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調節性T細胞: 癌症免疫治療的未來

2011/06/15

文章轉譯自British Journal of Cancer (2009) 100, 1697–1703

前言

研究結果顯示調節性T細胞對於癌症的發展有著強烈的關係。在腫瘤病人的腫瘤組織、腹水、周邊血液若有調節性T細胞存在,表示病人的的預後情況越差。研究發現調節性T細胞能保護腫瘤細胞,避免被免疫系統攻擊。因此,新的抗癌策略中,去干擾或是耗損調節性T細胞成為主要關鍵。在此文章整理了最近關於調節性T細胞的調控在臨床研究的進展以及一些具有免疫調控能力的藥物可能的作用機轉。

調節性T細胞發展史

最初在1970年時,發現一群具有抑制免疫反應的細胞。它具有抗原專一性而且以CD4+輔助型T細胞為標的,在被活化之後會阻斷我們的體液性和細胞性的免疫反應。接著,發現這群細胞的抑制作用是更為複雜的,但是缺乏明顯的標記加以辨識。二十多年後,科學家在老鼠身上鑑定出一群會表現介白素-2接受器(interleukin 2 receptor alpha chain),也稱為CD25,以及表現CD4+輔助型T細胞。這群CD4+CD25+T細胞會調控免疫系統,幫助老鼠抵抗自體免疫疾病。這些具有調控能力的調節性T細胞(Treg)約占CD4+輔助型T細胞的5-10%。

接著針對腫瘤免疫研究方面,介紹一些調節性T細胞類型以及這些細胞在腫瘤免疫學中所扮演的角色。
胸腺型調節性T細胞/自然型調節性T細胞(nTregs): 被鑑定出具有細胞標記CD4以及高表現量的CD25。但是要完全去區分CD4+輔助型T細胞與調節性T細胞只依賴CD25作為區別是無法辨識的。因為有四分之一的人類T細胞具有CD25,只有在表現程度上有差異。最近,發現一個新標記FOXP3可以幫助我們去區分CD4+CD25+調節性T細胞。FOXP3是一個轉錄因子,參與細胞基因調控。在一份以老鼠模型研究自體免疫的報告中指出,FOXP3是調節性T細胞的重要調控基因。目前對於自然型調節性T細胞之確切作用機轉還不清楚,但推測是經由細胞與細胞之間的連結例如細胞膜上的TGF-beta、細胞激素(IL-10、TGF-beta、IL-35)、cAMP所調控的訊息傳遞等方式去控制。誘導型調節性T細胞:功能與自然型調節性T細胞類似,但它是來自於原本不表達FOXP3的天然T細胞經由特殊刺激後轉變成誘導型調節性T細胞。經過刺激後細胞會表達FOXP3、毒殺性T細胞抗體-4(CTLA-4),並且釋出細胞激素(IL-10、TGF-beta)。
Tr細胞: 是一種進階型的調節性T細胞,與自然型調節性T細胞差別在於能產生比自然型調節性T細胞還要大量的IL-10、TGF-beta。在IL-10存在的情況下,Tr細胞可以經由T細胞接受器的活化被誘導產生。
Th3細胞: 另一種進階型的調節性T細胞,對於口腔的免疫耐受性維持非常重要。透過釋放IL-4、IL-10與大量的TGF-beta,以及促進FOXP3調節性T細胞的分化去達到抑制免疫的效果。Th3細胞與Tr1細胞的差別在於,它需要TGF-beta的幫助才能從CD4+CD25-T細胞分化成Th3細胞。 事實上在治療的過程中,只去偵測周邊血液的檢體和一些功能性檢測是很難去區分究竟是哪一類的調節性T細胞參與其中。在癌症病人的免疫調節中,似乎是以誘導型調節性T細胞和自然型調節性T細胞為主要類型。目前為止,還不能確定對於腫瘤內部環境的調控,這些不同類型的調節性T細胞具體貢獻為何。

