Article data
- 著者: Daniel S. Chen, Ira Mellman
- Corresponding author: Ira Mellman (Genentech, South San Francisco, CA; Department of Biochemistry & Biophysics, UCSF)
- 雑誌: Immunity
- 発行年: 2013
- Epub日: N/A
- Article種別: Review / Perspective
- PMID: 23890059
背景
がん免疫療法は2013年頃に歴史的な転換点を迎え、複数の癌腫においてdurable responseが一貫して報告されはじめた。Boon et al. (1994) の古典的研究以来、腫瘍細胞の遺伝的変異が生み出すネオアンチゲン・分化抗原・cancer-testis抗原がMHCクラスI分子上に提示され、がん患者においてCD8+ T細胞応答が自然発生することは知られていた。しかし、T細胞応答が生じても保護免疫には至らないことが多く、Dunn et al. (2002) が示した免疫編集 (immune editing) による腫瘍の抗原消失と、免疫サーベイランスからの逃避機構が主因と考えられていた (Dunn et al. NatImmunol 2002)。さらにMellman et al. (2011) によりがん免疫療法の新局面が包括的に概観されたが (Mellman et al. Nature 2011)、なぜ一部の患者のみが免疫療法に応答し大多数が奏効しないのか、各免疫療法アプローチが抗腫瘍免疫応答のどのステップに作用するのかを統合説明する枠組みが不足していた。この gap in knowledge こそが本論文が埋めようとする空白である。
CTLA-4 (cytotoxic T lymphocyte antigen 4) 阻害薬ipilimumabが転移性メラノーマで初めてOSを改善したことが実証された (Hodi et al. 2010) 一方 (Hodi et al. NEnglJMed 2010)、免疫関連有害事象 (irAE) が問題となり、より選択的な免疫抑制解除アプローチの必要性が高まっていた。PD-L1 (programmed death-ligand 1) がヒトがんの20%〜50%で発現し、腫瘍微小環境内で活性化エフェクターT細胞のPD-1受容体に結合することでそのエフェクター機能を局所的に抑制するという知見が蓄積されつつあった (Topalian et al. NEnglJMed 2012)。この分子が従来の「チェックポイント分子」とは質的に異なる作用を有することが示唆されていたが、それを統合的・治療学的に説明する理論枠組みが手薄であった。
目的
抗腫瘍免疫応答の全過程を「Cancer-Immunity Cycle (がん免疫サイクル)」として7段階のステップで体系化し、各ステップにおける促進因子と抑制因子を網羅的に整理するとともに、PD-L1/PD-1を腫瘍微小環境における「immunostat (免疫レオスタット)」として位置付け、がん免疫療法の作用機序・組み合わせ戦略・個別化アプローチの合理的設計原理を提示することを目的とする。
結果
Cancer-Immunity Cycleの7ステップ体系化：本論文の中核的貢献は、抗腫瘍免疫を7段階の連続した自己増幅的サイクルとして体系化したことである (Figure 1)。ステップ1: がん細胞の遺伝的変化・死により生じたネオアンチゲン・分化抗原・cancer-testis抗原の放出。免疫原性細胞死 (immunogenic cell death; dying cellからのDAMP放出を伴う) が次ステップへの促進因子となる一方、tolerogenic/apoptotic cell deathは抗原をT細胞非活性化・末梢寛容誘導の方向へ誘導する。ステップ2: 放出された抗原をDCがMHCクラスI・IIに提示する段階。