張金堅:當心腫瘤的左鄰右舍 談腫瘤微環境

本文摘自<常春月刊>489期

文/張金堅(乳癌防治基金會董事長)

在過去幾十年來,人類對於癌症的研究,主要都集中在腫瘤細胞本身,發現許多腫瘤細胞的基因學(genetics)或表觀基因學(epigenetics)的改變,而這些改變會驅動腫瘤的進展。然而近年來,許多專家學者發現,癌症不僅是腫瘤本身,與周邊環境互為影響,更是一個非常複雜的生態系統,許多研究發現,腫瘤與其周圍鄰近的細胞與組織息息相關,像腫瘤旁邊的各種免疫細胞(如淋巴球、巨噬細胞、纖維母細胞等),還有像細胞外基質(extracellular matrix, ECM) 與間質細胞(stromal cells),也與腫瘤細胞間有許多相互作用,而這些相互作用與腫瘤的進展有很大的關聯性,這些腫瘤細胞以外的細胞與物質統稱為「腫瘤的微環境」 (tumor microenvironment, TME)。微環境中所包含各類細胞、細胞外基質、血管等,過去被認為是腫瘤發生的旁觀者,但現在已知在癌症的致癌機制中佔有關鍵角色。腫瘤微環境的細胞組成及功能可能會因腫瘤發生的器官,癌細胞之不同特性、腫瘤分期及患者本身的體質而大不相同。

西元1863年,細胞病理學之父 Rudolf Virchow首先提出慢性發炎與腫瘤發生(tumorigenesis)之間的關聯,因為他觀察到腫瘤細胞周邊常有白血球的浸潤。後來的流行病學研究的確發現,許多腫瘤的發生與慢性發炎有很強的關聯性,如肝硬化與肝癌、發炎性腸道疾病與結直腸癌、幽門螺旋桿菌與胃癌和胃淋巴瘤等。然而,我們也觀察到免疫功能低下的病人,如接受器官移植或是後天免疫缺乏症候群的病人,其腫瘤發生率是比一般人高許多的。這樣相反的結果似乎預告著腫瘤微環境的複雜性,以下將就腫瘤微環境做簡單的介紹,並探討其在臨床上的應用。

腫瘤相關巨噬細胞

腫瘤相關巨噬細胞 (tumor-associated macrophage, TAM)是一群多樣性的細胞,主要來源來自腫瘤周邊組織或骨髓,可以簡單分為兩種主要型態:M1及M2。其中在腫瘤形成的早期主要是 M1腫瘤相關巨噬細胞浸潤,它可以分泌促發炎細胞激素(proinfammatory cytokines),即第一型細胞激素 (type I cytokines),進而抑制腫瘤生長。相反的,在腫瘤形成晚期,則以M2腫瘤相關巨噬細胞為主,它分泌的第二型細胞激素(type II cytokines),可以促進抗發炎反應,因而促進腫瘤的生長(圖一)。

然而M1腫瘤相關巨噬細胞何時會轉型為M2腫瘤相關巨噬細胞,目前仍不是非常清楚,但目前認為腫瘤缺氧狀態 (tumor hypoxia) 可能與這樣的轉變有關。M2腫瘤相關巨噬細胞會分泌許多蛋白酶(如細胞自溶酶cathepsin)、細胞激素 (如轉化生長因子 transforming growth factor-beta, TGF-β、IL-10)、生長因子 ( 如表皮生長因子 epidermal growth factor, EGF、腫瘤衍生聚落刺激因子 tumor-derived colony stimulating factor-1, CSF-1),使得腫瘤易於成長、血管新生,進而侵犯其他組織。

臨床上,以乳癌為例,有一篇臨床研究報告指出,在128名第一期或第二期的病人,發現M2腫瘤相關巨噬細胞較多者,組織學較為高惡性度,血管新生較多,且整體存活較差,而M1腫瘤相關巨噬細胞較多者,則剛好相反。