調節性T細胞與惡性程度的關係

在自體免疫、過敏、器官移植的排斥作用以及抑制癌症病人的免疫反應等情況下,都有發現調節性T細胞參與其中。在許多惡性癌症,包含肺、腦、頸部、卵巢、胃部以及皮膚都發現表達大量的CD4+CD25+調節性T細胞。在2004年就有研究報告指出卵巢癌病人若表達大量的調節性T細胞,其預後效果不佳。然而,在血液疾病中,卻有相反的結果。B細胞淋巴癌病人若表達大量的FOXP3+調節性T細胞,其存活機率愈高。到底是怎麼樣的作用機制造成調節性T細胞在腫瘤與血液疾病兩者之中得到不一樣的結果,至今仍然有待釐清。有一種說法指出,在血液疾病研究中,只去計算FOXP3+調節性T細胞,但是在腫瘤病人身上不只有調節性T細胞能表現FOXP3+,部分癌症細胞本身也會表現FOXP3+,因而產生兩種不一樣的結果。目前研究人員致力於了解調節性T細胞是如何幫助癌症細胞去逃避身體免疫系統對它的偵測與排除。調節性T細胞可以影響許多出現在腫瘤周圍的免疫細胞,例如:T細胞、自然殺手細胞以及樹突細胞。這些細胞在腫瘤免疫中扮演相當重要的角色,因此也解釋了在腫瘤中為什麼會有大量的調節性T細胞聚集。

