Immunforsvaret under udvikling og behandling af kræft – immunterapi

Publiceret Marts 2016

Immunsystemets samspil med kræftceller påvirker deres udvikling og udnyttes i dag til immunterapi.

Immunterapeutisk behandling af metastatisk kræft har i de senere år haft sit helt store gennembrud i udlandet såvel som i Danmark. Robert Schreibers hypotese, om at immunforsvaret både overvåger og redigerer den ukontrollerede vækst af kræftceller, giver et indblik i den patologiske proces som immunterapeutisk behandling påvirker. På Center for Cancer Immunterapi ved Herlev Hospital arbejder vi med at forstå immunforsvarets rolle under behandling af kræft. Vi ved, at det har stor prognostisk betydning om en tumor er infiltreret af immunforsvarets T-celler og fra flere typer af kræft kan vi in vitro ekspandere tumor-infiltrerende T-celler isoleret fra tumor-vævsprøver. I kliniske studier har vi foreløbigt set ligeså gode resultater, som større studier har vist i USA, og vores håb er derfor at få behandlingen godkendt i Danmark.

Eksperimentel immunterapeutisk behandling til kræftpatienter har været afprøvet i mange år bl.a. som terapeutisk vaccination mod tumor-associerede antigener og cytokinerne interleukin-2 (IL-2) og interferon-γ (IFN-γ) er godkendt til behandling af enkelte kræftformer, men kun med dokumenteret effekt i en mindre gruppe af patienter. Det store gennembrud skyldes primært behandling med antistof-baserede lægemidler, der blokerer effekten af inhibitoriske receptorer på immunceller i tumorvævet. Immunterapi har derfor potentialet til at erstatte eller supplere klassisk brug af stråle/kemo-terapi og targeteret behandling af metastatisk kræft. Udviklingen er gået stærkest inden for bl.a. modermærke- og lunge-kræft hvor den høje mutationsbyrde bl.a. kan forklare effekten af immunterapi. Desuden er infiltration af cytotoksiske CD8+ T-celler i en tumor en meget stærk prognostisk indikator for overlevelse og vidner om immunsystemets grundlæggende egenskaber relateret til udvikling og behandling af kræft (1).

Evidens for immunsystemets påvirkning af kræftudvikling

I 1909 beskrev den tyske læge Paul Erhlich, hvordan immunsystemet nødvendigvis måtte være en afgørende faktor for at undgå udvikling af kræft i langtidslevende organismer. Det var dog først ca. 50 år senere, at man kunne beskrive tumor-antigener i eksperimentelt udviklede kræftmodeller i mus. Omtrent samtidig formulerede Macfarlane Burnet og Lewis Thomas deres hypotese om, at det tilpassede (adaptive) immunforsvar genkender og eliminerer kræftceller (Cancer immunosurveillance). I 1990erne blev bedre muse-modelsystemer udviklet og det blev påvist at såkaldte RAG2-/- mus uden et tilpasset immunforsvar (mus uden T, B og NKT-celler) eller mus uden centrale immunkomponenter som IFN-? receptor eller dens transkriptionsfaktor STAT1 var i større risiko for at udvikle spontan eller carcinogen-induceret kræft.

I 2001 formulerede Robert Schreiber en hypotese om at immunforsvaret ikke kun overvåger men også redigerer den ukontrollerede vækst af kræftceller (The cancer immunoediting concept, Figur 1). I et afgørende forsøg blev tumorer udviklet i immunkompetente versus -deficiente mus (vildtype vs RAG2-/- mus). Herefter blev tumorerne transplanteret på syngene mus (genetisk identisk) med et normalt tilpasset immunforsvar (vildtype). Der sås en spontan afvisning af næsten halvdelen af alle RAG2-/- tumorer mens ingen vildtype-tumorer blev afvist (2). I tidligere studier med mere klassiske modeller for immunkompromitet gjorde vi lignende opdagelser (3). Nøgne og SCID (Severe combined immunodeficiency) mus mangler henholdsvis thymus eller dele af det adaptive immunsystem, og det giver anledning til kun delvis immunitet medieret via T-celler. I overensstemmelse med Dr. Schreibers teori, kunne vi i disse modeller observere, at mere end dobbelt så mange tumorer fra immunkompromiterede mus blev afvist i forhold til tumorer fra immunkompetente mus efter transplantation. Resultaterne anskuer det tilpassede immunforsvars evne til at redigere (edit) tumoren i en selektionsproces som tumorer fra RAG2-/-, SCID eller nøgne mus ikke eller i mindre grad udsættes for.

