Immunsystemet og kræft

Publiceret November 2017

Som det fremgår af andre artikler i dette temanummer, udgør immunterapien et afgørende – og længe ventet – gennembrud i behandlingen af kræft. En lang række kræftsygdomme kan nu behandles med immunterapi med forlænget overlevelse til følge, og nogle patienter oplever at blive kureret for deres ellers uhelbredelige sygdom. Immunsystemets rolle for kræftudvikling har længe været kendt. Celler fra immunsystemet spiller både en tumor fremmende og hæmmende rolle. I immunterapi udnyttes T-cellers cytotoksiske egenskaber i bekæmpelsen af kræftsvulster.

Udviklingen af en tumor sker som et resultat af mutationer i cellens DNA og et dertil knyttet øget potentiale til celledeling og flere andre egenskaber, der tilsammen muliggør udviklingen af en tumor. Denne kan videre udvikle sig til en malign tumor, dvs. en tumor hvorfra kræftceller er i stand til at sprede sig til andre væv i kroppen og kolonisere disse – danne metastaser (1). På trods af, at kræftcellen gennem mutationer erhverver sig egenskaber som den normale celle ikke er i besiddelse af, er kræftcellen dog ofte ikke i stand til autonom vækst, men er afhængig af støtte/signalering fra andre omkringliggende celler. Tumorer består således ikke kun af kræftceller, men også en lang række andre celletyper; fibroblaster, endothel-celler og celler fra immunsystemet. Disse celler spiller en vigtig rolle for kræftcellens evne til at vokse og danne en tumor, disse celler understøtter således tumordannelse og vækst.

Immunsystemet har tumor fremmende virkninger

Immunsystemet spiller en tumorfremmende rolle, og kan bidrage til udvikling af kræft – en langt fra ny erkendelse. Helt tilbage i 1863 beskrev Rudolf Virchow sammenhængen mellem inflammation og kræft. Vi har dog i dag langt mere viden om mekanisme og sammenhæng med miljø og livstil. En lang række forskellige miljøpåvirkninger hænger som bekendt sammen med en øget risiko for udvikling af kræftsygdom, fx rygning, infektion, asbest, fedme, alkohol, osv. Et fælles karakteristika ved disse fænomener er en sammenhæng med kronisk inflammation, lokal eller systemisk. For eksempel fører cigaretrøg til udskillelse af en lang række inflammatoriske stoffer, og øger desuden RAS signalering. Ligeledes er asbest meget vanskeligt for immunsystemets celler at optage og nedbryde, og fører derfor til en kronisk inflammatorisk tilstand pga. immunsystemets konstante forsøg på at fjerne asbest fibre fra lungehinden.

En årsagssammenhæng mellem inflammation og kræft er bl.a. vist ved, at brugen af non-steroidale anti-inflammatoriske (NSAID) medikamenter (fx aspirin) er associeret med en mindsket risiko for kræft. Det gælder fx for kræft i spiserøret, samt mave/tarm kræft. I andre kræftsygdomme ses dog ingen effekt af NSAID. Det skyldes dog ikke nødvendigvis at inflammation ikke spiller en rolle i disse kræftformer, da der blot kan være tale om andre inflammatoriske ”drivere”. Det er vigtigt at understrege, at inflammation ikke nødvendigvis skal forstås som en klinisk manifesteret tilstand. Fedme menes således at øge risiko for kræft ved at øge et systemisk inflammatorisk ”buzz”, som skyldes højere niveauer af inflammatoriske faktorer udskilt bl.a. af brunt fedt. Helt oplagt kan det kronisk inflammatoriske miljø også initieres af en virus eller bakterie som immunsystemet ikke kan eliminere fra kroppen. Således er mavekræft associeret med infektion med bakterien H. Pylori, mens andre kræftformer såsom leverkræft og livmoderhalskræft drives af kronisk virusinfektion. Virusinfektioner kan i sig selv medføre onkogen signalering, og samtidig føre til en kronisk inflammatorisk situation.

Mange kræftsygdomme er således opstået i samspil med immunsystemet – immunsystemets celler samt signal- og vækst-faktorer – bidrager til dannelse af et ”aktivt” miljø, hvori celler har større delings- og overlevelses-potentiale. Samtidig udskiller immunsystemets celler reaktive oxygen- og nitrogenarter som direkte interagerer med DNA og inducerer permanente skader på genomet. Det kronisk inflammatoriske miljø er således karakteriseret af delende celler og DNA skader – en cocktail som over tid vil føre til kræft – hvis man lever længe nok! Og alder er som bekendt den største risikofaktor for kræftsygdom (2).