TNF-α・IL-1・IFN-αなどの炎症性サイトカイン、CD40L/CD40シグナル、dying tumor cellから放出されるCDN (cyclic dinucleotide)・ATP・HMGB1 (high-mobility group protein B1) などの内因性アジュバント (STING経路リガンドを含む)、腸内マイクロバイオーム由来TLRリガンドがDC成熟を促進する。IL-10・IL-4・IL-13がこの段階を抑制する (Table 1)。ステップ3: DCによるエフェクターT細胞のプライミングと活性化。CD28:B7.1、CD137L (4-1BB ligand)、OX40L、CD27:CD70 (CD27 ligand)、HVEM (herpes virus entry mediator)、GITRが共刺激シグナルを提供し、IL-2・IL-12が増殖・分化を支援する。一方、CTLA-4:B7.1・B7.2、PD-L1:PD-1・B7.1、プロスタグランジンが抑制的に作用する。このステップでT effector/T regulatory細胞比が決定され、以降のサイクルの質が規定される。ステップ4: 活性化エフェクターT細胞がCX3CL1 (fractalkine)・CXCL9・CXCL10・CCL5などのケモカインに誘導されて腫瘍床へトラフィッキングする段階。
ステップ5以降は、腫瘍微小環境における物理的・分子的バリアと多層的な免疫抑制機構が焦点となる。ステップ5: LFA-1 (lymphocyte function-associated antigen 1):ICAM-1 (intercellular adhesion molecule 1)、セレクチンによるT細胞の腫瘍内浸潤。VEGF (vascular endothelial growth factor) とエンドセリンB受容体が腫瘍血管内皮のT細胞接着・透過を抑制し、この段階が「cold tumor」における主要な律速ステップとなる。ステップ6: T細胞のTCR-MHCクラスI認識によるがん細胞への特異的結合。腫瘍細胞のMHCクラスI発現消失が免疫回避機構として機能する。ステップ7: CTL (cytotoxic T lymphocyte) によるIFN-γ・T細胞毒性顆粒内容物を介したがん細胞殺傷。PD-L1:PD-1、PD-L1:B7.1、TIM-3 (T cell immunoglobulin domain and mucin domain 3):リン脂質、BTLA (B- and T-lymphocyte attenuator)、VISTA (V-domain Ig suppressor of T cell activation)、LAG-3 (lymphocyte-activation gene 3)、IDO (indoleamine 2,3-dioxygenase)、アルギナーゼ、MICA:MICB、B7-H4、TGF-βなどが腫瘍微小環境内でT細胞のエフェクター機能を多重に抑制する (Table 1)。腫瘍浸潤性T regulatory細胞・M2マクロファージ・MDSC (myeloid-derived suppressor cell) がこれら抑制因子の主要産生源となる。ステップ7で殺傷された腫瘍細胞から放出される新たな腫瘍抗原がステップ1に帰還し、サイクルが反復・深化する自己増幅的ループが本モデルの核心的特性である (Figure 1)。以上7ステップを通じ、各ステップの促進因子と抑制因子の均衡が最終的な抗腫瘍効果を決定し、律速段階の同定が個別化治療選択の理論的起点となる。
CheckpointとImmunostatの概念的区別：本論文が提示した重要な概念革新は、CTLA-4とPD-L1という2つの免疫調節因子を作用部位・作用機序に基づき質的に異なるクラスとして明確に区別したことである (Figure 2)。「checkpoint分子」であるCTLA-4はリンパ系器官でのステップ3 (T細胞プライミング・活性化・クローン拡大) において機能し、B7.1/B7.2とのトランス会合のエンドサイトーシスを介してT細胞活性化を抑制する (Qureshi et al. 2011)。T細胞活性化の上流に作用するため、ipilimumabによるCTLA-4遮断は腫瘍特異的T細胞だけでなく自己反応性T細胞も活性化し、その結果として広範で管理困難な免疫関連有害事象が生じる。