2016_01_immunforsvaret_01
Figur 1. Cancer immune-editing koncept. Cancer immunoediting er en ekstern tumor suppressor mekanisme som i dens mest komplekse form antager faserne elimination, ligevægt og flugt. I eliminationsfasen samarbejder det medfødte og det tilpassede immunforsvar om, at eliminere tidlige stadier af tumorer, som aldrig bliver klinisk manifesteret. En potentiel livslang ligevægtstilstand indtræder mellem det tilpassede immunforsvar og sjældne kræftceller som undslipper eliminationsfasen. Kræftcellerne udsættes for et immunologisk selektionspres og redigeres herved til at blive mindre immunogene, og undslipper immunologisk kontrol i flugtfasen, karakteriseret ved et immunsuppressivt miljø og klinisk manifesteret kræft (2).

Konceptuelt kan samspillet mellem tumor og immunforsvar inddeles i tre faser. I eliminationsfasen (1. fase) er både det medfødte og det tilpassede immunforsvar i stand til at overvåge og eliminere transformerede celler, inden de giver anledning til klinisk manifestbare kræftknuder. Varianter af transformerede celler vil dog overgå til en ligevægtstilstand (2. fase) med immunsystemets tilpassede immunforsvar, som overvåger og forhindrer ukontrolleret vækst, men samtidig selekterer for de mindre immunogene varianter af kræftceller i en slags vækstdvale (tumor dormancy and editing), som tidsmæssigt kan forløbe igennem hele livet. Forskellen på 1. og 2. fase er, at celler fra det medfødte immunforsvar, bl.a. NK celler spiller en afgørende rolle i eliminationsfasen, men ikke i ligevægtsfasen. Ligevægtstilstanden skal forstås rent bogstaveligt.

Indledningsvis indikerede kliniske observationer, at immun-supprimerede patienter som modtog organ-transplantater kunne udvikle "okkult kræft" (kræft af ukendt oprindelse). I et elegant forsøg i mus blev det vist, at det tilpassede immunforsvar holder okkulte kræftceller i en dvale-tilstand (dormancy). Immunkompetente mus blev påført lav-dosis carcinogen, og de mus som ikke udviklede progressivt voksende tumorer efter længere tid (>200 dage), fik fjernet komponenter (CD8+ eller CD4+ T-celler, IFN-? eller IL-12p70) af deres tilpassede immunforsvar med neutraliserende antistoffer. Resultatet var fremvækst at progressivt voksende tumorer omkring området med påført carcinogen.

Kræftceller i dvale (klinisk fortolket som kræftpatienter i stabil sygdom) kan overgå til den 3. fase karakteriseret ved immun-flugt (escape) på grund af genetisk ustabilitet og immunologisk selektion. Talrige eksempler dokumenterer denne overgangsfase. Den kan skyldes manglende immungenkendelse ved selektivt tab af tumorantigener eller af molekyler involveret i processering og præsentation af dem. Kræftceller kan også opregulere signalveje, der omprogrammerer immunceller eller gør dem i stand til at modstå de cytotoksiske processer, som skulle eliminere dem. Endnu et eksempel på immun-flugt er når cancerceller tiltrækker immun-undertrykkende celler bl.a. myeloid-afledte suppressor celler (MDSC), regulatoriske T-celler (Treg) og cancer-associerede fibroblaster (CAF).

Immunterapi med checkpoint inhibitorer

I relation til klinisk behandling af metastaseret kræft er den mest interessante mekanisme til immun-flugt opregulering af inhibitoriske receptorer på T-celler, de såkaldte checkpoint-inhibitorer herunder CTLA4 og PD-1. Antistof-baserede behandlinger rettet mod disse receptorer har vist sig at være meget effektive og i det nyeste kombinations-studie med anti-CTLA4 og anti-PD1 i malignt melanom ses en responsrate på op til 60 % (4). Langtidsoverlevelsen for patienter med malignt melanom efter behandling med anti-CTLA4 er estimeret til ca. 21% estimeret ud fra en puljet analyse af næsten 5000 patienter hvilket er bemærkelsesværdigt for denne patientgruppe.