腫瘤相關纖維母細胞

一般的纖維母細胞,是結締組織中主要且具有多功能的細胞,可以調節上皮細胞的分化、調整免疫反應及細胞的動態平衡,與傷口的修補有關。然而在腫瘤微環境裡的腫瘤相關纖維母細胞(cancer-associated fbroblasts, CAFs)與一般的纖維母細胞很不一樣,它可以受一些生長因子或細胞激素的活化(如TGF-β、單核球化學引誘蛋白monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1),而成為分泌血管上皮生長因子(vascular endothelial growth factor, VEGF) 的主要來源(圖一),血管上皮生長因子可以增加血管通透度、增加血管的生成,進而促進腫瘤生成;另一方面,腫瘤相關纖維母細胞也會活化 NF-κB 訊號傳遞路徑,進而加速腫瘤生成。

腫瘤相關纖維母細胞的來源眾說紛紜,可能來自內皮細胞、正常的纖維母細胞、外被細胞 (pericyte)或來自骨髓基質細胞。而活化的腫瘤相關纖維母細胞除了可以分泌上述血管上皮生長因子外,還可增加細胞外基質的製造,增加分泌基質細胞衍生因子(stromal cell-derived factor-1, SDF-1)、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor, PDGF) 及纖維母細胞生長因子 (fbroblast growth factor, FGF)等細胞激素,從而促進腫瘤細胞的增生、存活、血管新生,以及腫瘤侵犯、轉移等。

血管結構

1971年,Folkman 醫師提出一個嶄新的概念,認為所有腫瘤的生長都需要有新生血管的生成(angiogenesis dependent),從此至今,血管新生成了一門顯學。一般認為新生的腫瘤需要氧氣與養分,而這需要有新生血管來運送。而啟動這新生血管的主要開關是由一群促進血管新生的因子所控制,其中最重要的就是血管上皮生長因子 VEGF,其他的因子包括纖維母細胞生長因子 FGF、血小板衍生生長因子 PDGF以及表皮生長因子 EGF;另外還需要其他的細胞參與整個血管形成及功能運作,包含血管內皮細胞、外被細胞和來自骨髓的前驅細胞;最後還有許多的腫瘤微環境中的細胞,如腫瘤相關巨噬細胞、間質幹細胞(mesenchymal stem cell, MSC) 及腫瘤相關纖維母細胞等,提供促進血管新生的訊號。然而必須注意的是,腫瘤新生血管的結構與一般血管不同,其血管外被細胞與血管周邊細胞是有缺口的,且通透性較大,也就是有漏洞、不緊密的血管系統 。

臨床運用方面,主要是針對抑制 VEGF 的訊號,達到抑制血管新生的效果。Bevacizumab 是 VEGF的單株抗體,於2004年便通過美國FDA許可,可用於轉移性的大腸直腸癌。Sunitinib、sorafenib、pazopanib 已經在腎臟癌獲得使用許可,且 sorafenib在肝癌也有適應症。而這些腫瘤的特色都是有許多血管分布的,且其腫瘤血管新生主要都是由 VEGF 所驅動的,此藥亦可用於其他癌症。

細胞外基質

細胞外基質不包括細胞成分,其組成很複雜,包括有膠原蛋白、彈性蛋白、蛋白多醣、生長因子、蛋白酶,以及位在細胞表面,負責黏附細胞到細胞外基質的黏附分子,如 integrin(整合素)、keratin(角蛋白)、fbronectin( 纖維黏連蛋白)等。

其中 integrin 在腫瘤生成中占有很重要的角色,其參與很多生理作用,包括細胞生長、分化、附著、運動、血管新生,而在腫瘤微環境中,它可以加強腫瘤細胞的存活、遷移、侵入,因而促進腫瘤的轉移。在乳癌病人中,若有比較高的integrin表現,則代表著有較差的預後及較高的復發率。臨床上也有針對integrin路徑的抑制劑,然而效果目前看來並不是很明顯。

