- 著者: Antoni Ribas, Jedd D. Wolchok
- Corresponding author: Antoni Ribas (Department of Medicine, UCLA, Los Angeles, CA, USA); Jedd D. Wolchok (Memorial Sloan Kettering Cancer Center, New York, NY, USA)
- 雑誌: Science
- 発行年: 2018
- Epub日: 2018-03-23
- Article種別: Review
- PMID: 29567705
背景
がん免疫療法は 20 世紀初頭の Coley の細菌毒素療法以来、長年にわたって empirical な実験的段階にとどまっていた。1980-90 年代に IL-2 (interleukin-2) と IFNα (interferon-alpha) が腎細胞癌・メラノーマで一部患者に durable response を示したが、奏効率は 5-15% 程度で大半の患者には恩恵が無く、副作用が極めて重篤であった (Atkins et al. 2005 レビュー)。1990 年代後半に James Allison ら (Leach et al. Science 1996 の preclinical proof-of-principle) と Jeffrey Bluestone らが独立に CTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4) を T 細胞活性化の non-redundant な負の調節因子として同定し、Tasuku Honjo の研究室が 1992 年に PD-1 (programmed cell death 1) を発見した (Ishida et al. EMBOJ 1992)。これらの knockout マウスは fulminant lymphocytic infiltration (CTLA-4 KO) または mild autoimmunity (PD-1 KO) を示し、生理的 immune homeostasis の brake であることが確立した。
それまでの抗腫瘍 strategy が腫瘍細胞自身を標的とする (細胞毒性化学療法・分子標的薬) のと 対照的 に、ICI (immune checkpoint inhibitor) は患者自身の T 細胞応答を re-activate する間接攻撃で、durable response の可能性を秘めた根本的な paradigm shift であった。これまで の細胞毒性化学療法は奏効後の relapse がほぼ必発であったが、ICI は responder で >5 年の持続奏効を示すケースが多数報告され、cancer immunotherapy が Science 誌 2013 年 Breakthrough of the Year に選出された。
しかし 2018 年時点の gap in knowledge として、(1) 全がん腫平均奏効率が 15-25% にとどまり大多数の患者で benefit が 不足、(2) PD-L1 IHC・TMB (tumor mutational burden)・MSI-H (microsatellite instability-high) など個別バイオマーカーは存在するが composite predictive model が手薄で予測精度が不十分、(3) 原発耐性 (primary resistance) と獲得耐性 (acquired resistance) の分子機序の系統的理解が controversial、(4) irAE (immune-related adverse events) の予測バイオマーカーと管理 algorithm が不完全、(5) 併用戦略 (anti-CTLA-4 + anti-PD-1、chemo + ICI、radio + ICI、TKI + ICI 等) の患者選択 algorithm が確立していない、という点が残っていた。本 review は 2018 年初頭時点の ICI 生物学と臨床応用を体系化することで、これらのギャップに統合的視点を提供することを目指す。
目的
本総説は (1) CTLA-4 と PD-1/PD-L1 (PD-L1: programmed cell death ligand 1) の作用機序と immune checkpoint としての non-redundant 機能、(2) ipilimumab・tremelimumab (抗 CTLA-4)、nivolumab・pembrolizumab (抗 PD-1)、atezolizumab・avelumab・durvalumab (抗 PD-L1) の主要臨床試験成績、(3) PD-L1 発現・TMB・MSI-H・IFNγ signature 等の predictive biomarker、(4) 原発耐性・獲得耐性の分子機序 (HLA class I loss、B2M (β2-microglobulin) loss-of-function、JAK1/2 mutation、Wnt-β-catenin activation、IPRES (innate anti-PD-1 resistance) signature)、(5) ipilimumab + nivolumab 併用および新世代併用療法の rationale と toxicity profile、を統合的にレビューすることを目的とする。
結果
CTLA-4 と PD-1 の機能的区別：CTLA-4 は resting T 細胞では細胞内、TCR (T cell receptor) engagement と CD28 co-stimulation 後に細胞表面へ translocate し、CD28 と競合して CD80/CD86 (B7-1/B7-2) に結合し T 細胞増殖と活性化を抑制 (Fig 1 左)。リンパ節で新規 T 細胞 priming を制御する master checkpoint であり、Ctla4−/− マウス (n=数十匹コホート) は fulminant lymphocytic infiltration により出生後 3-4 週で 100% 死亡する severity を示す。一方 PD-1 は末梢組織・腫瘍微小環境 (TME) で主に作用し、慢性抗原曝露による疲弊 T 細胞 (exhausted T cells) のエフェクター機能を抑制する。SHP-2 (Src homology region 2-containing protein tyrosine phosphatase 2) を介して TCR 下流のリン酸化を脱リン酸化し、TCR signal を attenuation する (Fig 1 右)。PD-1 リガンドは PD-L1 (CD274/B7-H1) と PD-L2 (CD273/B7-DC) で、PD-L1 は IFNγ (interferon-gamma) 誘導で炎症性に多様な体細胞で発現、PD-L2 は抗原提示細胞に restricted。Pdcd1−/− マウスは lupus-like nephritis や dilated cardiomyopathy など mild autoimmunity を示すのみで、CTLA-4 KO と 対照的 に lethal phenotype は呈さない。
