- 著者: Caruso B, Moran AE
- Corresponding author: Amy E. Moran (Department of Cell, Developmental and Cancer Biology, Knight Cancer Institute, Oregon Health and Science University, Portland, OR, USA)
- 雑誌: Trends in Cancer
- 発行年: 2023
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 37173189
背景
免疫チェックポイント阻害薬 (immune checkpoint blockade: ICB) はPD-1 (programmed cell death protein 1) およびCTLA-4 (cytotoxic T-lymphocyte-associated antigen 4) を標的とし、進行癌治療を革新した。しかしこれらの阻害分子は末梢T細胞機能のみならず、胸腺T細胞発達の初期段階からも発現することが知られている。先行研究として、Chambers ら (1997) はCTLA-4欠損マウスで致死的なリンパ球増殖性疾患の発症を報告し、Nishimura et al. Immunity 1999 はPD-1欠損マウスでループス様自己免疫疾患を観察し、両分子が末梢・胸腺の双方で免疫恒常性に不可欠であることを示した。Freeman et al. JExpMed 2000 はPD-L1 (PD-1 ligand 1) をPD-1のリガンドとして同定し、PD-1/PD-L1経路の免疫調節機構を確立した。さらにNishimura ら (1996) は胸腺DN細胞でPD-1が発達初期から発現することを示し、胸腺でのチェックポイント機能研究の先鞭をつけた。加えて、加齢性胸腺萎縮によるTCR (T cell receptor) レパートリー多様性低下が癌発症・進行リスクと相関することも報告されている (Palmer ら (2018))。
これらの先行研究にもかかわらず、gap in knowledgeとして以下が「未解明」のまま残されており、知識の空白が生じていた: (1) PD-1・CTLA-4・BTLA (B and T lymphocyte attenuator) ・VISTA (V-domain Ig suppressor of T-cell activation) の胸腺T細胞発達段階別機能を統合的に整理した解説が皆無であった。(2) ICBが胸腺でのpositive selection・negative selection・agonist selection (iNKT細胞・Treg・CD8αα T細胞の産生) に与える影響が系統的に論じられていなかった。(3) 加齢に伴う胸腺萎縮とICB応答性・irAE (immune-related adverse event) 発症との関連が「手薄」な状態であった。(4) ICBが胸腺Treg (regulatory T cell) プールを改変し腫瘍免疫抑制に寄与しうるという概念的枠組みが欠落していた。
目的
胸腺におけるチェックポイント分子 (PD-1・CTLA-4・BTLA・VISTA) の発現時期と機能をT細胞発達段階別 (DN→DP→SP) に整理し、ICB療法が胸腺T細胞発達・TCRレパートリー・Treg産生に及ぼす潜在的影響と、その癌患者の治療転帰・irAE・加齢免疫脆弱性への臨床含意を論じる。
結果
胸腺T細胞発達と選別機序の概要：T細胞は骨髄由来リンパ球前駆細胞が胸腺に流入し、DN (double negative、CD4-CD8-未熟前駆細胞) 1→DN2a (early pro-T cell、CD44hiCD25lo)→DN2b (late pro-T cell、CD44hiCD25hi)→DN3 (pre-T cell、CD44loCD25hi; DN3でTCRβ鎖rearrangement・β-selectionが生じる)→DN4→DP (double positive: TCRα鎖rearrangement・全TCR発現)→SP (single positive: CD4またはCD8) の順に成熟する。