免疫細胞與環境

腫瘤微環境中免疫機轉對於腫瘤生長、發展具有舉足輕重的角色,許多細胞參與了免疫的調控,一般而言,當腫瘤微環境的免疫作用受到逃避或抑制,是腫瘤生成最重要的啟始步驟。其中骨髓來源抑制細胞(marrow-derived suppressor cells, MDSCs)為一很重要的細胞,它來源自骨髓,本身是具有「免疫抑制功能」的不成熟骨髓系細胞,在腫瘤生成時,從骨髓移動出來並浸潤在發展中的腫瘤;其功能包含,促進腫瘤血管生成、破壞樹突細胞的抗原呈現(antigen presentation)、抑制 T 細胞活化、促進 M1 腫瘤相關巨噬細胞轉型為 M2 腫瘤相關巨噬細胞、抑制 NK 細胞的細胞毒殺作用等。所以骨髓來源抑制細胞會促進腫瘤的生長,這些都在臨床觀察中證實,在骨髓來源抑制細胞數量較多的癌症病人,其疾病較為嚴重,其藥物治療的效果也較差 。

另外一群很重要,也研究很多的就是腫瘤浸潤淋巴球(tumor infiltrating lymphocytes, TIL)。這些淋巴球大多是CD3+T淋巴球,根據不同的功能,又可分為CD4+ helper細胞(包括T1、T2次分型)、CD4+ regulatory細胞 (又稱Treg, 主要為CD4+ CD25+ FOXP3+)、CD8+ cytotoxic細胞等。其中又以Treg最為重要,Treg約佔所有CD4+ 細胞的10%,細胞表面有forkhaed box P3 transcription factor(FOXP3)的表現,而 FOXP3可以抑制IL-2的生成,進而抑制T細胞的活化,也可藉由cytotoxic T lymphocyte antigen4(CTLA-4)與抗原呈現細胞(antigen presenting cell, APC)結合而產生免疫抑制,或是分泌免疫抑制細胞激素,如IL-10、TGF-β,最終產生免疫抑制的效果,也因此癌症病人若是其腫瘤浸潤淋巴球中Treg比例較高者,常常對治療的反應較差,預後也較差。然而另一方面,若是腫瘤浸潤淋巴球中 CD8+ cytotoxic細胞數目較多時,則其存活狀況會較好,這在乳癌病人中觀察到此現象,其他有些癌症亦有同樣的發現 。

T淋巴球的活化或抑制

T淋巴球的活化,需要有2個訊號,第一個訊號是抗原呈現細胞(antigen presenting cell, APC),藉由主要組織相容複合體(Major histocompatibility complex, HMC)MHC將抗原呈現給T淋巴球表面上的T細胞接受器(T cell receptor, TCR),同時需要第二個訊號,也就是抗原呈現細胞表面上的B7-1、B7-2配體(即 CD80、CD86)與T淋巴球表面上的CD28結合 (圖二)。

當這兩種訊號一起傳遞,則T淋巴球便被活化,進而執行它的任務,清除外來的微生物、對抗並殺死腫瘤細胞等。然而在 T 淋巴球活化的同時,T淋巴球有自己的回饋抑制機轉,會表現出CTLA-4,當 CTLA-4 與 CD80、CD86 結合時,T淋巴球便受到抑制。

同樣的,T淋巴球、自然殺手細胞、樹突細胞、活化的單核球會表現programmed death1(PD-1),當T淋巴球表面上的 PD-1與腫瘤細胞表面上的PD-L1、PD-L2 結合時,T 淋巴球的作用便會受抑制。CTLA-4 和 PD-1路徑,我們稱為免疫檢查點(immune checkpoint)(圖三)

2018年10月1日 美國免疫學家,德州大學教授詹姆士•艾利森和日本免疫學家,京都大學教授本庶佑,分別發現透過「CTLA-4」和「PD-1」兩個蛋白質,即上述所謂免疫檢查點,就像阻斷免疫系統一直以來的「煞車器」(brakes of immunity),能活化人體自身免疫系統(如T細胞)來攻擊腫瘤細胞,讓免疫系統可以用以對抗癌症,因而獲得諾貝爾生醫獎(圖四)。

臨床應用,我們可以利用對抗CTLA-4的抗體(anti-CTLA-4)或是對抗PD-1、PD-L1的抗體 (anti- PD-1、anti-PD-L1),讓T淋巴球再次活化,進而毒殺腫瘤細胞。Ipilimumab 就是對抗 CTLA-4 的抗體,已經在大規模的第三期臨床試驗,看到可以增加黑色素瘤整體存活的好處,故早在2010年便得到美國 FDA的核可使用。同樣的,nivolumab為對抗PD-1的抗體,在第一期臨床試驗,單獨使用nivolumab對黑色素瘤有31%的反應率,對腎臟癌有29%的反應率,甚至對一般認為並非免疫性 (immunogenic)的腫瘤,非小細胞肺癌,也有16%的反應率,這樣的結果令人相當興奮與期待。