CTLA-4 阻害の臨床成績：ipilimumab と tremelimumab が 2000 年に first-in-human 臨床試験に入った。Phase 3 試験 MDX010-20 (n=676、ipi 単剤 vs gp100 peptide vaccine vs combination) では ipilimumab + gp100 で OS 中央値 10.0 月 vs 6.4 月 (HR 0.68、p<0.001) と初めて OS 延長を示し、2011 年 FDA 承認の根拠となった (Hodi et al. NEnglJMed 2010)。CA184-024 試験 (n=502、dacarbazine + ipi vs dacarbazine alone) でも OS 11.2 月 vs 9.1 月 (HR 0.72、p<0.001、Robert et al. NEnglJMed 2011)。長期 follow-up で 5 年生存率は約 18-20% に plateau し、durable response の存在を示した。ORR (objective response rate) は 15% 程度だが、responder の OS は >10 年に達する例も報告される。Grade 3-4 irAE は 10-15%、主に colitis・hepatitis・hypophysitis・dermatitis (Fig 2 で 2000-2017 年の development timeline と FDA 承認時期が整理されている)。
PD-1/PD-L1 阻害の臨床成績：nivolumab (MDX-1106/BMS-936558) が 2006 年 10 月に first-in-human dose-escalation phase 1 試験に入り、初期 16 例で 6 例 (37.5%) に objective response (melanoma・renal cell carcinoma・NSCLC) が確認された。Pembrolizumab は 2011 年に開始、KEYNOTE-001 phase 1 試験 (n=1,235 でこれまで最大規模の oncology phase 1) で NSCLC で ORR 19% (PD-L1≥50% で 45%) を示し、NSCLC で 2015 年 FDA 加速承認 (Garon et al. NEnglJMed 2015)。Atezolizumab (抗 PD-L1) は 2016 年に urothelial cancer で初承認、avelumab は 2017 年 Merkel cell carcinoma、durvalumab は 2017 年 urothelial で承認。MSI-H/dMMR (mismatch-repair deficient) では tumor-agnostic 承認が 2017 年に下り、pembrolizumab は組織型を問わず適応 (Le et al. Science 2017、Le et al. NEnglJMed 2015)。Single-agent PD-1 blockade の grade 3-4 irAE 頻度は 10-15%、treatment-related death は <1%、discontinuation は約 5%、prevalence は CTLA-4 阻害より低い (Table 1)。
腫瘍型別奏効率の階層化 (Table 1)：Ribas らは Table 1 で奏効率を 3 階層に分類した。High response rate (50-90%) 群には Hodgkin’s disease 87% (nivolumab/pembrolizumab、PDJ amplicon による PD-L1 constitutive 発現)、desmoplastic melanoma 70% (chronic UV-induced mutations)、Merkel cell carcinoma 56% (avelumab/pembrolizumab、Merkel cell polyomavirus driven)、MSI-H cancers 53% (mismatch-repair deficiency による high indel load) が含まれる。Intermediate response rate (15-40%) 群には skin melanoma 35-40%、NSCLC 20% (cigarette smoking-induced mutations、atezolizumab/nivolumab/pembrolizumab)、head and neck 15%、gastroesophageal 15%、bladder/urinary tract 15%、renal cell carcinoma 25% (indels-driven)、hepatocellular carcinoma 20% (hepatitis virus-driven) が分類される。共通する pattern として、(a) 高 TMB を生む発がん原 (UV light、cigarette smoke、mismatch-repair defect)、(b) ウイルス由来 antigen (Merkel cell polyomavirus、HBV、HCV、HPV)、(c) immune privilege 解除を伴う genetic alteration (PDJ amplicon) が高奏効率と相関する。これらは neoantigen load と pre-existing T-cell infiltrate の存在を示唆する。