一方「immunostat分子」であるPD-L1はステップ7 (腫瘍床でのT細胞エフェクター機能) において機能し、腫瘍細胞あるいは腫瘍浸潤免疫細胞上に発現したPD-L1が活性化エフェクターT細胞のPD-1に結合することでSHP-2 (src homology 2 domain-containing phosphatase 2) を動員しPI3キナーゼシグナルカスケードを不活性化し、細胞毒性メディエーターの産生・分泌を阻害する (Chemnitz et al. 2004; Parry et al. 2005)。この阻害は可逆的であり、anti-PD-L1/PD-1による遮断後に数日以内に腫瘍縮小が観察される機序と一致する。immunostatは腫瘍特異的免疫応答を選択的かつ局所的に抑制するため、anti-PD-L1/PD-1はanti-CTLA-4と比較して毒性プロファイルが限定的であることが予測された。
抗PD-L1/PD-1療法の初期臨床データの体系化：2013年時点で臨床開発中の6剤が体系的に整理された (Table 2)。MPDL3280A (Genentech/Roche; anti-PD-L1; ADCCを排除したFc改変IgG1; 親和性Kd=0.4 nM; 遮断相互作用: PD-L1:PD-1・PD-L1:B7.1): 肺がん・メラノーマ・腎細胞がん・大腸がん・胃がん・頭頸部がんを含む広範な固形腫瘍でORR 21% (メラノーマ 29%、肺がん 22%)、26/29例の奏効が継続中 (治療開始から3〜15+ヶ月)。MEDI-4736 (AstraZeneca; anti-PD-L1; ADCC消失Fc改変IgG1; PhaseI)。Nivolumab (Bristol-Myers Squibb; anti-PD-1; IgG4; Kd=2.6 nM; PD-L1:PD-1・PD-L2:PD-1を遮断): メラノーマでORR 31% (33/107例)、奏効持続期間18.4〜117.0+週という長期持続が報告され、肺がん・腎細胞がん・メラノーマでのpivotal試験が進行中。Lambrolizumab (後のpembrolizumab; Merck; anti-PD-1; IgG4 humanized; Kd=29 pM): メラノーマでORR 38%、奏効持続期間1.9〜10.8ヶ月。Pidilizumab (CureTech; IgG1 humanized) およびAMP-224 (GlaxoSmithKline; PD-L2 IgG1 Fc融合タンパク) も開発中。3剤にわたる750例超の患者データでのORRは13%〜38%の範囲であった。Grade 3-4治療関連有害事象はnivolumab・lambrolizumab・MPDL3280Aで13%〜21%に留まり、ipilimumabと比較して顕著に毒性が低かった。PD-L1発現陽性腫瘍で高いORRが観察される傾向がある一方、PD-L1陰性症例の一部でも奏効することから、PD-L1発現単独では奏効の完全な予測因子とはならないという臨床的課題も明確化された (Figure 3)。また、PD-L1:PD-1遮断後の迅速な奏効は、多くのがん患者においてステップ1〜6のサイクルは正常に機能しており、ステップ7のimmunostatのみが律速段階となっている可能性を強く示唆した。
組み合わせ療法の根拠とipilimumab+nivolumabの初期臨床データ：Cancer-Immunity Cycleモデルは、異なるステップを標的とする薬剤の組み合わせが相補的効果を発揮するという理論的根拠を初めて明示化した (Figure 3)。ワクチンはステップ2 (抗原提示の促進)、anti-CTLA-4はステップ3 (T細胞プライミングの解放)、anti-PD-L1/PD-1はステップ7 (腫瘍床での殺傷阻害の解除)、化学療法・放射線・分子標的薬はステップ1 (免疫原性腫瘍細胞死の誘導)、抗VEGF (bevacizumab) はステップ5 (T細胞浸潤の促進) を主に標的とする。