癌症免疫療法 - neoantigen vaccine

免疫療法也是近來滿熱門的一個領域，就是另用免疫系統去殺死癌細胞，有的是改造免疫 T cells，讓他能夠辨識出癌細胞，然後消滅它，例如 CAR T-cells。另外就是去年得諾貝爾獎的 PD-1 和 CTLA-4，利用小抗體去阻斷 T cells 的訊息傳遞。簡單來說就是 T cells 會表現 PD-1，而體內的一些正常細胞會表現它的配位基(ligand) PD-L1，PD-1 和 PD-1 結合後會抑制淋巴細胞的活化(activation)和繁衍(proliferation)，然而癌細胞也會表現 PD-L1，誤導免疫細胞說它是無害的正常細胞，T cells 就不會去攻擊它，小抗體就是用來阻斷這兩個蛋白的結合。

相關閱讀：免疫系統中的檢測點 PD-1 和 CTLA-4

癌細胞的產生是因為一層層的突變所造成的，而這些突變會使癌細胞生產所謂新的氨基酸片段(也就是胜肽, peptide)，稱為 neoantigen，因為正常細胞沒有這些突變，所以不會產生 neoantigen。這些氨基酸片段會被 MHC (major histocompatibility complex) 表現在細胞表面讓免疫細胞檢查，而這些 neoantigen 會被免疫系統辨識為外來物，然後被免疫細胞殺死。這些會從血液遊走到腫瘤，然後清理癌細胞的免疫細胞稱為 tumour-infiltrating lymphocytes (TILs)。但是很多癌細胞，例如腦腫瘤 glioblastomas 的癌細胞並沒帶有太多突變，表現在細胞上的 neoantigen 也不多，因此可以躲過免疫細胞的攻擊。


Figure / Interaction between tumour cell and T cells via PD-L1:PD-1 and MHC:Ag:TCR; T cell receptor (TCR) (C Barnhart, JADPRO 2015; PMID: 26557410)

最近有兩篇刊載 Nature 的研究報告了免疫治療的臨床研究結果，這兩個臨床試驗還有一個重點，就是所謂的個人化治療(personalized medicine)，或是稱精準治療(precision medicine)。上面提到有些腫瘤因為突變會產生不同的氨基酸片段，每個人的腫瘤細胞產生的 neoantigens 會不太一樣，個人化治療就是指針對每個病人的腫瘤特性做客製化的治療。而免疫治療則是指利用這些 neoantigens 去啟動體內的免疫系統，進而殺死癌細胞。不過，既然有些腫瘤細胞會產生 neoantigen 的話，為什麼不會被免疫細胞殺死呢？有可能是 antigen 本身特異性不足以引發免疫反應，因此要在臨床治療上使病患體內出現足夠的免疫反應，用好的 antigens 作為疫苗是很重要的，可以引發免疫反應殺死腫瘤細胞的 antigens 稱為 tumour rejection antigens。

其中一篇是在病人的 glioblastoma 腫瘤切除手術後讓他們接受放射線治療和免疫療法，就是把帶有 20 種腫瘤 neoantigens 的疫苗打入病患體內。這二十種 neoantigens 是分析了病患腫瘤後得出的結果，也就是針對癌症病患而客製化的疫苗，不過雖說是客製化，腫瘤的定序分析顯示有幾個是常見的突變基因，例如 PTEN 和 EGFR。手術後到接受免疫治療中間大約是 17 到 24 週，之後抽血檢測病患體內的免疫細胞 CD4+ helper T cells 和殺手細胞 CD8+ killer T cells (CTLs) 的反應。整個治療中，八位病患中只有兩位不需要接受類固醇 dexamethasone 做免疫抑制治療。最後，也只有這兩位沒接受類固存治療的的病患有出現免疫反應 -- 主要為 CD4+ T cells，並且釋放出 IFNγ, IL-2 和 TNF。這八位病人後來都過世了，治療後病情未惡化(progression-free survival, PFS)的時間為 7.6 個月，術後存活時間(overall survival, OS)的中間值則是 16.8 個月。若是只有做標準的放射線治療或化療的話，治療後的存活時間大約為一年左右 (ref: American Brain Tumor Association)。