對於化學治療的影響

透過調控”調節性T細胞的活性”去增加免疫的監控能力與加強其他免疫治療方式的效果,可以作為預防腫瘤逃脫免疫監控的方式之一。在臨床上有一群媒介可以影響調節性T細胞,其中一部分是針對調節性T細胞上已知的接受器而特別設計的。另外還有一些常規化學治療藥物,其具有調控調節性T細胞的作用,但是作用方式與機轉目前還不清楚。一些普遍使用的化學治療藥物例如methotrexate和cycophosphamide,具有刺激免疫以及抗血管新生的效果,並且在低劑量使用時有較少的毒性反應。這些新的治療觀念來自於頻繁或規律的給予低劑量藥物治療效果,更勝於一次給予最大耐受程度的藥物劑量。在老鼠腫瘤試驗中,cycophosphamide會去清除CD4+CD25+的調節性T細胞,此清除作用使得腫瘤生長趨緩且抑制擴散。在研究結果中cycophosphamide不只清除了調節性T細胞,也抑制了它的功能,有証據顯示這樣的效果是透過抑制醣皮質激素誘導腫瘤壞死因子接受器(GITR)以及FOXP3所造成的。規律的使用低劑量cycophosphamide已被應用於治療癌症末期以及對荷爾蒙具有抗性的前列腺癌等病人,這方式保留了藥物本身抗血管增生及提升免疫監控的能力,同時也大大減少了藥物對身體的毒性。雖然在前列腺癌的第二期臨床試驗中,病人的臨床症狀與調節性T細胞的數量沒有關連性,但是腫瘤壞死因子Beta(TGF-Beta)的表現量有下降,它是調控調節性T細胞執行免疫抑制的關鍵。在治療九位癌症轉移末期的病人研究報告指出,規律的使用低劑量cycophosphamide會選擇性的只減少調節性T細胞數量,維持住身體內淋巴細胞與自然殺有細胞的數量。但是也有一份來自法國的研究指出使用低劑量cycophosphamide並沒有改善病人的臨床症狀也沒有減低調節性T細胞數量。不過在五位病人的組織切片中,發現CD25+的T細胞聚集變少,CD8+T細胞的浸潤變多,這表示病人的免疫監控系統有被提升。其他可用於調控調節性T細胞的化療藥物包括: gemcitabine, mitoxanthrone, fludarabine and COX-2 抑制劑。雖然調控調節性T細胞不是這些藥物的主要功能,但是能發現這些藥物以及其他可能的化學藥物具有調控調節性T細胞的次要功能,將會是非常有貢獻的研究。 Gemcitabine是一個核甘酸類似物,用於胰腺癌治療,會去抑制DNA合成使細胞周期停在S期。除此之外它還有其它的功效。在治療非小細胞肺癌的第一期臨床試驗中,發現周邊淋巴細胞中的功能性T細胞所佔的比率減少。胰臟癌病人在接受Gemcitabine治療初期會有淋巴細胞絕對數量減少的現象,一般情況下這個數值是維持恆定的。在此並沒有發現CD25+調節性T細胞數量減少,但是,對於早期的T細胞活化是有上升的。在大腸癌的第一期臨床試驗中,會有伴隨著CD4+CD25+調節性T細胞減少而毒殺型T細胞上升的臨床反應產生。儘管在三個研究中都出現有利的客觀臨床反應,Gemcitabine對於淋巴細胞分佈的影響仍是不明確的。在第一期的肺癌研究中,証實Gemcitabine對於快速分裂的細胞具有影響力,其中包含了淋巴細胞。有一項有趣的發現,在老鼠的試驗中,Gemcitabine會去抑制骨髓抑制細胞造成它的免疫抑制功能被阻斷,使得CD8+T細胞活性增加。Gemcitabine對於抑制性細胞具有廣泛的效果,在一些臨床研究中調節性T細胞可能參與骨髓抑制細胞的排除作用。未來還需要更進一步的去探討這其中的作用機制。
Mitoxanthrone 是一種可與DNA的去氧核甘酸結合的化學物質,會導致DNA鏈的斷裂及雙股被解開。在乳癌病人給予此藥物的研究報告中,有三分之一的參予者的CD4/CD8比例沒有改變,而淋巴球、T抑制性細胞以及CD25+的細胞是有明顯下降的。儘管如此,這份研究並沒有觀察到此現象與腫瘤反應之間的關連性。或許單一的給予Mitoxanthrone治療乳癌病患無法得到效果,若是能與免疫療法一起施行,或許能達到不錯的治療效果。
Fludarabine 在治療慢性淋巴白血病方面有很好的治療效果,在體外的細胞培養實驗証實,它具有能抑制調節性T細胞擴散以及維持毒殺細T細胞的功能。在給予慢性淋巴白血病病人fludarabine治療後發現,都有CD4+T細胞有下降的趨勢。一份研究指出是因為fludarabine會導致CD4+CD25+調節性T細胞產生細胞凋亡的結果。如果要使用fludarabine去調控免疫調節作用,必須確立最佳使用劑量才能保障功能性T細胞的功能不受影響。
COX-2 的表達與腫瘤的病程有密切的關係。服用阿斯匹林和其他非類固醇抗炎藥物的患者,會抑制大腸癌的惡化,體外試驗證實腫瘤會產生前列腺素E2(PGE2)去增加FOXP3的表現以及調節性T細胞的活性,COX-2抑制劑在老鼠腫瘤實驗中明顯的減少了調節性T細胞的浸潤。在大腸癌病人的周邊血液中偵測到前列腺素E2有上升的情況,而在體外試驗中COX-2抑制劑之一的Indomethacin被證實可以逆轉調節性T細胞所產生的腫瘤免疫抑制。在最近的臨床研究報告中,隨機給予大腸癌病人口服三天的非類固醇抗炎藥物(Indomethacin或celebrex)或是對照藥物(esomeprazole),服用Indomethacin病人的組織切片結果顯示CD8+T細胞的浸潤增加以及FOXP3和介白素-10(IL-10)表達減少,在COX2抑制劑臨床前期試驗中,celecoxib可以增強樹突細胞疫苗的功效。雖然已經清楚知道單獨給予celecoxib即有治療效果,但是我們仍然推測COX2抑制劑的效果是來自於調控調節性T細胞的結果。

直接以調節性T細胞作為標靶的治療

近期發展出許多直接針對調節性T細胞作攻擊的試劑,像是透過辨識CD25或是去阻斷CTLA-4。兩種方式都缺乏特異性,會讓執行免疫反應的功能性T細胞也受到影響。目前所發展的治療方式有下列幾項:

  • 抗CD25抗體: 在老鼠試驗中,使用抗CD25抗體去抑制CD4+CD25+調節性T細胞,會發現老鼠的抗腫瘤能力被提升。在使用單株抗體結合疫苗的小老鼠模型研究也証實,調節性T細胞的抑制會改進免疫細胞對疫苗的反應。最新的研究有發表一種重組蛋白,它對於高表現CD25的調節性T細胞是有毒性的。
  • LMB-2: 這是一種融合蛋白質,其組成包含CD25單株抗體的一個片段再加上一段38KDa大小的綠膿桿菌外毒素A。在臨床前的體外試驗中,將人體的周邊白血球以LMB2去處理後會導致調節性T細胞選擇性的被減少。在臨床第一期試驗中,針對LMB2在惡性CD25+調節性T細胞的研究顯示,在二十人的組別裡,一次療程給予每公斤60毫克的LMB2後會有一人的惡性CD25+調節性T細胞完全被抑制以及七個人有輕微的毒殺反應。另一個給予黑色素瘤病人LMB2胜肽疫苗的研究發現,病人體內FOXP3+CD4+CD25+調節性T細胞急劇下降。儘管缺乏客觀的臨床反應,這是令人鼓舞的初步數據並提供了一個方法消除調節性T細胞。
  • Denileukin diftitox: 同樣是一種融合性蛋白質,由人類介白素2(IL-2)加上白喉毒素(Diftitox)的酵素活化部位官能基所組成的。它會優先結合表達高親和力的人類介白素2受體的細胞(包含CD25、CD122和CD132),啟動細胞內部的反應導致細胞死亡。在某些高表達 CD25的T細胞淋巴瘤,白喉毒素是有效的。在晚期腎細胞癌的病人身上,給予樹突細胞疫苗治療之前先使用白喉毒素,會使在周邊的調節性T細胞減少其所導致的免疫抑制現象也下降。這現象在實體腫瘤上也得到證實。黑色素瘤病人使用白喉毒素後會增加CD8+殺手T細胞的活性。然而一項在2005年的黑色素瘤病人使用白喉毒素的研究卻沒有明顯的效果。病人的臨床症狀沒有改善,周邊血液中的調節性T細胞也沒有減少以及免疫抑制現象也沒有被減緩。這樣兩種全然不同的結果仍然有爭議之處並等待進一步的數據來解決這種差異。
  • 人類介白素2(IL-2): 它在某些癌症例如腎細胞癌以及黑色素瘤的T細胞治療中扮演重要角色,它會去增加功能性T細胞的免疫反應。然而,在給予人類介白素2作為治療時會誘導調節性T細胞的產生。在卵巢癌病人中發現人類介白素2會導致FOXP3+調節性T細胞的增生。然而若是非持續性的給予人類介白素2則發現調節性T細胞的增生趨緩。在腎細胞癌以及黑色素瘤的病人身上人類介白素2也同樣造成調節性T細胞增生。人類介白素2治療與腫瘤退化之間的關連可能來自於腫瘤特異性T細胞。然而,調節性T細胞的功能和效應以及調節性T細胞的數量之間的關係需要更進一步理解。調節性T細胞的損耗可能會提供免疫療法一個有益的環境使其發揮功效。但是,以人類介白素2治療的轉移性黑色素瘤造成的CD25+調節性T細胞的損耗,結果卻引發抑制性的CD25+FOXP3+調節性T細胞迅速的聚集在周邊。在這些病人中沒有看到腫瘤退化。在腎細胞癌病人使用白喉毒素治療兩個月結果發現,調節性T細胞比兩個月前多了75%。這種快速的逆轉,表示需要調整治療的劑量,以及所伴隨的副作用才能維持少量的調節性T細胞。在未來的治療策略中,須考慮到這種因為減少調節性T細胞而產生的抵抗性聚集,這可能會導致治療的臨床效果減弱。
  • 毒殺性T細胞的抗原-4(CTLA-4): 在CD4+CD25+調節性T細胞中有很高表達量,它可以透過與功能性T細胞上的CD80/CD86接受器結合,來達到抑制功能性T細胞的增生及活化。毒殺性T細胞的抗原-4對於維持體內T細胞的平衡非常重要。一份來自於老鼠動物模型的研究顯示,缺乏毒殺性T細胞的抗原-4會造成大量的淋巴細胞增生,最終導致多重器官衰竭而死亡。因此,去阻斷毒殺性T細胞的抗原-4也成為調控調節性T細胞的方式之一。九零年代末期已經有老鼠模型去研究抗CTLA-4抗體對於固體腫瘤的影響。抗體治療已經進入人體臨床試驗前期,目前有兩種人類的抗CTLA-4抗體,分別為MDX-010 (Ipilimumab)及CP-675206 (Tremelimumab)被用於第一期及第二期的臨床試驗。

