放射線と免疫薬剤との併用 生物効果についての基礎的研究 X 線と炭素線と免疫チェックポイント阻害の併用などー 高橋豊 大阪大学大学院医学系研究科重粒子線治療学寄附講座
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Contents (1) 免疫系の概要 (2) 放射線と免疫 (3) 放射線と免疫チェックポイント阻害剤の併用 ー X 線と炭素線の違いー
自然免疫と獲得免疫 自然免疫 ( 早期反応 ) 獲得免疫 ( 後発反応 ) マクロファージ 抗原 Natural killer cells 食細胞 好中球 樹状細胞 Virus T 細胞 Natural Killer T cells 抗体 Virus B 細胞 Infected cells Specific reaction CD8+ T cell 抗原レセプター 抗体 T cell T 細胞受容体 CD4+ T cell 好酸球 免疫記憶 免疫記憶なし 抗原提示された CD8+ T cell CD8+ T cell クローン増殖 急速 時間経過 緩徐
腫瘍細胞からの抗原放出 Chen et al. Immunity, 2013 CTLA-4 抗体 PD-1 抗体 Immunity cycle プライミング相 ( 供給 ) T 細胞の移動 T 細胞の浸潤 抗原提示 T 細胞による腫瘍認識 T 細胞による腫瘍殺傷エフェクター相 ( 殺細胞 ) PD-L1 抗体
Elimination 抗原認識 T cell priming NK cells CD8+ Tumor Activated CD8+ T cell Naïve CD8+ T ell CD28 IL-2 CD4+ naïve helper T cells Immune mediators TCR B7-1/2 CD28( 副刺激分子 ) MHC-I Effector helper T cell Tumor MHC-II NK cells 免疫編集 Equilibrium CD8+ Tumor Dendritic cells Tumor antigen CD4+ CTLA-4 NK cells MDSC Exhausted CD8+ T cells PD-1 PD-L1 Tumor Escape Tim-3 GAL-9 PD-1 Treg PD-1 CTLA-4 LAG-3 TAM CD4+ 免疫チェックポイント分子の発現 Treg (Regulatory T cells) MDSC (Myeloid derived suppressor cells) TAM (Tumor associated macrophage)
PD-1 抗体療法 https://www.nobelprize.org/prizes/ medicine/2018/summary/ より引用 Renal cell cancer Melanoma Non-small-cell lung Ca. Pancreas Ca. Response rate 9/33 (27%) 26/94 (28%) 14/76 (18%) 1/41 (2%) 効果のある症例は限定的 Topalian SL, et al N Engl J Med, 2012 Royal et al. Immunother, 2010 Brahme et al. N Engl J Med, 2012 Winograd et al. Cancer Immunol Res, 2015
Contents (1) 免疫系の概要 (2) 放射線と免疫 (3) 放射線と免疫チェックポイント阻害剤の併用 ー X 線と炭素線の違いー
生存率 局所制御率 強力な局所療法 放射線治療の役割 肝細胞癌に対する炭素線と陽子線の比較 IMRT 陽子線治療 局所は制御できても遠隔転移が起きる 遠隔転移の制御が必要 Hoppe et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 84 (2), 2012 Komatsu et al. Cancer 2011
放射線は免疫抑制か? それとも免疫賦活か? High Radiosensitivity Bone Marrow, Spleen Thymus, Lymphatic nodes Lymphocytes Total body irradiation Focused irradiation Skin Liver, heart, lungs Muscle Bones Nervous system Low Radiosensitivity
放射線による免疫賦活効果 照射野外の腫瘍にも腫瘍縮効果が稀に見られる (Abscopal effect) A relapsed lymphoma patient Kono et al. Cell Death Dis, 2013
報告のある放射線による免疫賦活メカニズム (1) 死にかけの細胞の危険信号 (Danger signal) によるT 細胞の活性化 免疫介在因子の放出 (HMGB1, ATP etc) Heat shock proteinの膜表面の誘導 Calreticulin (Eat me signal) の膜表面の移行 T cell activation Toll like Receptor 4 Dendritic cells CD8+ T cell activation T cell activation Dendritic cells DC phagocyte Activation CRT (Eat me) HSP HMGB-1 Tumor ATP CD4+ helper T cells MHC-I Tumor antigen release Sharabi et al. Lancet Oncol, 2015