另一篇研究則是試了兩種疫苗，一種同樣是用客製化的病患腫瘤 neoantigens，另一種是非客製化、用非突變的蛋白片段而製成的，其蛋白片段則是分析了三十個 glioblastomas 而得出的結果。在這篇研究裡，十五位病患在腫瘤移除手術後接受化療，其中四位只接受非客製化的疫苗，另外十一位兩種疫苗都接受，後來有兩位退出臨床試驗，剩下的十三位之後檢測其免疫反應效果為何。結果發現不管是只接受非客製化疫苗的病患，或是接受兩種疫苗的病患，大多出現免疫反應。接受非客製化疫苗的病患，如果其腫瘤細胞出現疫苗裡的其中一種氨基酸片段，即可被殺手 CD8+ T cells 辨識出來。接受客製化疫苗的病患，其免疫 CD4+ T cells 則會辨識出腫瘤細胞。病患從診斷出來後的到過世的時間(OS)為 29 個月，病情未惡化時間(PFS)約為 14.2個月，其中一位有出現 CD8+ T cells 免疫反應的病患則是存活了三年多 。



Articles:

Nature News / Immune cells track hard-to-target brain tumours

U Sahin & O Türeci, Personalized vaccines for cancer immunotherapy. Science (2018)


Papers:

N Hilf et al, Actively personalized vaccination trial for newly diagnosed glioblastoma. Nature (2018)

DB Keskin et al, Neoantigen vaccine generates intratumoral T cell responses in phase Ib glioblastoma trial. Nature (2018)

肥胖會降低免疫細胞殺死癌細胞的能力

最近這篇研究，讓人稍微了解了一下肥胖和癌症的關係。這篇研究顯示肥胖會使脂肪會堆積在自然殺手細胞(natural killer cells, NK cells)，影響它們的代謝、基因表現和功能，使它們無法正常運作。

自然殺手細胞是一種免疫細胞，除了消滅外來的敵人外，它的其中一個攻擊目標是腫瘤細胞，因此可以限制癌細胞的擴散。自然殺手細胞殺死目標物的方法是分泌一種 lytic granules，這種 granules 裡面有醣蛋白 perforin 和酵素 granzymes (顆粒酶)，但是這個對抗機制需要消耗大量的能量，因此它們需要可以生產 ATP 的 glycolysis。

這篇研究發現肥胖會啟動 PPAR (peroxisome proliferator-activated receptor; PPAR)，使脂肪堆積在 NK cells，導致它的代謝機制無法運轉，因此無法生產 ATP 去對抗癌細胞。

PPAR 是位於細胞核內的賀爾蒙接受器(nuclear receptor)，同時也是轉錄因子(transcription factor)，調控各種相關基因的表現，包括有脂肪的運送和代謝、肝醣生產等等，因此大量表現在肝臟和心臟等脂肪代謝率高的器官和脂肪組織裡。PPAR 像是一個脂肪探測器，它的配位基(ligand)包括自由脂肪酸(fatty acid)和其衍生物(derivatives)，free fatty acid (FFA) 會啟動 PPAR 和它的 signaling pathway，於是細胞接收到訊息後會開始處理細胞內的脂肪。


Figure: KEGG, Kanehisa Laboratories

在這篇研究裡，老鼠們被餵食高脂肪的食物(high-fat diet, HFD)，然後作者們檢視 NK cells 裡有哪些基因的表現量出現改變。沒想到在八週的高脂肪飲食過後，約有三千個基因的表現量和被餵食正常飲食(standard-fat diet, SFD)的老鼠不一樣，有些控制脂肪代謝的基因表現量升高了，主要多是和 PPAR 相關的，而和 cytotoxicity 還有 mTOR 相關的基因表現則下降了，例如受 mTOR 調節的 granzymes。這些變動顯示肥胖會使 NK cells 轉換它的運作，把它禦敵的功能轉換成以代謝脂肪為主。