MDX-010的結果顯示沒有抑制CD4+CD25+調節性T細胞的活性,但是能增加功能性細胞的作用。Tremelimumab的研究比較不普遍,在體外試驗證實它有增加T細胞活化的功能。在臨床試驗第一期確立使用每公斤15毫克的濃度就足夠去破壞周邊耐受性。它不只可以去抑制調節性T細胞,還能增加記憶性的CD4+和CD8+T細胞數量來達到抗腫瘤效果。因此,也有疑問指出損耗調節性T細胞應該是第二重要的,去調控CD8+的功能性T細胞可能才是抗CTLA-4抗體的作用機轉。使用Tremelimumab去治療轉移性黑色素瘤的第三期臨床試驗正在規劃中,在大腸癌以及肺癌也在最近完成第三期臨床試驗。一項比較化學治療與Tremelimumab治療轉移性黑色素瘤的研究結果表示,Tremelimumab治療並沒有提高病人的存活率而且在三位治療病患死後就終止研究。

若是結合其他治療,抗體或許能夠去增加腫瘤疫苗的效果。不幸的是,一項針對前列線癌使用GVAX細胞疫苗技術並結合Tremelimumab治療的第三期臨床試驗,因為GVAX本身第三期臨床試驗中沒有顯示比化學治療藥物docetaxel更好的效果,而無法進行。在未來我們仍然需要進一步的臨床試驗來證實抗CTLA-4抗體結合細胞疫苗的治療效果。

儘管遭遇這些挫折,最近仍然有許多文章重視抗CTLA-4抗體的治療潛力。值得注意[LJC3]的是臨床反應是有個體差異性的,可能需要治療一段很長的時間,才能看到效果,加上疾病的病程常有無法解釋的情況發生。而且,阻斷毒殺性T細胞的抗原-4並不是沒有併發症的,其副作用會隨著使用抗CTLA-4抗體的頻率而增加。

