- 著者: Richard S. P. Huang, James Haberberger, Eric Severson, Daniel L. Duncan, Amanda Hemmerich, Claire Edgerly, Naomi Lynn Ferguson, Erik Williams, Julia Elvin, Jo-Anne Vergilio, Jonathan Keith Killian, Douglas I. Lin, Julie Tse, Matthew Hiemenz, Clarence Owens, Natalie Danziger, Priti S. Hegde, Jeffrey Venstrom, Brian Alexander, Jeffrey S. Ross, Shakti H. Ramkissoon
- Corresponding author: Richard S. P. Huang (Foundation Medicine, Inc., Morrisville, NC, USA)
- 雑誌: Modern Pathology
- 発行年: 2021
- Epub日: 2020-09-30
- Article種別: Original Article
- PMID: 32884129
背景
免疫チェックポイント阻害薬 (ICI) は近年、癌治療に革命をもたらし、PD-L1 (programmed death-ligand 1) および PD-1 (programmed cell death protein 1) を標的とする免疫療法が、非小細胞肺癌 (NSCLC) や悪性黒色腫など複数の適応症で承認されている Schachter et al. NEnglJMed 2017。さらに、アテゾリズマブなどのPD-L1免疫療法は、尿路上皮癌、トリプルネガティブ乳癌 (TNBC)、小細胞肺癌など、これまで治療が困難であった癌種においても承認され、数十年間生存率の有意な改善が見られなかった疾患に新たな治療選択肢を提供している Horn et al. NEnglJMed 2018。
ICIの奏効予測バイオマーカーとして、PD-L1免疫組織染色 (IHC)、tumor mutation burden (TMB)、microsatellite instability (MSI)、CD274 (PD-L1をコードする遺伝子) 遺伝子増幅がそれぞれ個別に承認・使用されている。PD-L1 IHCは、腫瘍細胞 (TC) および免疫細胞 (IC) におけるPD-L1発現を同定し、T細胞浸潤またはインターフェロンガンマ (IFNγ) 制御腫瘍を反映するが、その評価は腫瘍サンプルの異質性やアッセイ間差異といった課題を抱えている。複数のIHCアッセイと異なるスコアリングアルゴリズムが、異なる治療法および関連する腫瘍適応症に対して承認されており、その複雑性が指摘されている。例えば、DAKO PD-L1 IHC 22C3 pharmDxアッセイ (PD-L1 22C3) は、NSCLC、胃/食道接合部腺癌、子宮頸癌、尿路上皮癌、頭頸部扁平上皮癌 (HNSCC)、食道扁平上皮癌 (ESCC) などでコンパニオン診断 (CDx) として承認されており、それぞれ異なる腫瘍細胞比率スコア (TPS) や複合陽性スコア (CPS) のカットオフ値が設定されている。
MSIはDNAミスマッチ修復タンパク質の欠陥に起因し、患者に遺伝的過変異性をもたらす。MSI-High (MSI-H) 腫瘍は、腫瘍ネオアンチゲンを提示する可能性が高く、炎症状態を誘発することで腫瘍の免疫原性を高め、免疫療法応答に適した免疫表現型を示すと考えられている Hegde et al. Immunity 2020。TMBは、ゲノムのメガベースあたりの体細胞性コーディング領域の塩基置換および挿入/欠失変異の数から導き出され、MSI-H腫瘍と同様に、腫瘍細胞表面に免疫原性腫瘍関連「ネオアンチゲン」を発現すると考えられており、TMB高値腫瘍はICI応答に適しているとされる Rizvi et al. Science 2015、Snyder et al. NEnglJMed 2014、Samstein et al. NatGenet 2019。TMBは、包括的ゲノムプロファイリング (CGP) または全エクソームシーケンスによって測定可能である Chalmers et al。最近では、FoundationOne CDxによって測定されたTMBが10変異/Mbのカットオフ値で、固形腫瘍におけるペムブロリズマブのCDxとして米国FDAに承認された。
CD274遺伝子増幅は、PD-L1およびPD-1免疫療法に対する腫瘍細胞内在性の予測バイオマーカーとして、これまで十分に研究されていなかった。ホジキンリンパ腫の患者において、単剤ICIからのベネフィットを同定することが示されている Ansell et al. NEnglJMed 2015。これらのバイオマーカーはそれぞれ個別にICIの奏効予測に用いられているが、これらのバイオマーカー間の相関・独立性、およびがん種横断的な分布は十分に明らかにされていなかった点が、これまでの研究における知識ギャップであった。特に、大規模な実臨床データを用いた、これら4つのバイオマーカーの統合解析により、「どの患者がICI適応か」を大規模に定量化する意義は大きいが、この点に関するデータが不足していた。