DP段階での胸腺上皮細胞 (thymic epithelial cell: TEC) ・樹状細胞 (dendritic cell: DC) との相互作用において、TCRシグナル強度に応じた4種の運命決定が行われる: (i) TCRシグナルなし→neglect death (受動的死)、(ii) 弱TCRシグナル→positive selection (Bcl-2依存的生存・成熟)、(iii) 強TCRシグナル→negative selection (Bim経由アポトーシスによるクローン除去)、(iv) 中等度TCRシグナル→agonist selection (iNKT細胞・Treg・CD8αα T細胞への特殊分化)。最終的に胸腺細胞の約1%のみが成熟して末梢へ移行する (Berzins ら 1999)。この過程で共刺激分子CD28が重要な役割を担い、CD28シグナルがnegative selectionを促進しTreg発達に必要なIL-2 (interleukin-2) 応答を支持することも確立されている (Figure 1)。チェックポイント阻害分子はこのいずれかの段階でTCRまたはCD28シグナルを調整することにより、T細胞運命決定に関与しうるという点が本総説の中核的命題である。
加齢性胸腺萎縮とTCRレパートリー縮小：胸腺は加齢とともに萎縮し、TECが脂肪組織に置換されて胸腺構築が崩壊する。これによりnaive T細胞の末梢流出が減少し、メモリーT細胞のホメオスタシス増殖が亢進してTCRクローナリティが上昇する。高齢者ではCMV (cytomegalovirus) 特異クローンがCD4 T細胞レパートリーの約6%、CD8 T細胞レパートリーの最大25%を占有することが報告されている (Khan ら 2002)。さらに75歳以上の個人ではnaive T細胞レパートリー多様性の1%未満しか保持されない (Naylor ら 2005)。複数の癌種においてTCRレパートリー多様性低下が不良予後と相関し (Liu ら 2019 [肺癌]、Guo ら 2020 [腎細胞癌])、TCR多様性の高い患者はanti-CTLA-4 (ipilimumab) およびanti-PD-1療法に対して良好な転帰を示す (Postow ら 2015、Im et al. Nature 2016、Arakawa ら 2019) ことから、胸腺機能とICB治療効果の直接的関連性が示唆される。加齢に伴う胸腺萎縮の別の帰結として、TEC-thymocyte相互作用の弱体化によりTCRシグナル強度が低下し、本来negative selectionを受けるべき自己反応性CD4+胸腺細胞がTreg系統へ偏向する仮説も提唱されている。こうして産生されたTregは腫瘍共発現自己抗原に応答性であり、腫瘍微小環境へ動員されて免疫抑制・癌進行を促進する可能性がある (Table 1参照)。
CTLA-4の胸腺機能—Treg産生制御における中心的役割：CTLA-4はDP・SP胸腺細胞の一部に表面発現し、DN胸腺細胞には細胞内貯蔵が認められる。TCRライゲーション後はすべての発達段階の胸腺細胞で上昇発現が誘導される (Gross ら 1992)。そのリガンドB7-1 (CD80) ・B7-2 (CD86) は主として胸腺髄質のTEC・DC・B細胞に限局して発現し (Reiser & Schneeberger 1994、Nelson ら 1993)、髄質を主要部位とするnegative selectionおよびTreg agonist selectionへの選択的関与が示唆される (Figure 2A)。
Negative selectionへの役割については相反するデータが存在する (n=12研究, Table 1)。CTLA-4欠損マウス (Chambers ら 1997) やTCR-Tg (T cell receptor transgenic) マウスをベースとした研究 (Waterhouse ら 1997、Chambers ら 1998、Oosterwegel ら 1999) では負選別の欠損は認められなかった。一方でin vivo anti-CD3誘導モデルでは抗CTLA-4抗体がB7依存的細胞死を逆転し (Wagner ら 1996、Cilio ら 1998)、CTLA-4が負選別を阻害あるいは増幅するという矛盾した解釈が生じた。SAg (superantigen) モデルを用いたBuhlmann ら (2003) は、B7-1/B7-2二重KOでVβ3/Vβ11/Vβ12陽性T細胞の負選別障害を示し、CTLA-4がこの過程を阻害することを報告した。こうした知見の矛盾はモデル系依存性を反映していると考えられる。
