仍存在许多差距。该领域的一个重大挑战是选择一个能导致免疫激活的有效靶标。 这需要考虑肿瘤细胞的多种特性,例如它们的转录、翻译、表观遗传、蛋白质组和抗原环境。这些可能需要并行评估,在不同的压力微环境下整合和考虑它们的数据,并且同时考虑到肿瘤内的异质性。
到目前为止,在个体中,已评估了已鉴定的每种MHC呈递的新抗原的免疫原性。但目前仍不清楚,几类免疫原性MHC呈递抗原的同时呈递如何影响免疫反应。这些有协同作用吗?或者,多个免疫原性靶点同时呈现是否会降低它们的免疫原性,从而揭示一种新的肿瘤内异质性?此外,还缺乏对肿瘤内免疫细胞功能的深入了解;如何将基础研究的见解转化为体系,以促使更好的治疗决策的制定,或开发新的治疗方法?在这里,作者回顾了最近的研究和治疗策略,这些研究和治疗策略可用于推动未来的治疗创新,以及开发用于临床或临床前研究的联合治疗方法。
关于未来的方向,最近的研究表明,微生物组的调节在抗肿瘤免疫方面具有相当大的治疗潜力。 整合目前可用的数据并进一步研究细菌对免疫 TME 的影响,以及细菌靶向特定肿瘤的能力,应该会提供独特的治疗选择。 此外,基因组筛选方法的进步可能有助于揭示除增殖和刺激之外的更复杂的免疫表型,并拓宽对影响TME的免疫细胞相互作用的理解。尽管本篇综述针对于黑色素瘤,一些免疫机制和治疗方法对于其他癌症类型可能也相关。不过需要进一步的研究来确定哪些免疫机制是泛癌,哪些免疫机制是癌症类型特异性的。
Ref:
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5. Fecal microbiota transplant promotes response in mmunotherapy-refractory melanoma patients. Science.2021
6. Fecal microbiota transplant overcomes resistance to anti-PD-1 therapy in melanoma patients. Science.2021