放射疗法和免疫疗法有望成为最佳拍档?
日期:2020-10-15

免疫疗法如火如荼的发展,越来越多与免疫疗法联合治疗的方式被开发。其中放射疗法与宿主机体免疫系统之间的相互作用已经被发现,可以用来提高治疗的效果。辐射可以促进损伤相关因子和趋化因子的释放,进而招募炎性细胞进入肿瘤微环境中,包括抗原呈递细胞等。在一些少数情况下,放疗在辐射野外的地方可以观察到抗肿瘤的作用,这种现象被称为“远隔效应”。

在2017年发表在Nature Reviews Clinical Oncology(IF=37.5)上的综述中重点介绍了放射疗法成功或失败的机制原理,并探讨了免疫调节和放射联合如何使宿主获益。

 

一、辐射对免疫系统的影响

a. 宿主免疫状况

在临床前的小鼠模型中,众多研究表明辐射可以诱发抗肿瘤的作用。T细胞是在经辐射后抗肿瘤所必须的。相关数据也显示,辐射促进了抗原特异性T细胞的激活。但是,紫杉醇或达卡巴嗪的化学疗法可抑制T细胞的启动,这说明化疗的药物选择和时机在与放疗联用时是十分重要的。

总体而言,来自不同肿瘤模型的研究显示CD8+T细胞浸润情况在促进放射治疗的功效中有着很大的重要性。

 

b. 放疗增强了免疫反应

在过去的30年里,众多的研究帮助我们更好的了解了我们的免疫系统,尤其是T淋巴细胞。局部的放疗可以杀死细胞,并使其释放细胞因子和趋化因子到肿瘤微环境中,这些释放的产物可以招募树突细胞,巨噬细胞,杀伤性T细胞和一些抑制性细胞,例如调节性T细胞和髓系抑制性细胞(MDSC)等。

越来越多的证据表明,放疗可以增强针对肿瘤的固有免疫和适应性免疫反应,从而降低免疫抑制作用。一种普遍的假设理论是,局部放疗会导致免疫原性细胞死亡,从而产生炎性微环境。其特征是死亡的细胞会释放肿瘤抗原和损伤相关模式分子(DAMP)。放疗还可以诱导趋化因子的表达,导致T细胞富集到肿瘤微环境中。

临床前研究已经证实,放疗诱导的肿瘤抗原释放和成熟信号的刺激会促使抗原呈递细胞(APC)迁移至淋巴结,在那里T细胞被增强而引发全身反应。美国国家癌症研究所(NCI)的研究报告中表明,辐射可以改变肿瘤细胞的表型,导致细胞表面分子的上调和细胞蛋白肽的扩增,从而拓宽了可用于呈递的抗原,使得肿瘤更易受到T细胞介导的抗肿瘤作用。

除了T淋巴细胞,自然杀伤细胞(NK)也是宿主对肿瘤进行监测的重要组成部分。受体NKG2D的参与激活了NK细胞,辐射增加了NKG2D配体在几种人类肿瘤细胞系中的表达。因此,在临床实验中探索基于NK细胞的疗法越来越多。

树突细胞(DC)是骨髓来源的细胞,其受到辐射导致的肿瘤微环境改变的影响很大。Lord Lab等人已经证明,辐射可增加与肿瘤相关的DC水平,增强这些细胞引向淋巴结,增强DC的成熟度以及呈递抗原的能力。

 

c. 激活了免疫抑制反应

肿瘤微环境不仅包含了免疫刺激分子,同时包含了各种抑制性免疫细胞,包括调节性T细胞(Treg),巨噬细胞和MDSC等,以及其它基质细胞,例如血管内皮细胞和与癌症相关的成纤维细胞。

Treg细胞是CD4+T细胞的一个子集,其特征是可以表达转录因子FoxP3,这些细胞对于炎症和自身免疫有着重要的调节作用。Treg细胞可以向肿瘤微环境中分泌细胞因子TGFβ和IL-10,这些会抑制T细胞并激活其它抑制性细胞,如MDSC。

许多报告表明,在进行局部或全身辐射时,肿瘤和免疫器官中的Treg细胞数量会增加。Persa等发现在实验环境中,全身辐射3天内Treg细胞中的CTLA-4的表达会增加。此外,据报道,各种剂量的放射治疗后,Treg细胞产生的TGFβ和IL-10产量有所增加。这些发现表明,在放疗后,宿主中携带Treg细胞具有增强免疫抑制的特性。