2017_4_immunsystem-01
Figur 1. Immunsystemet spiller en dobbelt rolle i tumor udvikling. På den ene side er tumor fremmende inflammation- og immun­regulerende mekanismer som hæmmer anti-tumor T celler. På den anden side et anti-tumorrespons af tumorgenkendende og tumor dræbende immun celler og cytokiner.DC: Dendrit celle; MDSC: Myeloid suppressor celle; TAM: Tumor associeret makrofag; Th2: T hjælper celle type 2; Dræber T: cytotoksisk anti-tumor T celle; NK; Natural Killer celle; gd T: Gamma delta T celle; IFNy: Interferon gamma; TNF-a: Tumor nekrosis faktor alfa; IL-10: Interleukin 10; TGF-B: Transforming growth faktor beta: Treg; Regulatorisk T celle

Immunsystemet hæmmer udviklingen af kræft

Immunsystemet er beskrevet som værende i stand til at beskytte os mod kræft ved at fjerne tidlige stadier af sygdommen, dvs. slå transformerede kræftceller ihjel inden der opstår klinisk manifesteret sygdom. T celler – der specifikt genkender kræftceller, og er i stand til at slå disse ihjel – kan da også findes både i kræftknuden og i blod fra kræftpatienter. Ligeledes er det åbenbart, at immunterapi baserer sig på, at immunsystemet netop er i stand til selektivt at slå kræftceller ihjel. Faktisk er der ganske robuste data der viser at immunsystemets T celler – når de er til stede i kræftknuden – er associeret med længere overlevelse af patienten (3). På et tidspunkt i den inflammatoriske proces – som bidrager til tumordannelsen – initieres der således også et modsat rettet immunrespons som forsøger at bekæmpe kræftcellerne.

Tanken om, at immunsystemet beskytter mod kræftsygdoms opståen ved at overvåge og dræbe kræftceller når de opstår, blev formuleret helt tilbage i starten af det 20. århundrede af Paul Ehrlich og senere i 1957 af Burnet og Thomas. Senere har resultater fra studier i muse­modeller dannet grundlag for teorien ”Three E´s of cancer immunoediting”; elimination, equilibrium, and escape (4). Teorien beskriver 3 faser af tumor udvikling. I fase I er immunforsvaret i stand til at eliminere kræftceller på et tidligt stadie. I visse tilfælde er immunforsvaret ikke i stand til at dræbe alle kræftceller, og disse undgår dermed immunmedieret drab. Fase II består derfor af en situation med delvis drab af immunfølsomme kræftceller, mens andre går fri – tumorvæksten holdes dermed i skak. Dette medfører dog en selektion af kræftceller, som er immunresistente, og disse vil i fase III undslippe den immunologiske kontrol gennem forskellige tilegnede mekanismer.

En lang række resultater i muse­modeller har sandsynliggjort en sådan naturhistorie og beskrevet vigtige pathways og escape mekanismer. I mennesker er det naturligvis meget vanskeligere at afdække både pga. den årelange udvikling af kræftsygdomme, samt vanskeligheder i at studere og følge især tidlige stadier af sygdommens opståen, da dette ligger forud for klinisk manifestation. Det vides dog, at der i ganske tidlige stadier af fx modermærkekræft kan findes T celler, som er specifikke for kræftantigener.

Cytotoksiske T celler dræber kræftceller

Netop T cellen – i særdeleshed den cytotoksiske CD8 T celle – er den vigtigste effektor celle vi kender i det immunologiske respons mod kræft. T cellen genkender peptider deriveret fra intracellulære proteiner præsenteret på celleoverfladen på et HLA molecyle. T cellen er således i stand til at genkende fx et peptid deriveret fra en virus eller bakterie, der har inficeret cellen, og på det grundlag slå cellen ihjel. I kræftcellen er en lang række proteiner udtrykt på højere niveau sammenlignet med den normale celle, ligesom nogle proteiner kommer til udtryk i kræftcellen som ikke udtrykkes af normal-cellen. Det gælder i særdeleshed proteiner som er muteret og på det grundlag binder mere effektivt til et HLA molekyle, eller giver en anden struktur og dermed bedre genkendelse af T cellen.

Forud for celledrab skal T cellen imidlertid aktiveres af en professionel antigen præsenterende celle (APC) fx en dendritisk celle (DC). DC og andre APC er dermed de første celler som afgør om der skal initieres et immunrespons eller ej – en ”beslutning” der tages på grundlag signalering af en lang række pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) og damage-associated molecular patterns (DAMPs). For virus og bakterier er der receptorer (PRRs) som evolutionært er selekteret for evnen til at initiere et respons mod en given virus; at genkende virus som ”farlige”. Anderledes er det med kræft – det er vanskeligt at forestille sig en evolutionær mening med at kunne bekæmpe en sygdom som oftest opstår langt senere end afkommet er fløjet af reden. Heri ligger nok hovedårsagen til at immunsystemet sjældent er i stand til at forhindre eller bekæmpe kræft – der induceres responser mod kræft, men de er ikke kraftige nok da der evolutionært ikke er selekteret for mekanismer, som genkender kræftcellen som ”farlig”.