接著他們比較了肥胖老鼠和瘦老鼠體內 NK cells 的循環狀態，發現肥胖老鼠體內的 NK cells 循環比較慢，而且它們殺死的腫瘤細胞比較少。除此之外，他們也發現肥胖老鼠的 NK cells 裡面有脂肪球堆積，而細胞內用來殺死目標細胞的 perforin granules 卻減少了。他們也用人類的 NK cells 做測試，在培養液中加入 FFA，NK cells 會從培養液中吸收 FFA 進細胞內，他們發現細胞內越多脂肪球堆積的，perforin granules 就越少，有的甚至沒有，而脂肪堆積也讓 NK cells 喪失殺死癌細胞的能力。另外，因為 granzyme 的表現量是受 mTOR 調控的，mTOR pathway 被啟動後會使 NK cells 開始運作 glycolysis 生產能量，所以他們也檢視惹 mTOR pathway 和 NK cells 間的關係。他們發現當 mTOR pathway 被抑制時，NK cells 的殺敵能力大為下降，而在肥胖的情況下，mTOR 是失能的。他們在培養液裡加了脂肪酸後，NK cells 無法啟動 glycolysis 和 OXPHOS，也因此製造出的 ATP 也少很多。在老鼠試驗中，肥胖老鼠的 NK cells 的代謝率和 glycolysis 效率都比正常飲食的老鼠低很多。



以上結果皆顯示，當周遭環境有很多自由脂肪酸的時候（也就是肥胖），NK cells 會把它的禦敵機能(cytotoxicity, mTOR pathway)和生產能量(glycolysis, OXPHOS)的機制轉換到代謝脂肪(lipid metabolism, PPAR pathway)，因而導致它的免疫殺敵的功能下降，殺死癌細胞的效能也降低了。

既然如此，那啟動 PPAR 會抑制 mTOR 的功能嗎？作者們在培養液裡加惹 FFA 和 PPARα/δ agonists 去啟動 PPAR，結果從瘦子體內取得的 NK cells 開始吸收脂肪，glycolysis 效率降低，而且 perforin 和 granzyme B 的表現量也大為下降；但是當含有 FFA 的培養液裡加入惹 PPARα/δ antagonists 之後，脂肪便不再堆積在 NK cells 的細胞內，而且也沒有 perforin 表現降低的現象。除此之外，他們也找尋到底是在哪個地方降低惹 NK cells 的御敵能力，他們發現當 PPAR 被脂肪酸啟動或是 mTOR 被抑制的時候，NK cells 可以找到癌細胞，但無法釋出 lytic granules 去消滅癌細胞，而且也會抑制 NK cells 的繁殖。

這篇研究的結果看起來是在 NK cells 裡，用來生產能量對抗癌細胞的 glycolysis 和代謝脂肪的 PPAR 只能擇其一，作者最後有提到說有研究顯示用 rapamycin 去抑制 glycolysis，使癌細胞沒有養份增生，但是這篇研究顯示如果抑制 glycolysis 的話也會使 NK cells 無法生產能量殺死癌細胞，因此使用 rapamycin 可能也不是個好方法。


不負責任結論：最好的方法就是不要過胖讓體內有過多的脂肪去抑制 NK cells 的功能。XD



Article:

TN / ‘Fat-clogged’ Immune Cells Fail to Fight Tumors


Papers:

X Michelet et al, Metabolic reprogramming of natural killer cells in obesity limits antitumor responses. Nature Immunology (2018)

D Fanale et al, The Interplay between Metabolism, PPAR Signaling Pathway, and Cancer. PPAR Research (2017)

M Pawlak et al, Molecular mechanism of PPARα action and its impact on lipid metabolism, inflammation and fibrosis in non-alcoholic fatty liver disease. J Hepatology (2015)

LR de Armas & ER Podack, Chapter Sixteen - Natural killer cytolytic activity. Basic Science & Clinical App (2010)