agonist selection、特にTreg産生制御においてCTLA-4の役割は一貫している。Verhagen ら (2009) はCTLA-4欠損マウスで胸腺Tregが~6-fold (約6倍) 増加することを観察し (Verhagen et al. PNAS 2009)、CTLA-4がCD28共刺激を介するFoxp3発現を抑制することでTreg過剰産生を防ぐ機序を提唱した。Klocke ら (2016) のタモキシフェン誘導性CTLA-4欠損モデルでも同様のTreg増加が確認された。さらにCTLA-4欠損マウスでは本来髄質に限局するFoxp3+CD4+ T細胞が皮質に異所性出現し (Foxp3+DP胸腺細胞)、CD28遮断で消失することが示された。これはCTLA-4がCD28-FoxP3誘導軸を抑制し、皮質での早期・異所性Treg誘導を防ぎ、適切な組織制限抗原環境下での髄質Treg産生を保証するという調節機構を示唆する。Verhagen ら (2013) はCTLA-4欠損Tg4-TCR-Tg (myelin basic protein Ac1-9 peptide-specific T cell receptor transgenic) マウスを用い、通常CD4 T細胞とTregのTCRレパートリー重複が増加することも示し、CTLA-4がagonist lineageへの選別に必要なTCRシグナル強度を調整することを明らかにした。
PD-1の胸腺機能—β-selectionからTreg産生制御まで：PD-1はDN胸腺細胞でTCRβ-selectionに先駆けて初発現する (Nishimura ら 1996)。これはチェックポイント分子の中で最も早い発現時期であり、発達初期からの運命調整への関与を示唆する (Figure 2B)。PD-1のシグナルはITIM (immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif) ・ITSM (immunoreceptor tyrosine-based switch motif) を介してSHP-2 (SH2 domain-containing phosphatase 2)・SHP-1を動員し、TCR・CD28下流のPI3K/Akt・Ras/MEK/Erkを脱リン酸化・抑制する。リガンドのPD-L1はDN・SP胸腺細胞・TEC・皮質および髄質のDCに発現し、PD-L2は髄質のDC・マクロファージ・mTECに限局する (Liang ら 2003)。PD-L1とPD-L2は相同性38%を共有するが、PD-1との結合機序が異なる (Lin ら 2008)。
Positive selectionへの影響として、PD-1欠損2C-TCR-Tgマウスでは DP胸腺細胞の減少・CD8 SP胸腺細胞の増加が観察された (Nishimura ら 1999)。PD-1過剰発現モデルでは逆にDP増加・TCR誘導CD69上昇抑制が生じ、この効果はCD2またはCD28共刺激では克服されなかった (Keir ら 2005) (Table 2)。後者の実験ではPD-L1欠損・PD-L2欠損細胞を用いた解析により、PD-1-PD-L1特異的相互作用がpositive selectionを阻害することも確認された。一方β-selectionについては、Nishimura ら (2000) がPD-1欠損Rag2欠損骨髄キメラを用いてPD-1が特異的にTCRβ-selectionを阻害することを示した。
Negative selectionへの役割は複雑である。複数のTCR-Tgモデルで負選別中のPdcd1 (PD-1遺伝子) 発現上昇が確認される (Schmitz ら 2003 [N15-H2bマウス]、Baldwin & Hogquist 2007 [HY-TCR-Tg]、Zucchelli ら 2005 [NOD-TCR-Tg]、Liston ら 2007 [NOD-TCR-Tg])。しかし、Thangavelu ら (2011) はHY-TCR-Tg・Marilyn-TCR-TgマウスでPD-1欠損が負選別を障害しないことを示し、PD-1は負選別の増幅因子ではあるが必須因子ではないとする解釈が妥当とされる (Table 2)。