På trods af disse teoretiske betragtninger, aktiveres der i kræftpatienter T celler som er specifikke for kræftceller. Vi kan i dag undersøge dette ved at isolere sådanne T celler og analysere deres funktion i laboratoriet. Vi kender også en lang række af de antigener – peptider bundet til HLA – som T cellen genkender på kræftcellen. Dette kendskab anvendes til at undersøge om der i en given patient forefindes T celler, som er specifikke for et bestemt antigen – ligesom disse peptider har været anvendt til at foretage terapeutiske vaccinationer i kræftpatienter.

Immunterapi slipper cytotoksiske T cellers angreb fri

Der er således i kræftpatienten et immunologisk angreb på kræftcellerne – men altså tydeligvis et angreb som ikke til fulde formår at slå sygdommen ned. Karakterisering af cellulære og molekylære mekanismer, hvormed kræftceller undslipper det immunologiske angreb, er genstand for intensiv forskning. Et af de helt store gennembrud i behandlingen af bl.a. udbredt modermærkekræft og lungekræft baserer sig netop på sådan indsigt. Aktiverede T celler udtrykker en lang række overfladeproteiner, som regulerer cellens aktivitet – herunder proteinet PD-1. En kræftcelle som udtrykker liganden PD-L1 vil således kunne hæmme T cellens aktivitet – omvendt har det som nævnt ovenfor vist sig at blokering af PD-1 ved behandling med et blokerende monoklonalt antistof kan ”slippe et T celle angreb fri” med klinisk respons til følge. Da PD-1 kun er et af en lang række af proteiner som regulerer T celler, er der formodentlig et stort yderligere terapeutisk potentiale i at kunne blokere T celle hæmning – og potentielt også i direkte stimulering af T celler ved at anvende agonistiske antistoffer rettet mod aktiverende overflade molekyler på T celler.

På nuværende tidspunkt findes der ingen gode prædiktive markører for respons på PD-1 antistof. Akkumulerende data peger dog på, at patienter som har en tumor med ”mange” T celler har større sandsynlighed for at få gavn af behandling med immunterapi. Det giver derfor også god mening at afdække hvilke faktorer der afgør om en tumor har ”mange” eller ”få” T celler. Dels vil dette potentielt kunne føre til karakterisering af robuste prædiktive markører, samt ikke mindst indsigt i om og hvordan en tumor kan konverteres fra ”få” til ”mange” T celler. I den forbindelse er det velkendt at kræftceller kan miste ekspression af HLA – en selektionsproces hvor et kraftigt T celle angreb fører til selektion af en kræftcellevariant som ikke udtrykker HLA på overfladen. En sådan kræftcelle vil ikke kunne genkendes af T celler og eksempelvis vil PD-1 terapi ikke have effekt. Der er desuden resultater, som tyder på at tumorer hvor kræftcellerne ikke udtrykker HLA har ”få” T celler.

2017_4_immunsystem-02
Figur 2. Anti-tumor immunresponser er karakteriseret ved at være selvforstærkende, men er også underlagt en lang række regulerende "feed back mekanismer" som er barrierer for et kraftigt respons. Ved immunterapi arbejdes med muligheden for at "slippe anti-tumor responset fri". Der er flere strategier til dette: Klassisk har cytokiner som IL-2 været anvendt til behandling af modermærkekræft. Andre strategier er fx blokerende antistoffer imod CTLA-4 og PD-1/PD-L1, T celle behandling med CARs eller TCR modificerede T celler, anti-VEGF og tumor antigen vaccination. Tilpasset fra Chen and Mellman (5).

Immunterapi baseret på natural killer T celler

Totalt tab af HLA er sjældent, men med de nye terapier ses det oftere, hvilket giver god mening; med et kraftigt T celle angreb er selektionspresset større, og det illustrerer vigtigheden af også at studere andre celletyper end T cellen og potentialet for immunterapi. Således er natural killer (NK) cellen netop i stand til at slå celler ihjel som ikke har HLA på overfladen, og en terapi der fokuserer på kræftcelledrab af NK celler kunne komplementere terapi baseret på T celler. NK cellens terapeutiske potentiale er det dog hidtil ikke lykkedes at anvende succesfuldt i klinikken – der har været udført relativt få forsøg på at udvikle kræftbehandling baseret på NK celler, men de resultater vi kender til tyder på at NK cellen kan spille en rolle i maligne hæmatologiske tilstande, hvorimod effekt på solide tumorer er mere tvivlsom. Flere andre celletyper er i stand til at genkende kræftceller, men det terapeutiske potentiale er ukendt –hidtil har fokus været på DC og T celler.