目的
本研究の目的は、Foundation Medicine社で2016年1月から2019年11月までにFoundationOne CDxアッセイを受けた48,782例の固形悪性腫瘍患者を対象に、PD-L1 IHC発現、CD274遺伝子増幅、TMB、MSIの4つの免疫療法バイオマーカーの癌種別の分布、相互関係、および重複パターンを包括的に評価することである。これにより、これらのバイオマーカーが免疫チェックポイント阻害薬 (CPI) の適応患者を同定する上でどのように機能するかを解明し、将来のICI適応バイオマーカー戦略に重要な示唆を提供することを目指した。特に、PD-L1 IHC、TMB、MSI、CD274増幅の組み合わせが、単独では識別できない患者集団を同定できるかどうかを評価し、ICIに対する最適な応答を示す可能性のある患者サブセットを特定することを意図した。本研究は、特に進行期固形腫瘍患者を対象としたレトロスペクティブコホート研究として実施された。
結果
コホートの人口統計学的特性: 2016年1月から2019年11月までにFoundation Medicine社でPD-L1 IHCとCGPの両方を受けた合計48,782例の症例が解析された。このうち、約34.2% (n=16,666) がNSCLCであった。検体の大部分は転移部位 (35.9%, n=17,497) または原発腫瘍部位 (46.1%, n=22,482) からのものであった。性別が判明している症例では、53.9% (n=26,289) が女性、46.1% (n=22,475) が男性であった。平均年齢は64.4歳、中央値は65歳であった。
PD-L1タンパク質発現: NSCLCにおけるDAKO 22C3 CDxアッセイを用いたPD-L1腫瘍細胞発現の陽性率は59.7% (n=9,955/16,666) であった。DAKO 22C3およびCPSスコアリング法を用いたTCおよびICの両方を評価した場合、HNSCCでは95.2% (n=297/312)、子宮頸癌では83.7% (n=431/515)、胃/食道腺癌では79.0% (n=1,156/1,463) と高い陽性率が観察された。ESCCおよび尿路上皮癌でCPS 1のカットオフを使用した場合、陽性率はそれぞれ98.0% (n=100/102) および83.6% (n=989/1,183) であった。CPS 10のカットオフでは、ESCCで59.8% (n=61/102)、尿路上皮癌で46.5% (n=550/1,183) と中程度の陽性率であった。乳癌検体におけるSP142 CDxアッセイを用いたICのみの評価では、39.3% (n=900/2,289) の陽性率であった (Fig 2a)。
探索的カットオフであるTPS 1およびTPS 50を用いてPD-L1腫瘍細胞発現を評価した結果、全体としてほとんどの腫瘍検体 (61.6%, n=26,457/42,918) がPD-L1タンパク質発現陰性であり、22.7% (n=9,752/42,918) が低陽性 (TPS 1-49)、15.6% (n=6,709/42,918) が高陽性 (TPS ≥50) であった。全ての腫瘍タイプでPD-L1の高陽性を示す症例が認められた。主要な腫瘍タイプにおける高陽性 (TPS ≥50) の割合は2.2%から31.1%まで様々であった。特に、肺肉腫様癌 (59.3%, n=70/118)、原発不明肉腫様癌 (50%, n=14/22)、腎肉腫様癌 (61.5%, n=8/13) など、肉腫様腫瘍ではPD-L1腫瘍細胞発現の高陽性率が高かった。22C3高陽性 (TPS ≥50) の割合が最も高かった3つの主要な腫瘍タイプは、NSCLC (31.3%, n=5,189/16,666)、内分泌腫瘍 (22.3%, n=100/448)、およびその他特定不能の腫瘍 (17.3%, n=533/3,084) であった。低陽性 (TPS 1-49) の割合は、悪性黒色腫 (35.5%, n=401/1,130)、NSCLC (28.6%, n=4,766/16,666)、中枢神経系 (CNS) 腫瘍 (25.9%, n=187/721) で高かった。
TMB、MSI、およびCD274 (PD-L1) 増幅の結果: 全コホートにおけるTMBの平均値は7.9変異/Mb、中央値は3.8変異/Mbであり、TMB ≥10変異/Mbの症例は21.1% (n=10,273/48,782)、TMB ≥20変異/Mbの症例は7.7% (n=3,767/48,782) であった。TMB ≥10変異/Mbの有病率が最も高かった3つの腫瘍タイプは、悪性黒色腫 (52.6%, n=594/1,130)、NSCLC (36.1%, n=6,010/16,666)、および尿路上皮癌 (36.0%, n=426/1,183) であった (Fig 3a)。