未來策略對於調節性T細胞的調控
  • 以醣皮質激素誘導腫瘤壞死因子接受器GITR (glucocorticoi-inuced tumour necrosis factor related peptie receptor)作為治療標的。調節性T細胞持續表達GITR。在老鼠的動物實驗中發現,當使用GITR抗體(DAT-1)或是GITR受體去刺激調節性T細胞時,其細胞活性會受到抑制,造成CD4+和 CD8+的細胞增生以及抵抗調節性T細胞的抑制作用。另一個老鼠腫瘤研究中也發現,注射DAT-1的老鼠會產生免疫力,而且對於二次接種的腫瘤細胞居然有攻擊力使其無法順利生長。這兩個研究結果指出當調節性T細胞變弱,可以增強身體對於腫瘤的免疫力。另一種老鼠腫瘤模式中觀察到DAT-1讓CD4+和 CD8+大量的進入腫瘤部位並且有高量的干擾素(IFN-gamma)表現,與anti-CTLA-4抗體一起使用時,會產生協同作用。雖然效果比與anti-CD25抗體一起使用的效果明顯,但是使用anti-CTLA-4抗體的組別有偵測到自體免疫反應。直到本篇文章發表之前,都沒有人體試驗的結果發表。
  • Imatinib:它是一種酪胺酸激酶抑制劑,用於治療較嚴重的胃腸部位腫瘤。最近在慢性骨隨性白血病病人進行幹細胞移植的治療上,imatinib被用來加強移植物抵抗白血病反應。這個試驗結果有顯著的劑量上的相關,劑量越高越能減少CD69、GITR、CTLA-4、FOXP3表現量以及降低調節性T細胞釋放IL-10和TGF-beta。Imatinib或許不是適合治療移植物抵抗白血病反應的藥物,能降低調節性T細胞這個優點在癌症免疫治療上將會是個很好的輔助劑。其他酪胺酸激酶抑制劑,例如Suntinib,在老鼠試驗上也有降低調節性T細胞的功能。
  • Bevicuzimab: 它是一個能阻止腫瘤血管新生的抗體。他的作用是透過阻止酪胺酸激酶的活化,來達到抑制血管新生的效果。在臨床試驗病人身上使用Bevicuzimab治療,會使調節性T細胞表現量變弱。然而是甚麼機制造成這樣結果卻還沒有結論。
  • Lenaliomoe 和 CC4047: 在近期的研究指出其具有抑制調節性T細胞的增生與功能的效果,它作用的機制可能是透過抑制FOXP3的表現,這兩種藥物都具有對抗多發性骨髓瘤的功效。推測其作用是去調控抗調節性T細胞作用,也伴隨有抑制血管新生的功能。
  • CD95誘導細胞凋亡:用螢光方式分選出來的調節性T細胞對於CD95所誘導細胞凋亡非常敏感,而其他的T細胞則不會被CD95影響。這方法可以用來確保調節性T細胞在免疫反應的急性期被移除。
  • 活化樹突細胞的TLR接受器(toll-like receptor,TLR):此方法已被證實會抑制早期的T細胞成熟為調節性T細胞的過程,它也能在不需要樹突細胞的狀態下直接影響調節性T細胞。TLR8接受器(TLR8)在調節性T細胞有很高的表現量。當研究人員用一個特別的核酸序列RNA40作為受體去活化TLR8接受器時,調節性T細胞所產生的免疫抑制效果被減低了。然而究竟怎麼樣的機轉造成這個功效,目前還有待研究人員近一步探討。
  • 活化OX40:它是一種共同刺激因子,是腫瘤壞死因子接受器家族一員。在囓齒動物模型中證實在腫瘤排斥作用中會增加CD4+以及CD8+的T細胞數量。在最新的囓齒動物模型中更進一步發現,它不只能復原在腫瘤排斥反應中被削弱的功能性T細胞數量,還可以去抑制調節性T細胞對免疫所造成的影響。
總結

目前的研究發現,調節性T細胞主要在人類癌症中扮演的角色是去阻止我們的免疫系統對癌症細胞的辨識,使得癌症細胞能逃脫免疫系統的監控在人體內任意的增生。由於化學抗癌藥物的影響廣泛,不單單只是透過其直接對抗癌症細胞的功效,還需要依賴一些間接或是輔助性的細胞免疫反應才能更完善的治療癌症。
因此,本篇文章專注於調控人類調節性T細胞在臨床應用上的可能性。在囓齒動物模型中成功的試驗在人類未必會有相同的結果,這或許是因為在這兩種族之間,其調節性T細胞的類型與功能方面的不同。在目前對人類直接的調節性T細胞的治療效果評估,一般通過觀察細胞數量和初步的功能試驗來衡量,主要是在外周血。有人認為,外周血抽樣並不能反應最相關的情況,須通過活體取樣檢測或細針穿刺去監測腫瘤內部環境,才可以在調節性T細胞功能的效應對於癌症的影響提供更多有用的信息。很少有研究深入探討如何客觀評估調節性T細胞對腫瘤內部環境的影響。鮑威爾在調查研究三名轉移性黑色素瘤患者的LMB2影響時,發現在腫瘤內外圍及周邊血液中,調節性T細胞有減少的趨勢。這份研究中的數據變化很小而且要收集相同程度的腫瘤患者也不容易。在未來會更仔細的要求第一期與第二期研究,在評估治療效果與預後時,必須更集中於在腫瘤環境中的即時發生的變化。
在尋求更合適的調控調節性T細胞的方法方面,可以透過發現新的單株抗體以及重新評估一些過去不清楚治療機制的化學治療藥物對調節性T細胞的影響,達到抑制癌症的效果。目前,最好的調控調節性T細胞的方法還未被建立,仍然有許多問題等待被解答,像是哪種類型的細胞可以最有效的抗腫瘤。但是,未來在腫瘤免疫治療方面,調控調節性T細胞的應用仍是前景最被看好的。

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