Det er dog for nylig blevet indikeret, at andre celletyper kan spille en vigtig rolle i fremtiden. En PD-1 antistof afprøvet i diffuse large B cell lymphoma (DLBCL) viste meget imponerende resultater i fase II – på trods af at kræftcellerne i denne sygdom meget ofte mister HLA ekspression og altså derfor ikke kan genkendes af T celler. En forklaring på gåden kom da biotekvirksomheden bag undersøgelsen, meddelte at antistoffet havde vist sig slet ikke at være specifikt for PD-1. Specificiteten af antistoffet er stadig ukendt (og forsøget genoptaget efter FDA havde sat det på pause), men det understreger, at der sandsynligvis er andre celletyper end T celler, som kan aktiveres til at være effektive kræftcelle-dræbere.

Cytokiners rolle i immunterapi

Udover at kræftcellerne kan være negative for HLA ekspression er der en lang række årsager til at en tumor kan være karakteriseret af ”få” T celler. Både kræftceller og andre celler i tumor udskiller en lang række stoffer som direkte eller indirekte kan hæmme T celler. Nogle kræftceller udskiller således interleukin-10 (IL-10), som direkte hæmmer T celle aktivitet, og det samme gælder TGF-β. Begge stoffer kan yderligere udskilles af makrofager og andre celler i tumor vævet. De fleste innate immunceller er funktionelt plastiske og kan omskoles af det lokale miljø til hæmmende eller ”vævsbeskyttende” funktioner. Alternativt kan kræftceller og andre celler i tumor udskille kemokiner, som tiltrækker celler der hæmmer angreb på kræftceller, heriblandt regulatoriske T (Treg) celler eller myeloide suppressor celler (MDSC). Vi savner dog at se evidens for påvirkningen af mange af de beskrevne hæmmende stoffer og celler som er beskrevet, i klinisk sammenhæng; altså at tilstedeværelse i tumor eller blod i patienten spiller en rolle for overlevelse. I nogen tilfælde skyldes det, at der mangler markører som er specifikke for de enkelte celletyper såsom Treg og MDSC, i andre ses en vis betydning for overlevelse i mindre studier, mens store studier mangler (6).

Andre celletyper i kræftbehandlingen?

Tumorens biologi er yderst kompliceret og udvikler sig i samspil med omgivende væv og de celler som den består af – maligne og normale celler. Tumoren er dynamisk og ændrer sig i respons på selektionspres; nogle celler dør mens andre vokser bedre; nye mutationer opstår og giver nye egenskaber – men måske også nye angrebspunkter – både for immunsystemet og andre former for terapi. Tumorens biologi begrænser sig imidlertid ikke til tumorens og det omkransende væv. Allerede ved en meget lille tumor er der målbar påvirkning af miljøet i de drænende lymfeknuder og dermed systemisk. I den forbindelse skal det også nævnes at mikrobiota er en vigtig faktor som spiller ind på biologien i tumor, samspil med immunsystemet lokalt og systemisk – og respons på immunterapi.

Immunterapi af kræft og det gennembrud i kræftbehandling som denne behandlingsform har ført til, er – så vidt vi ved – hovedsageligt baseret på T cellens evne til at dræbe kræftceller. Der er god grund til at tro at dette potentiale langt fra er fuldt udnyttet, og desuden at mange andre celletyper kan anvendes i behandlingen af kræft i fremtiden. Øget basal viden om tumorbiologi – samspillet mellem kræftceller og normale celler i mikromiljøet – på forskellige stadier af tumorudviklingen i forskellige kræftsygdomme – vil kunne bidrage meget væsentligt til denne proces. Det gælder både for at afdække det fulde potentiale af T celler i kræftbehandling, men også at undersøge andre celletypers potentiale i terapeutisk sammenhæng.

Referencer

  1. Hanahan, D. and Weinberg, R.A. (2011). Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646-674.
  2. Grivennikov, S.I. and Karin, M. (2010). Inflammation and oncogenesis: a vicious connection. Curr. Opin. Genet. Dev. 20, 65-71.
  3. Fridman, W.H., Pages, F., Sautes-Fridman, C., and Galon, J. (2012). The immune contexture in human tumours: impact on clinical outcome. Nat. Rev. Cancer. 12, 298-306.
  4. Dunn, G.P., Bruce, A.T., Ikeda, H., Old, L.J., and Schreiber, R.D. (2002). Cancer immunoediting: from immunosurveillance to tumor escape. Nat. Immunol. 3, 991-998.
  5. Chen, D.S. and Mellman, I. (2013). Oncology meets immunology: the cancer-immunity cycle. Immunity. 39, 1-10.Becker, J.C., Andersen, M.H., Schrama, D., and thor Straten, P. (2013). Immune-suppressive properties of the tumor microenvironment. Cancer Immunol. Immunother. 62, 1137-1148.