MSIについては、全コホートの1.9% (n=925/48,782) がMSI-Hであり、88.6% (n=43,217/48,782) がMSSであった。MSI-Hの有病率が最も高かった3つの腫瘍タイプは、婦人科腫瘍 (5.8%, n=335/5,771)、胃/食道腺癌 (3.9%, n=57/1,463)、および消化管腫瘍 (非PD-L1 CDx適応) (3.1%, n=310/9,948) であった (Fig 3b)。MSI-H症例の全体コホートにおいて、消化管腫瘍 (PD-L1 CDxおよび非PD-L1 CDx適応) がMSI-H症例の最大の貢献者であった (39.7%, n=367/925)。
CD274 (PD-L1) 遺伝子増幅の全体的な有病率は0.72% (n=350/48,782) と稀であった。CD274 (PD-L1) 遺伝子増幅の有病率が最も高かった3つの腫瘍タイプは、HNSCC (3.2%, n=10/312)、子宮頸癌 (2.1%, n=11/515)、およびESCC (2.0%, n=2/102) であった (Fig 3c)。
免疫療法バイオマーカーの相関: CD274増幅とPD-L1 IHCを比較すると、PD-L1陽性コホート全体 (定義は方法セクション参照) において増幅の有病率が有意に高く (1.56%, n=310/19,856)、PD-L1陰性コホートでは低かった (0.14%, n=40/28,926) (Fisher’s exact test, p < 0.0001) (Fig 4a)。TPS、CPS、ICスコアリング法に基づくPD-L1陽性度とCD274増幅を検討した場合も、同様にPD-L1陽性コホートでCD274 (PD-L1) 増幅の有病率が高い傾向が認められた (Table 1)。
MSI-Hの有病率は、TMB ≥10変異/Mbのコホートで有意に高く (8.83%, n=907/10,273)、TMB <10変異/Mbのコホートでは低かった (0.05%, n=18/38,509) (Fisher’s exact test, p < 0.0001) (Fig 4b)。PD-L1 IHC陰性群と陽性群の間でMSI-Hの有病率に有意差は認められなかった (Fisher’s exact test, p = 0.457) (Fig 4c)。
TMBとPD-L1 IHCの相関を検討した結果、PD-L1陽性群ではTMB陽性率が有意に高く (28.5%, n=5,650/19,856)、PD-L1陰性群では低かった (16.0%, n=4,623/28,926) (Fisher’s exact test, p < 0.0001) (Fig 4d)。しかし、TMB-/PD-L1-、TMB+/PD-L1-、TMB-/PD-L1+、TMB+/PD-L1+の各コホートの有病率は腫瘍タイプに依存していた (Fig 4e)。TMB+/PD-L1+症例の有病率が最も高かった腫瘍タイプは、悪性黒色腫 (27.5%, n=311/1,130)、NSCLC (22.4%, n=3,728/16,666)、および子宮頸癌 (21.0%, n=108/515) であった。
PD-L1 IHCとCGPを組み合わせた場合、少なくとも1つのCDxバイオマーカーが陽性であった患者は39.5% (n=19,260/48,782) であった。残りの患者のうち、17.8% (n=5,267/29,522) が探索的PD-L1バイオマーカーのいずれかで陽性であった。合計すると、全コホートの50.3% (n=24,527/48,782) が少なくとも1つのCDxまたは探索的バイオマーカーで陽性であった (Fig 5)。
考察/結論
先行研究との違い: 本研究は、PD-L1 IHC、TMB、MSI、およびCD274遺伝子増幅という4つの主要なICIバイオマーカーについて、48,782例という大規模なコホートを用いて、その癌種横断的な分布と重複パターンを系統的に定量化した、これまでに報告された中で最大の解析である。過去のTCGAデータに基づくより小規模なpan-cancer解析ではPD-L1 IHCデータが限定的であったが、本研究は大規模な実臨床サンプルを用い、IHCと分子バイオマーカーを統合評価した点で独自性がある。また、PD-L1とTMBの弱い相関は既報と一致しており、「PD-L1陰性でもTMB-HならICI効果がある」可能性を裏付ける。例えば、Schrock et alは、MSI-H大腸癌におけるTMBの予測的価値を示したが、本研究はさらに広範な癌種におけるバイオマーカーの相互関係を明らかにした点で、これまでの研究とは対照的である。
新規性: 本研究で初めて、PD-L1 IHCとTMBの組み合わせにより、PD-L1-/TMB-、PD-L1+/TMB-、PD-L1-/TMB+、PD-L1+/TMB+という4つの明確な疾患サブセットが同定され、その有病率が腫瘍タイプによって大きく異なることが示された。特に、PD-L1+/TMB+コホートの有病率は1.2%から27.5%と幅広く、この集団がICIに最も感受性が高い可能性が新規に示唆された。また、CD274増幅がPD-L1 IHCの全てのスコアリングアルゴリズム (TPS, CPS, IC) における陽性度と相関することも本研究で初めて示された。