奏効と耐性の分子機序：奏効の前提条件は preexisting antitumor T cell response の存在で、(1) 高 TMB ・clonal neoantigen (subclonal neoantigen は不利、McGranahan et al. Science 2016)、(2) functional MHC class I 抗原提示、(3) intact IFNγ signaling pathway (JAK1/2 → STAT1 → IRF-1 → PD-L1 reactive expression、Fig 3)、(4) tumor invasive margin で CD8+ T cell・PD-1・PD-L1 が co-localize する “inflamed” phenotype が必要。原発耐性の主因は (a) 低 TMB による neoantigen 不足 (uveal melanoma・prostate cancer・glioblastoma)、(b) Wnt-β-catenin 経路活性化による CD8+ T cell exclusion (Spranger et al. Nature 2015)、(c) IPRES (innate anti-PD-1 resistance) gene signature (stemness、EMT、wound healing 関連遺伝子上昇、Hugo et al. Cell 2016)、(d) immune suppressive cells (Tregs・MDSC・M2 macrophages) の蓄積、である。獲得耐性では (i) B2M (β2-microglobulin) loss-of-function による MHC class I 表面発現喪失、(ii) JAK1/JAK2 homozygous loss-of-function による IFNγ signaling 失調 (n=4 acquired resistance 症例で報告、Zaretsky et al. NEnglJMed 2016)、(iii) HLA class I specific allele deletion、(iv) neoantigen 喪失による immunoediting、が CRISPR-Cas9 screen で confirm された (Manguso et al. Nature 2017、Patel et al. Nature 2017)。
併用療法：ipi + nivo：2009 年 12 月に first-in-human で ipilimumab + nivolumab 併用試験開始。Phase 1 試験で ORR >50%、phase 2/3 試験 CheckMate 067 (n=945、ipi+nivo vs nivo alone vs ipi alone) で ORR 58% (combination) vs 45% (nivo) vs 19% (ipi)、3-year OS 58% vs 52% vs 34%。高頻度 grade 3-4 irAE (combination 55-60% vs nivo 16% vs ipi 27%) を伴う。PD-L1 <1% subgroup では combination が nivo 単独より OS 改善が大きい (n=345 subgroup analysis) trend を示した (Wolchok et al. NEnglJMed 2017 3-year update)。Mass cytometry (CyTOF) 解析で CTLA-4 と PD-1 阻害が distinct phenotypic signature を T 細胞 subset に与えることが示され、mechanistic non-redundancy が確認された (Wei et al. Cell 2017)。Adaptive dosing trial (NCT03122522) で combination の toxicity 軽減を試みる戦略が検討中。
他の併用戦略：(1) chemotherapy + ICI (KEYNOTE-189 NSCLC で pembrolizumab + carboplatin/pemetrexed が OS HR 0.49 を示す)、(2) radiotherapy + ICI (abscopal effect の誘導)、(3) BRAF/MEK + ICI (melanoma)、(4) anti-OX40・anti-4-1BB (T cell agonist)、(5) anti-LAG-3・anti-TIM-3・anti-TIGIT (next-generation checkpoints)、(6) IDO1 (indoleamine 2,3-dioxygenase) 阻害剤 (epacadostat、phase 3 ECHO-301 で fail)、(7) TLR (toll-like receptor) agonist や oncolytic virus の intratumoral injection、(8) anti-arginase・anti-Treg、(9) gut microbiome modulation (FMT (fecal microbiota transplantation)・probiotics、Akkermansia muciniphila 高 baseline で responder 富化、Routy et al. Science 2018)、が並行検討されている。Empirical な多数試験よりも mechanism-based combination の優先が著者らから提言されている。
考察/結論
本総説は ICI が 1996 年の Leach-Allison preclinical study から 2018 年に 5 つの抗体・11 がん腫承認に至るまでの 20 年余の科学的・臨床的軌跡を統合的に俯瞰し、cancer immunotherapy の現代的体系を確立した landmark review である。① 先行研究との違い：1990 年代の IL-2・IFNα が adaptive immunity の “non-specific stimulation” だったの と異な り、ICI は specific な negative regulator (CTLA-4・PD-1) を pharmacologically release する mechanism-based approach であり、これは これまで 提唱されてきた “immune surveillance” 概念 (Burnet 1957) を “cancer immunoediting” model (escape phase での immune suppression の reversibility、Schreiber et al. Science 2011) として再構築し、IL-2・IFN・gene therapy で empirical に試行錯誤されてきた immunotherapy 戦略と 相違 する真の mechanistic foundation を提供した。