報告のある放射線による免疫賦活メカニズム (1) 至適線量 Fractionation Dose 1 回大線量 寡分割照射 DNA ダメージ Induction of INF-beta Increased exonuclease 30 Gy 細胞質内二重鎖 DNA の誘導 細胞質内二重鎖 DNA の分解 cgas-sting 経路 Type I インターフェロンは誘導されず Type I インターフェロンの誘導 免疫活性 免疫活性は起こらない S. Demaria et al. Nat Commun. 2017 放射線の線量と免疫チェックポイント阻害剤の併用は線量や順番が重要な可能性
Contents (1) 免疫系の概要 (2) 放射線と免疫 (3) 放射線と免疫チェックポイント阻害剤の併用 ー X 線と炭素線の違いー
Tumor volume (Vd/V9) COMB P1C4 骨肉腫に対する X 線 (10 Gy) + PD-L1 mab + CTLA-4 mab の併用効果 P1C4: PD-L1 + CTLA-4 mab 腫瘍を両脚に移植し 片方のみを 10 Gy 照射 同時併用で抗 PD-L1 抗体と抗 CTLA-4 抗体を投与 (P1C4) 250 200 150 100 50 0 No Tx P1C4 RAD (IR-tumor) RAD (Un-IR tumor) COMB (IR-tumor) COMB (Un-IR tumor) 0 10 20 30 40 50 (Days) P=0.0361 33% Responder 82% 18% 67% Lung Non-responder No TX P1C4 COMB RAD RAD COMB vs. P1C4: P=0.0488 COMB P1C4 P1C4 での Responder は 18% 放射線を加えると 67% に増加 著明な局所効果と遠隔効果が得られた Takahashi, et al. PLoS One, 2017
骨肉腫に対する炭素線 (5.3 Gy) + PD-L1 mab + CTLA-4 mab の併用効果 290MeV 炭素線 (SOBP 中心で LET 約 50kev/um) 腫瘍を両脚に移植し 片方のみを 5.3 Gy 照射 (In vitro のコロニーアッセイに基づいて線量を決定 ) 同時併用で抗 PD-L1 抗体と抗 CTLA-4 抗体を投与 (P1C4) 局所効果 Carbon ion beams 5.3 Gy Photon beams 10 Gy HIMAC で照射 P<0.01 Cion at 5.3 Gy 免疫チェックポイント阻害との併用で局所増感効果 200 150 Cion at 5.3 Gy + P1C4 P1C4Cion+CD8 mab CD8 抗体で免疫を弱めることで増感効果が減弱 増感効果に免疫が関与している可能性 100 50 0 P<0.01 P1C4Cion 0 10 20 30 Takahashi et al. Oncotarget 2019
FoxP3 Tumor volume (mm 3 ) Tumor volume (mm 3 ) 非照射腫瘍への効果 (Abscopal 効果 ) 1500 1000 500 0 150 100 50 0 0 10 20 30 40 Days P1C4 + Cion + CD8a UnIR Comb UnIR NoTX P1C4 P=0.06 0 20 40 Days * Cion UnIR Comb UnIR P1C4 Comb UnIR No TX P1C4 Cion UnIR Comb UnIR 4 8 2 7 P=0.0392 Complete response Progressive disease 免疫チェックポイント阻害との併用で Abscopal 効果増強 CD8 抗体で免疫を弱めることで増感効果が減弱非照射側にヘルパー T 細胞が誘導 遠隔効果に免疫が関与している可能性 CD4 Takahashi et al. Oncotarget 2019
Survival Number of gross Metastatic nodules 150 100 50 0 Lung * 遠隔転移の抑制 生存期間の延長 No Tx Lung P1C4 Lung Cion Lung Comb Lung 60 50 40 30 20 10 0 Liver * No Tx Liver P1C4 Liver Cion Liver Comb Liver NoTX P1C4 Cion Comb NoTX P1C4 Cion Comb Comb NoTX Cion P1C4 Days Takahashi et al. Oncotarget 2019
Overall survival まとめ (1) X 線 (10 Gy) と 2 種類の免疫チェックポイント ( 抗 PD-L1 抗体 抗 CTLA-4 抗体 ) を使用することで優れた局所効果と遠隔効果 X 線 5.3 Gy と等価となる炭素線 5.3 Gy と 2 種類の免疫チェックポイント ( 抗 PD-L1 抗体 抗 CTLA-4 抗体 ) を使用することで優れた局所効果と遠隔効果 5.3 Gy Cion + P1C4 しかし なんとなく炭素線と P1C4 の併用の方がよさそう 10 Gy X + P1C4