PD-L1陰性腫瘍やT細胞浸潤が乏しい「cold」腫瘍では、anti-PD-L1/PD-1単剤のみでは不十分であり、欠損ステップを補完する薬剤との組み合わせが必要となる可能性が示された。Ipilimumab (anti-CTLA-4) とnivolumab (anti-PD-1) の早期フェーズI併用試験 (n=52のメラノーマ患者) では、ORR 40% (21/52例)・CR 10% (5/52例) と単剤を超える深い奏効が達成された (Wolchok et al. NEnglJMed 2013)。特にPD-L1陽性症例 (6/13例) のみならずPD-L1陰性症例 (9/22例) でも奏効が得られ、CTLA-4遮断がPD-L1陰性腫瘍でのサイクル欠損 (主にステップ3の不十分なT細胞プライミング) を補完する可能性が示唆された。ただしGrade 3-4治療関連毒性は53%に上昇し、単剤と比較して免疫毒性が頻度・重症度ともに増大した。
ワクチン・CAR-T療法の癌免疫サイクルにおける位置付け：治療用腫瘍ワクチンは過去20年で抗原同定・送達・アジュバント選択・目標T細胞応答の設計という4つの課題に直面し、限定的な成果しか得られてこなかった。本論文はその主な理由の一つとしてimmunostatの存在を挙げ、腫瘍微小環境内の抑制シグナルが解除されない限り、ワクチン単剤では臨床的に意味のある腫瘍死滅に至らない可能性を論じた。一方、がん細胞自身が内因性ワクチンとして機能するという概念も提示され、標準治療 (化学療法・放射線・分子標的薬) による免疫原性腫瘍細胞死の誘導がサイクルのステップ1を加速する可能性が述べられた。CAR-T (chimeric antigen receptor T) 細胞療法は免疫化の必要性を回避し、多量の改変T細胞を輸注することでサイクルを強制的に前進させる戦略として位置付けられた (Grupp et al. NEnglJMed 2013)。CD19を標的とするCARによりB細胞悪性腫瘍で顕著な臨床効果が示されたが、固形腫瘍への拡張可能性・モノスペシフィックT細胞大量輸注による抗原ドリフト耐性・毒性管理が今後の課題として挙げられた。
自己増幅性サイクルと個別化免疫療法戦略への含意：Cancer-Immunity Cycleモデルが提示した最も重要な洞察は、サイクルの各回転で殺傷された腫瘍細胞から放出される新抗原が次のサイクルの燃料となり、抗原スプレッディングによって免疫応答が質的・量的に拡大する自己増幅的特性である (Figure 1)。この特性により、一度免疫療法によってサイクルが再起動されれば、刺激性免疫因子が蓄積するとともに新たな抗腫瘍免疫応答が次々と生成され、多くのがん治療で問題となる二次耐性を回避できる可能性がある。臨床的にはnivolumabで奏効持続期間18.4〜117.0+週・lambrolizumabで1.9〜10.8ヶ月という長期持続が報告されており、この自己増幅的メカニズムと整合する。さらに各患者における律速ステップを特定することで個別化戦略が可能になるという概念も提示された。gut microbiome・食事・感染症・腫瘍浸潤T regulatory細胞の存在など多くの未測定変数がサイクルの機能に影響することも認識され、将来的にはこれらを考慮したバイオマーカー駆動の患者選択が重要となることが予測された。
考察/結論
本論文は2013年のがん免疫療法の転換点において、それまで断片的に理解されていた抗腫瘍免疫の各側面を統合する画期的な概念的枠組みを提供した。既報の「3つのE」モデル (Elimination/Equilibrium/Escape) や免疫編集の概念と対照的に、Cancer-Immunity Cycleは治療介入を念頭に置いた動的な7段階のプロセスとして抗腫瘍免疫を再定義し、各ステップの正負の調節因子と可能な治療介入点を明示した。従来モデルが免疫逃避の結果に焦点を当てていたのとは異なり、本論文はサイクルの各ステップを潜在的治療標的として捉え直した点が新規の貢献である。