Immunterapi med patientens egne celler efter in vitro ekspansion

På Center for Cancer ImmunTerapi (CCIT) ved Herlev Hospital arbejdes der med at forstå immunforsvarets rolle under behandling af kræft. Vi ved, at det har stor prognostisk betydning om en tumor er infiltreret af T-celler (1), og igennem flere år har vi arbejdet med ekspansion af tumor-infiltrerende T-celler isoleret fra tumor-vævsprøver. Processen består af flere trin i laboratoriet (Figur 2). Når en tumor modtages fra operationsstuen skæres den ud i små fragmenter, som dyrkes i høj dosis af T-celle vækstfaktoren IL-2. Når der kan høstes mindst 50 millioner celler, fryses de i flydende nitrogen, ind til patienten er klar til behandling. Herefter ekspanderes en del af cellerne yderligere ca. 2-3.000 gange over to uger. Den kraftige ekspansion skyldes en kombination af støtteceller med krydsbundet antistof rettet mod T-celler (anti-CD3) samt IL-2. Efter den første af to ugers "Rapid Expansion" (REP, Figur 2) overføres cellerne til en bioreaktor som ved automatiseret styring til- og frafører vækst- og næringsstoffer til cellerne (5). I et parallelt forløb behandles patienten med lymfo-ablativ kemoterapi for at fjerne så meget af det eksisterende adaptive immunforsvar som muligt. Herefter infusioneres de ekspanderede T-celler og de efterfølgende dage modtager patienten infusion af IL-2 for at understøtte T-cellerne.

2016_01_immunforsvaret_02
Figur 2: Skematisk oversigt over fremstilling og behandling med Tumor infiltrerende lymfocytter (TIL) på CCIT, Herlev Hospital. Patientens tumor opdeles i små fragmenter (eller enzym-behandles til enkeltcelle-suspension) og tilføres høj dosis IL-2. Ekspanderede TIL overføres til en Rapid Expansion Protokol (REP) hvor cellerne ekspanderer yderligere efter en reaktion med støtte-celler, krydsbundet antistof mod T-celler (anti-CD3) samt IL-2. Patienten er forinden infusion af TIL blevet behandlet med lymfo-ablativ kemoterapi og gives efterfølgende høj dosis IL-2 (Oversigt over TIL behandling er udarbejdet af læge og Ph.D. studerende Magnus Pedersen, CCIT).

Teknikken er udviklet på National Cancer Institute i Washington D.C. og i klinikken er T-celleterapi primært afprøvet til behandling af metastaserende modermærkekræft, hvor der er set effekt hos op mod 50 % af patienterne. Behandlingen er intensiv, men effekten kan til gengæld være langtidsholdbar og omfatter også patienter hvor alle tegn på sygdom forsvinder. Vores egne erfaringer på CCIT peger i samme retning og en tilsvarende behandlingsmetode er nu under afprøvning til behandling af ovariekræft.

Vores viden om immunsystemets samspil med kræftceller har været afgørende for at forstå hvordan kræft udvikler sig til klinisk manifesteret sygdom samt hvordan det kan behandles. Med godkendelsen af lægemiddel-antistoffer rettet mod T-cellereceptorerne CTLA4 og PD-1 i patienter med dissemineret lungekræft har immunterapien fået sit store gennembrud som almen behandlingsform. For patienter med dissemineret kræft vil der i fremtiden være et alternativ til kemoterapi som potentielt kan redefinere deres sygdom til en kronisk lidelse på linje med autoimmune sygdomme.

Referencer

  1. Fridman, W. H., Pagès, F., Sautès-Fridman, C. & Galon, J. The immune contexture in human tumours: impact on clinical outcome. Nat. Rev. Cancer 12, 298-306 (2012).
  2. Schreiber, R. D., Old, L. J. & Smyth, M. J. Cancer immunoediting: integrating immunity's roles in cancer suppression and promotion. Science 331, 1565-1570 (2011).
  3. Svane, I. M. et al. Chemically induced sarcomas from nude mice are more immunogenic than similar sarcomas from congenic normal mice. Eur. J. Immunol. 26, 1844-50 (1996).
  4. Larkin, J. et al. Combined Nivolumab and Ipilimumab or Monotherapy in Untreated Melanoma. N. Engl. J. Med. 373, 23-34 (2015).
  5. Donia, M., Larsen, S. M., Met, Ö. & Svane, I. M. Simplified protocol for clinical-grade tumor-infiltrating lymphocyte manufacturing with use of the Wave bioreactor. Cytotherapy 16, 1117-1120 (2014).