問題点 2 種類の免疫チェックポイント阻害剤 (PD-L1+ 抗 CTLA-4 抗体 ; P1C4) を使用すると有害事象が有意に増加する Mohamed O et al. Oncoimmunology 2018 これらの薬剤は非常に高価なため 医療経済にも影響を及ぼす 目的 免疫チェックポイント阻害剤を1 種類に減らして 効果を最大限に引き出す放射線併用法を探索する Photon beams X 線と炭素線のコロニーアッセイで等価な生存率を与える線量同士で比較 Carbon ion beams 5.3 Gy 10 Gy
10 Gy X-ray と C4 の同時併用 5.3 Gy 炭素線と C4 の同時併用 Tumor volume (mm 3 ) Tumor volume (mm 3 ) 照射腫瘍 W Takaneka, Y Takahashi et al. Cancers, 2020 p<0.01 非照射腫瘍 Days after initial treatment Days after initial treatment C4 と炭素線の併用でのみ照射側の増感もアブスコパル効果も得られた
DNA Damage 放射線による免疫活性経路 Too big dose in single fraction Hypofractionation Increased cytosolic dsdna DNA exonuclease Trex1 Activation of cgas/sting/irf3 pathway Transcription of type I interferon gene Gene Expression of IFN-b by qpcr X-ray Release of Type I interferon X ray Carbon cgas STING IRF3 p-irf3 *** β-actin Dose (Gy) 0 2 10 16 30 8Gyx3 W Takaneka, Y Takahashi et al. Cancers, 2020 0 5.3 X 線 10 Gy よりも炭素線 5.3 Gy で免疫活性が強い可能性
インターフェロン b の細胞からの放出 INF-b [pg/ml] 10 or 16 Gy 8 Gy x3 0 Gy ELISA 24 or 48 hrs after irradiation 15 48 hour after irradiation * 10 5 0 0 Gy X 線 10 Gy よりも炭素線 5.3 Gy の方が有意に IFN-b を誘導する 免疫反応は同じ生物学線量を投与すると X 線より炭素線の方が強い可能性
Tumor volume (mm 3 ) *** *** Tumor volume (mm 3 ) * ** X 線の線量増加 Irradiated tumors Unirradiated tumors 1500 1000 C4 only C4/Conc-8 Gy x3 C4/Conc-16 Gy 1500 1000 C4 only C4/Conc-8 Gy x3 C4/Conc-16 Gy 500 500 0 0 5 10 15 20 25 30 Time after initial treatment 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Days after initial treatment X 線を 16 Gy またはその寡分割照射 (8Gy x 3fx) まで増加すると局所効果 遠隔効果ともに増強 W Takaneka, Y Takahashi et al. Cancers, 2020
照射野外腫瘍 X 線でも局所根絶腫瘍で 遠隔効果も増強 W Takaneka, Y Takahashi et al. Cancers, 2020
CD4 + Foxp3 + /all CD4+ Foxp3+ (%) Treg (FoxP3+, CD4 +) CD8/Treg X-ray CD4 + Foxp3 + /all Carbon ion CD4+ Foxp3+ (%) CD8/Treg CD4+ Foxp3+ (%) Irradiated tumors 10 腫瘍内環境も X 線と炭素線で異なる 制御性 T 細胞 ( 腫瘍免疫を抑制する細胞 ) 5 * 0 0 Gy 10 Gy Unirradiated tumors 10 Irradiated tumors Regulatory T cells Treg * CD8/Treg * 5 0 0 Gy 10 Gy Irradiated tumors 10 5 Unirradiated tumors * CD8/Treg * 0 0 Gy 16 Gy 8 Gy x3 Unirradiated tumors 10 8 6 4 2 0 * * 0 Gy 16 Gy 8 Gy x3 免疫細胞の動態も X 線と炭素線で異なる
まとめ Carbon Photon In vitro 免疫反応 5.3 Gy 16 Gy or 8 Gy x 3 fx 免疫療法薬剤 C4 C4 Dose 5.3 Gy 10 Gy 16 Gy 8 Gy x3 遠隔効果 40% で奏功無奏功 40% で奏功 Survival 延長延長なし延長延長 腫瘍根絶レベルの局所照射と免疫療法の併用が有効な可能性
まとめ (2) 炭素線はコロニーアッセイで得られる X 線等価線量よりも強固な 免疫反応を引き起こす可能性がある 免疫チェックポイント阻害剤との併用でより高い効果が得られる可能性
T 細胞 RBE と免疫の関与 重粒子線と X 線の生物学的効果比 (RBE) は血管損傷や免疫などの複雑な要因が絡む In vivo の評価が重要 発がんマウスモデル RBE=3.0 培養細胞では多くの場合約 2.0 この系では 3.0 炭素線 X 線 Brownstein et al. Molecular Cancer Therapeutics, 2018