因此,靶向Treg细胞或其免疫抑制效应分子TGFβ和CTLA-4,可能对逆转免疫抑制至关重要。

MDSC通过促进肿瘤细胞的存活,刺激血管生成,邻近组织的肿瘤细胞侵袭和转移而使得肿瘤发生进展。目前MDSC主要分为两个子集:未成熟的多形核细胞以及单核细胞。血管生成在肿瘤发生和发展中有着重要的作用,现在血管生成已被认为是癌症进展的标志。

MDSC,肿瘤相关巨噬细胞(TAM)和其它免疫细胞对于肿瘤血管的形成至关重要。有证据表明,MDSCs在化疗抗性和放射抗性中也具有必要的作用。在经过放疗的三天内,MDSC会迅速募集到肿瘤基质中。但在7-14天后,局部和全身的MDSC数量会急剧下降。值得注意的是:虽然MDSC募集是放疗的直接作用,但后续MDSC数量的延迟减少可能是宿主适应性免疫反应的间接作用。

传统上TAM被分为M1型(杀死肿瘤细胞)和M2型(促进肿瘤细胞)。由于在不同肿瘤类型中存在的TAM群体观察到的多样性以及重叠基因表达的特征,这种划分是否正确还尚不清楚。Inoue等人研究表明,辐射改变了TAM产生的趋化因子的表达水平,从而改变了T细胞浸润的调控。

目前放疗对TAM的影响是不一致的,这些矛盾的结果反应了在肿瘤发生的不同阶段巨噬细胞发育和转化的复杂性和可塑性。因此需要进一步研究放疗如何影响TAM功能。

 

d. 剂量分割和免疫细胞浸润

分割放疗的机制是利用DNA修复和细胞周期来达到杀伤肿瘤效果的。但是,针对达到最佳抗肿瘤作用的分割大小和适当时机仍有待确定。因此,这也成为了研究的热点。Dewan等人研究了1×20Gy的“消融”剂量,3×8Gy大分割剂量,5×6Gy剂量联用CTLA-4抗体的使用情况。

发现大分割剂量(3×8Gy)比单独的消融剂量(20Gy)辐射更有效的诱导免疫细胞浸润和远隔效应。他们发现,辐射使功能活跃的CD8+T细胞富集到了肿瘤细胞周边,并有效的介导了肿瘤的消退。总的来说,众多研究结果表明,根据研究实验体系的不同以及联合治疗的方式不同,远隔效应和不同分割计量的放射均可有效的控制肿瘤。

 

e. 干扰素的作用

辐射是如何激活固有免疫导致T细胞的反应应答尚不清楚。Burnette等人研究发现,I型干扰素(IFN)对于链接固有免疫和适应性免疫对肿瘤的消退至关重要。放射可以诱导固有免疫通过释放I型干扰素,I型干扰素信号的传导对于DC的激活和功能至关重要,而DC又负责T细胞的启动和肿瘤控制。

一项研究表明,I型干扰素可以介导CD8+T细胞的募集和效应功能。然而,IFN对肿瘤细胞存活也是具有作用的。I型IFN信号在肿瘤细胞中的促死亡和促生存作用的“双重性”以及宿主对其的反应性,导致肿瘤微环境异常复杂。

总之,固有免疫细胞(例如树突细胞)中的I型IFN信号传导对于启动和激活T细胞的功能至关重要。在放疗的远隔效应中,I型IFN可改善抗原的呈递和T细胞的功能。

 

f. Sting信号通路

干扰素基因刺激物(STING)是一种内质网相关蛋白,可以通过STING / TBK / IRF3 /NF-κB信号传导途径激活I型IFN基因的转录。在检测到细胞质DNA后,STING被环状GMP-AMP合酶(cGAS)的产物环状GMP-AMP(cGAMP)激活。据报道,STING对于已建立的肿瘤中辐射诱导的抗肿瘤反应至关重要。