② 新規性：本論文は 新規な 統合視点として、(a) CTLA-4 と PD-1 の作用部位の解剖学的分離 (lymph node vs TME) と signaling 機序の分離 (CD28 競合 vs SHP-2 dephosphorylation)、(b) 高奏効率がん腫の共通分子 signature (TMB・clonal neoantigen・MHC class I intact・IFNγ pathway intact)、(c) 獲得耐性の収斂点 (antigen presentation pathway と IFNγ signaling) を 本研究で初めて 系統的に整理した。これまで報告されていない 概念として “molecular convergence of resistance” (HLA class I loss・B2M loss・JAK1/2 mutation・neoantigen loss が結局 antigen presentation と IFNγ-PD-L1 axis に収束) が 4 つの異なる経路から CRISPR-Cas9 screen 含めて confirm された点が highlight である。③ 臨床応用 (bench-to-bedside・translational・橋渡し)：本 review の 臨床的有用性 は (i) 16+ がん腫で 5 抗体が承認され、durable response が 10-30% の患者で実現された (ii) MSI-H/dMMR の tumor-agnostic 承認は precision oncology を組織型基準から molecular feature 基準に転換させた (iii) PD-L1 IHC・TMB・MSI が 臨床現場 の予測 biomarker として実装され、(iv) ipi+nivo combination が高奏効率を必要とする symptomatic disease で標準オプションとなった (Larkin et al. NEnglJMed 2015 CheckMate 067)。NSCLC 領域でも anti-PD-1 monotherapy (Garon et al. NEnglJMed 2015 KEYNOTE-001)・chemo + IO 併用 (KEYNOTE-189)・neoadjuvant ICI (Topalian et al. Science 2020) として展開し、本 review の knowledge framework が現代肺癌診療の中核を成す。④ 残された課題 (今後の検討・limitation・future research/direction)：(a) responder を事前選択する composite predictive model の不足 (PD-L1 IHC は ROC AUC ~0.6 で不十分、TMB・MSI・IFNγ signature の統合が 今後の課題)、(b) “cold tumor” を “hot tumor” に転換する個別化併用 strategy の最適化、(c) irAE 予測 biomarker (HLA genotype・gut microbiome) の prospective validation、(d) acquired resistance への salvage therapy (LAG-3 阻害 Tawbi et al. NEJM 2022 RELATIVITY-047 で nivolumab+relatlimab 承認に発展)、(e) financial toxicity と global access 問題 (年間 $150,000+ の治療費)、(f) 長期 safety (5-10 年後の secondary cancer・autoimmunity の coherent surveillance system 構築)、(g) early-stage disease での neoadjuvant/adjuvant ICI 適応拡大 (Forde et al. NEnglJMed 2018 neoadjuvant NSCLC) が 今後の研究 方向として提示されている。本 review は 2018 年時点の ICI 体系を確立し、その後の 2018-2026 年の precision immuno-oncology 発展の foundational reference として >5,000 引用を獲得し続けている。
方法
本論文は narrative expert review (Science Special Section “Cancer Immunotherapy”) で、Ribas 研究室 (UCLA) と Wolchok 研究室 (MSKCC) の臨床経験と免疫学的研究に基づき、PubMed に基づく 61 件の主要文献を統合した。引用文献の選定は ipilimumab/nivolumab/pembrolizumab/atezolizumab/avelumab の phase 1-3 臨床試験 (n=各試験 100-1,000+ enrollment)、preclinical mouse model (syngeneic melanoma B16、MC38)、CRISPR-Cas9 screen (Manguso et al. Nature 2017、Patel et al. Nature 2017)、生検組織の WES (whole exome sequencing)・RNA-seq・IHC を含む。Reference DB は PubMed/Web of Science 検索、データ範囲は 1992 年 (PD-1 同定) から 2018 年 1 月 (executive editorial close)。統計手法は本 review 本文では用いず、原著の Kaplan-Meier 生存曲線・Cox proportional hazards 回帰・log-rank 検定の結果を引用する形をとる。著者は両者とも Parker Institute for Cancer Immunotherapy のメンバーで CTLA-4/PD-1 開発企業 (BMS、Merck、Roche、AstraZeneca、Pfizer 等) との利益相反を明示。