特に「checkpoint」 (リンパ系器官でのT細胞活性化制御) と「immunostat」 (腫瘍床での活性化T細胞エフェクター機能の局所的抑制) の概念的区別は本研究で初めて明確化されたものであり、その後のPD-1/PD-L1阻害薬の理論的基盤となった。PD-L1:PD-1遮断後に数日以内に奏効が始まるという臨床観察は「サイクルはステップ7直前まで正常に機能しており、既存の抗腫瘍T細胞がPD-L1によって抑制されていた」という解釈を強く支持し、これまでの研究が示していた「T細胞免疫応答は存在するが無効化されている」という観察の機序を初めて明確に提示した。また、PD-L1陰性症例でもCTLA-4阻害との組み合わせで奏効するという観察は、律速ステップが患者ごとに異なるというモデルの核心的予測を支持した。
臨床的意義として、本論文が提示した枠組みは (1) バイオマーカーによる各患者のサイクル上の欠損ステップ同定が治療選択を個別化する根拠、(2) 異なるステップを標的とする薬剤の組み合わせが相補的効果を発揮する根拠、(3) 免疫療法の奏効が持続的である機序 (自己増幅サイクルの再起動と抗原スプレッディング) の理論的説明、を同時に提供した。この枠組みは2014年以降のpembrolizumab・nivolumabの多癌種承認、ipi+nivo・pembro+化学療法などの組み合わせ試験デザインの基盤として機能し、臨床応用の方向性を規定した。
残された課題として本論文が明示したのは、(1) 腫瘍特異的T細胞の存在・機能状態・浸潤度を定量化するバイオマーカーの開発 (PD-L1発現・TIL密度・TCRクローナリティ等)、(2) サイクルの各ステップにおける各患者での律速ステップのin vivoでの特定手法の確立、(3) T regulatory細胞・MDSC・代謝的免疫抑制 (IDO・アルギナーゼ等) を標的とする治療法との統合、(4) 組み合わせ免疫療法における毒性管理 (特に免疫関連有害事象の予測・早期対処) の確立である。さらに、ワクチン療法がimmunostat遮断との組み合わせで有効性を発揮できるか、どの癌腫でどのステップが最も重要な律速段階となるかが今後の研究として提起された。本論文が示した予測の多くは、その後10年間の大規模臨床試験によって実証されることとなった。
方法
本論文はReview / Perspective論文であり、一次研究データの新規収集は行っていない。方法論として、Immunity誌の同特集号に掲載された免疫療法関連論文6報 (Galon et al., Kalos and June, Motz and Coukos, Palucka and Banchereau, van den Boorn and Hartmann, Zitvogel et al.) に加え、当時発表・発表準備中だったPD-L1/PD-1阻害薬の複数のフェーズI/II臨床試験データ (MPDL3280A、nivolumab、lambrolizumab、MEDI-4736、pidilizumab、AMP-224の6剤、合計n=750例超) および、CTLA-4阻害薬ipilimumabとnivolumabの早期フェーズI併用試験 (n=52) を統合して概念的フレームワークを構築した。
文献収集にはPubMed/MEDLINEデータベースを用いて基礎・臨床免疫学・腫瘍学論文を系統的に収集し、DC (樹状細胞) 生物学、T細胞活性化シグナル、腫瘍微小環境の免疫抑制機構、腫瘍抗原提示、ケモカインによるT細胞遊走、腫瘍血管内皮とT細胞浸潤の関係など、サイクルの各ステップに関連する分子・細胞機構を体系化した。臨床データについては2013年時点のASCO学会報告を含む初期試験の奏効率 (ORR)、奏効持続期間、有害事象率を整理・比較した。視覚的ツールとして、Table 1 (各7ステップの正負の調節因子の網羅的列挙)、Table 2 (PD-L1/PD-1阻害薬6剤の薬剤種別・抗体親和性・遮断相互作用・開発状況の比較)、Figure 1 (サイクルの概念図)、Figure 2 (刺激・抑制因子の全ステップにわたるマップ)、Figure 3 (現行治療法の介入点を示す図解) を作成した。本論文自体にはCox回帰・log-rank検定・ANOVAなどの統計手法は適用されていないが、引用する臨床試験の定量的データを整理・解釈する記述的比較を行った。