目前在乳癌的免疫治療,亦有兩種藥,一個叫pembrolizumab;一個叫atezolizumab,都有大型的第三期臨床試驗,證實對三陰性乳癌有效。目前已有對抗CTLA-4, PD-1, PDL-1之免疫治療藥物,到目前為止,CTLA-4免疫檢查點的抑制劑有iplimumab, PD-1免疫檢查點的抑制劑有pembrolizumab, nivolumab, cemiplimab, PDL-1免疫檢查的抑制劑有atezolizumab, avelumab, durvalumab(圖五)。

針對乳癌,腫瘤微環境的最新研究與應用

接下來,我們針對乳癌,看看近年來乳癌腫瘤微環境的研究,特別聚焦在腫瘤浸潤淋巴球的研究與應用。早在1992 年,芬蘭科學家Aaltomaa研究498名乳癌病人,他發現高惡性度、快速生長的腫瘤,腫瘤浸潤淋巴球較多的病人,相較於腫瘤浸潤淋巴球較少的病人,其復發率較低,乳癌相關存活率較好。

Aaltomaa 便認為乳癌應該存在著有效的免疫抗腫瘤機轉,只是當初並無法提出明確的解釋。

2009年,德國病理醫師 Denkert,根據兩個乳癌先導性化療的研究,GeparDuo 和GeparTrio,共1058名病人,在化療前先取得病理切片檢體,以H&E染色判讀腫瘤浸潤淋巴球的比例。結果發現所有的病人,經過先導性化療後,其病理完全緩解率(pathologic complete response, pCR)為12.8%,但若是腫瘤浸潤淋巴球的比例超過10%,則其病理完全緩解率便可達31.1%;假若腫瘤浸潤淋巴球的比例超過60%(又稱為 lymphocyte-predominant breast cancer, LPBC),則病理完全緩解率更高達41.7%,而相反的沒有腫瘤浸潤淋巴球的腫瘤,其病理完全緩解率很低,只有2.8%。

2013年底,聖安東尼奧乳癌研討會,發表了3篇有關乳癌腫瘤浸潤淋巴球的研究。其中一篇是Denkert醫師根據 GeparSixto的研究(GeparSixto是HER2陽性與三陰性乳癌先導性治療的研究),分析580名病人的腫瘤浸潤淋巴球,發現不論是HER2陽性或三陰性乳癌,腫瘤浸潤淋巴球越高的病人,其對先導性治療的反應(即病理完全緩解率)則越好。另一個Adams醫師的研究,他分析的 ECOG2197、ECOG1199兩個三陰性乳癌進行輔助化療的研究,也有類似的發現,每增加10%的腫瘤浸潤淋巴球,則可以減低18%遠端復發的機率,降低19%死亡率,且有統計學上的意義。

總之,腫瘤浸潤淋巴球除了可以當作是預後的指標(prognostic biomarker),也可以做為治療的預測指標(predictive biomarker),成為未來臨床試驗設計新概念的基礎。

結語

腫瘤微環境在腫瘤的生成、進展、侵犯、轉移扮演相當大的角色,其組成也是相當複雜,包括腫瘤相關巨噬細胞、腫瘤相關纖維母細胞、細胞外基質、血管結構、腫瘤浸潤淋巴球等,還有許多的細胞激素或生長因子,構成一個極其複雜的網絡,有待科學家的解密。然而事實上,已經有相當多的研究藥物是以腫瘤微環境當做標靶,希望可以達到抑制腫瘤生長,甚至是殺死腫瘤細胞,有許多藥物已經有初步的成果。

另外,隨著單細胞分析技術和人工智能的技術突破,對於腫瘤微環境的研究,將在未來幾年取得關鍵性的進展,相信在不久的將來,靶向腫瘤微環境會更成熟,能夠造福更多的癌症患者。

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