在体外和体内,不仅需要STING来诱导I型IFN的产生,而且还可以促进放疗后的抗原特异性T细胞应答。与辐射过的肿瘤细胞共培养时,STING缺陷型DC失去产生I型IFN和初免T细胞的能力。通过辐射(体内)或与辐射的肿瘤细胞(体外)共培养DC,大大增强了DC中STING介导的DNA传感/IFNβ诱导途径的激活,这突显了放射治疗在体内的促进作用。

因此,电离辐射不仅可以直接杀死肿瘤细胞,还可以通过STING介导的DNA传感途径促进先天免疫以及适应性免疫反应。

 

二、辐射对肿瘤微环境的影响

在肿瘤的微环境中,辐射会诱导基质,免疫系统和血管的变化,这对于肿瘤的反应至关重要。

在宿主免疫反应和肿瘤发展的背景下,肿瘤具有几种可能的命运:消除,平衡,休眠和逃逸。Lewis Thomas提出了肿瘤休眠和免疫平衡的概念,Schreiber和其同事进一步扩展了这些概念。“消除”显然是指彻底清除肿瘤细胞。但是“平衡”和“休眠”之间的区别定义并不明确,因为很难分辨这两个状态的结束和开始。

Schreiber和其同事在小鼠模型中证明,免疫反应可以清除新生肿瘤中的大多数细胞,但是,由于免疫系统清除肿瘤细胞的效率降低,肿瘤进入了平衡状态。在肿瘤和宿主进一步发生免疫耐受之后,由于免疫力的丧失,肿瘤发生了逃逸。从历史上看,放化疗5-10年的肿瘤复发归因于肿瘤的休眠状态,而停放疗后肿瘤患者的长期无进展生存状态反应了平衡。

说明放疗可以引起肿瘤微环境的平衡(RITE)。肿瘤逃逸的概念涉及许多逃避免疫介导的杀伤肿瘤的机制,包括免疫衰老,获得性免疫抵抗,免疫耐受等。因此,调节肿瘤诱导的免疫抑制作用的治疗策略对于改善预后至关重要。

 

三、放疗和免疫联合的优势

放射免疫调节领域的临床成功是免疫检查点抑制剂出现的结果。免疫系统具有多个检查点通路,它们的作用是刺激或抑制某些T细胞功能。在过去的十年里,基于免疫检查点的疗法研究已经从确定功效发展为阐明机制,并扩大了患者的用药选择。免疫检查点治疗后,具有“良好的免疫评分”和预先存在肿瘤特异性T细胞的患者预后较好。

Vanpouille-Box及其同事提出,对于原本对免疫检查点抑制剂无反应的患者,局部放疗可诱导产生肿瘤特异性T细胞,从而促进对免疫检查点抑制剂的疗效反应。

 

a. CTLA -4免疫检查点抑制剂

CTLA-4抑制剂,例如Ipilimumab,在治疗癌症患者中显示出了令人鼓舞的结果。CTLA-4通路在CD8+T细胞与肿瘤对抗的过程中起到了免疫抑制的作用。Demaria等人研究结果显示,用12Gy辐射和CTLA-4抑制剂治疗小鼠4T1原发性乳腺癌,可以抑制肺转移。随后研究表明,大分割方案(3×8Gy)联合CTLA-4单抗治疗比单独使用任何一种方式更有效。

Demaria等人研究表明,在临床前模型中,放疗和CTLA-4单抗联合治疗是有效的,这是由于该疗法诱导了肿瘤细胞表达NKG2D蛋白,这使得肿瘤细胞易受到NK细胞介导的细胞毒作用。

 

b. PD-1/PD-L1免疫检查点抑制剂

在大多数正常组织中几乎检测不到PD-L1蛋白的表达,通过使用炎症性细胞因子可以诱导其在多种细胞类型表达。在各种实体恶性肿瘤中均观察到PD-L1的表达,在某些肿瘤中它可能是免疫抑制的主要机制。实际上,肿瘤中PD-L1的存在是患者对PD-1/PD-L1抑制剂响应的重要预测指标。

Deng等人使用小鼠模型评估了单次高剂量放射联合PD-L1抗体治疗的功效和作用机制。在联合治疗组中,观察到肿瘤消退。在用放射疗法和抗PD-L1疗法治疗的肿瘤中,CD8+T细胞的浸润可以导致MDSCs的显著降低。相反,当宿主中的CD8+T细胞耗尽时,MDSCs水平恢复。PD-L1抑制剂的加入,可以使T细胞功能恢复以及提高对MDSC细胞的凋亡敏感性。