臨床応用: 本知見は、複数バイオマーカー併用評価 (PD-L1+TMB+MSI同時評価) がICI適応拡大に寄与しうるという臨床的有用性を示唆する。特に、CD274増幅は稀ではあるが、PD-L1 IHC高発現との高い一致率から、ICI応答予測マーカーとして有望である。これらのバイオマーカーを組み合わせることで、単独では識別できない明確な患者集団を特定できる可能性があり、これは将来の臨床試験デザインにおいて重要な考慮事項となる。例えば、PD-L1+/TMB+の患者群は、ICIに対する優れた応答を示す可能性があり、個別化された治療戦略に繋がる可能性がある。
残された課題: 今後の検討課題として、各バイオマーカーの至適閾値の癌種別最適化、hyperprogressive disease予測マーカーの統合、血中TMB (bTMB) の臨床実装、PD-L1 IHCのアッセイ間標準化、および治療反応性の前向き検証が挙げられる。本研究は紹介ラボのデータであるため、進行期疾患の症例が多く含まれている可能性があり、これは患者コホートが全体的に進行度が低い先行研究と比較する際のlimitationとなる。また、PD-L1 IHC TPS ≥1%をCDx適応のない腫瘍タイプに探索的カットオフとして使用した点も、臨床アウトカムデータが不足しているため、今後の検証が必要である。
方法
対象患者およびデータ収集: 本研究は、Foundation Medicine社の臨床検査室で2016年1月から2019年11月の間にPD-L1 IHCと包括的ゲノムプロファイリング (CGP) の両方を受けた48,782例の固形腫瘍症例を対象としたレトロスペクティブコホート研究である。検体はホルマリン固定パラフィン包埋 (FFPE) 組織であり、全切片、生検、または細胞診検体として外部機関から受領された。全ての検体は、病理医によって診断され、本研究のために17の主要な腫瘍グループに分類された。
PD-L1 IHCアッセイ: PD-L1 IHCは、DAKO PD-L1 IHC 22C3 pharmDxアッセイまたはVENTANA PD-L1 SP142アッセイを用いて実施された。DAKO 22C3アッセイは、非乳癌症例に適用され、腫瘍細胞比率スコア (TPS) または複合陽性スコア (CPS) で評価された。TPSはPD-L1陽性腫瘍細胞数を全腫瘍細胞数で割ったもので、NSCLCおよびCDx適応のない腫瘍タイプに適用された (TPS <1%を陰性、1-49%を低陽性、≥50%を高陽性)。CPSは腫瘍細胞、リンパ球、マクロファージを含むPD-L1染色細胞数を全腫瘍細胞数で割ったもので、胃/食道接合部腺癌、子宮頸癌、尿路上皮癌、HNSCC、ESCCに適用された。VENTANA SP142アッセイは、乳癌症例に適用され、腫瘍浸潤免疫細胞 (IC) スコアで評価された (IC ≥1%を陽性)。全てのIHCスライドは、米国病理学委員会認定の病理医によって解釈された。
包括的ゲノムプロファイリング (CGP): TMB、MSI、およびCD274増幅の状態は、FoundationOne CDx (324遺伝子) またはFoundationOne (315遺伝子) アッセイを用いてCGPにより決定された Frampton et al. NatBiotechnol 2013。
- TMB: 0.8-1.1 MbのシーケンスされたDNAから、変異負担推定アルゴリズムを用いて算出された。TMB ≥10変異/Mbを高値 (TMB-H) と定義した。
- MSI: 114の遺伝子座にわたるDNAシーケンスから、主成分分析 (PCA) アルゴリズムを用いてMSIスコアが生成され、MSI-High (MSI-H) または安定型 (MSS) に分類された。
- CD274増幅: 統計的コピー数モデルを用いて正規化されたカバレッジとアレル頻度から決定され、コピー数 ≥6を増幅と定義した。
バイオマーカー陽性定義: PD-L1 IHCについては、CDx適応のある腫瘍タイプではCDxのカットオフ定義に従い、CDx適応のない腫瘍タイプではTPS ≥1%を陽性とした。MSI陽性はMSI-Hと定義された。TMB陽性はTMB ≥10変異/Mbと定義された。CD274 (PD-L1) 遺伝子増幅は、バイオインフォマティクスパイプラインによって増幅と判断された場合に陽性とされた。
統計解析: 異なる免疫療法バイオマーカー間の相関は、フィッシャーの正確検定 (Fisher’s exact test) を用いて評価された。具体的には、PD-L1 IHCとCD274増幅、MSI-HとTMB、MSI-HとPD-L1 IHC、TMBとPD-L1 IHCの各比較が行われた。また、PD-L1-/TMB-、PD-L1+/TMB-、PD-L1-/TMB+、PD-L1+/TMB+の4つの疾患サブセットの有病率も検討された。本研究はNCT番号を持たない実臨床データ解析である。