这些研究表明,在临床前的模型中,PD-1/PD-L1抑制剂与放疗相结合可将T细胞从免疫抑制中释放出来。目前,已在几种小鼠肿瘤模型中印证了放疗和免疫疗法的协同作用。在脑肿瘤小鼠模型中,Zeng等人显示,与单独的两种疗法相比,立体定向放射疗法联合PD-1抑制剂显著提高了生存率。

与单一疗法相比,联合疗法的肿瘤中CD8+T细胞水平更高,而Treg细胞浸润程度更低。Vanpouille-Box及其同事指出,通过辐射诱导癌细胞的免疫源性死亡可以将肿瘤转化为了原位疫苗,以促进免疫原性肿瘤微环境,从而增强肿瘤特异性T细胞的启动。Sharabi等人的数据表明,放射疗法和抗PD-1疗法可以增加记忆CD8+ T细胞数量。

尽管NK细胞可能有助于局部肿瘤控制,但已证明CD8+T细胞是放疗和PD-1/PD-L1抑制剂联用产生抗肿瘤作用所必需的。

 

c. 远隔效应

在1950年代由Mole首次提出了放疗的远隔效应,是指照射区外的病变消退或消失。当单独进行放射治疗时,这种现象在常规临床实践中很少观察到。然而,随之免疫调节剂的出现,这种作用在临床前模型和患者中都有越来越多的报道。Demaria率先提出了远隔效应是一种免疫驱动的现象,表明局部放疗会产生全身效应。

在随后的研究中发现,局部放疗和CTLA-4抑制剂阻止了肺转移的发生,超分割放疗联合CTLA-4抑制剂在小鼠肿瘤模型中产生了明显的疗效。Deng等人研究发现,局部放疗和全身性PD-L1抑制剂还增强了小鼠模型中原发肿瘤和远隔部位T细胞的反应。

同样,多篇报道表明,放射治疗和PD-1单抗治疗在黑色素瘤,肾细胞癌,腺癌和其它癌种模型的小鼠模型中产生了远隔效应。值得注意的是,Park等人证实,放疗和PD-1抑制剂治疗可以使所治疗的原发肿瘤几乎完全消退,转移病灶可以通过远隔效应消退66%。在临床实验中,Postow研究表明,在黑色素瘤患者中,给予姑息放疗的同时给予Ipilimumab维持治疗,可导致靶病灶消退,并具有明显的远隔效应。

总之,这些数据表明,CTLA-4和PD-L1抑制剂通过复杂的机制,从免疫抑制中“解放”了T细胞。

尽管Demaria及其同事最先提出了经放射治疗的肿瘤微环境中,T细胞的效应功能是促发绝对效应的驱动力。但Kaminski等人认为细胞因子的释放也是主要机制之一,并主张其与“旁观者效应”的相似性。支持这一说法的,Deng等人发现,活化的T细胞在照射的肿瘤微环境中可以产生TNF,可导致局部直接清除MDSC,并随之降低全身的MDSC数量。该结果表明,MDSC水平的降低可能是通过放射和免疫检查点抑制剂联合治疗实现的。

总的来说,这些结果表明,产生远隔效应涉及的分子和细胞是受到辐射的肿瘤微环境和效应T细胞的反馈机制的结果,这种远隔效应往往发生在局部放疗后的数天,包括引流淋巴结中抗原呈递细胞(APC)的迁移和T细胞激活。因此,可以通过平衡激活的免疫作用和抑制的免疫作用来调节远隔效应,以引起强烈的免疫反应。

 

结 语

目前的证据表明,放疗可以通过多种机制激活局部和全身的免疫反应,从而可以支撑肿瘤细胞的存活或促进肿瘤细胞的死亡。通过联合放射疗法和免疫疗法的方式可以增强固有免疫和适应性免疫,以提高患者的生存率。

虽然局部放疗联合免疫治疗可以增强远隔效应,以及增强免疫反应。但如何减轻联合治疗的副作用,找到放疗与免疫联合最佳的组合策略(最佳剂量、分割模式、靶病灶的筛选、序贯还是同步)仍然需要进一步探索。

参考文献

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