Treg産生制御として、Ellestad ら (2014) はPD-1欠損HSCをRag2欠損レシピエントに移植した系でTreg増加を観察した。Rag2欠損レシピエントは胸腺構築に問題があるとの批判に対し、Chen ら (2014) は正常マウスを用いた混合骨髄キメラおよびMJ23 TCR-Tgモデル (前立腺自己抗原かつ腫瘍関連抗原特異的Treg誘導TCR) で独立検証を行い、PD-1欠損細胞が野生型よりMJ23 Tregとして胸腺に選別される頻度が高いことを確認した (Table 2)。PD-1がCD28共刺激を阻害することでTreg発達に必要なFoxp3誘導を抑制するという仮説が最も有力だが、機序は未確定である。さらに詳細なモデルとして、iNKT・CD8αα T細胞等の他agonist選別細胞集団へのPD-1の影響は未研究である。
BTLA・VISTAの限定的胸腺知見とICBの胸腺含意：BTLA (B and T lymphocyte attenuator) はIg-superfamilyに属する1型膜貫通受容体で、ITIM・ITSMを介してSHP-1を優先的に動員する。唯一の既知リガンドはHVEM (herpesvirus entry mediator) だが、胸腺での発現は未報告である。Han ら (2004) は、positive selectionに伴いBTLAがCD69・TCRと同期して胸腺細胞に上昇することを報告した。BTLA欠損マウスでは大きな発達異常は認められないが (Watanabe ら 2003)、Bekiaris ら (2013) はBTLA欠損で胸腺γδ T細胞が増加することを観察し、agonist selectionへの関与を示唆した。VISTA (V-domain Ig suppressor of T-cell activation) はCD4・CD8 SP胸腺細胞に発現するが、VISTA欠損マウスではDN/DP/SP各分画の数・頻度に異常は認められない (Wang ら 2011)。ElTanbouly ら (Science 2020) によるscRNA-seqでもautoreactive TCR頻度に差は認められず、VISTAはgross胸腺発達よりも機能的な免疫寛容に関与すると考えられる。
ICBの胸腺機能への臨床的含意として、遺伝学的モデルの外挿から抗PD-1・抗CTLA-4 ICBは胸腺Treg産生を増幅する可能性がある。高齢癌患者では既存の加齢性胸腺Treg相対増加傾向がICBでさらに増幅し、腫瘍自己抗原応答性Tregが腫瘍微小環境に動員されて免疫抑制・ICB耐性を招く懸念がある。一方でPD-1は末梢誘導Treg (peripherally induced Treg: iTreg) のFoxp3発現も促進するため、抗PD-1 ICBは末梢iTregを減少させつつ胸腺tTregを増加させる可能性があり、双方向性の影響が想定される。胸腺出力評価指標として末梢血sjTREC (signal joint T-cell receptor excision circle) 定量・末梢血TCR-seq・胸腺CTによる体積測定がバイオマーカー候補として示唆されている。
考察/結論
先行研究との違い：本総説はICBの末梢T細胞制御を論じた既報レビュー (Bardhan ら Front Immunol 2016) と対照的に、胸腺T細胞発達を中心軸として位置づけた点で独自性を持つ。これまでの研究では各チェックポイント分子の単一遺伝子解析が個別報告に留まり、PD-1・CTLA-4・BTLA・VISTAの4分子を発達段階別に比較統合し、胸腺機能へのICB臨床外挿を試みた解説は皆無であった。新規な着眼点として、CTLA-4欠損での胸腺Treg約6倍増加やPD-1欠損での胸腺Treg亢進という遺伝学的知見を、ICBの副作用 (irAE) および治療耐性という臨床課題に直結させた枠組みを構築した。TCRレパートリー多様性とICB応答の関連を示す既報 (Postow ら 2015) に加え、そのTCRレパートリーを形成する胸腺機能自体がICBの標的経路によって改変されうるというnovelな視点を提供した。また末梢T細胞疲弊 (T cell exhaustion) におけるPD-1の中心的役割を体系化したWherry et al. NatRevImmunol 2015・Wherry et al. NatImmunol 2011の知見は末梢でのICB作用機序の基盤であるが、本総説はそれを胸腺発達段階まで遡及して拡張した点で相補的な位置づけにある (Yasumizu et al. NatCommun 2022、Castelo-Branco et al. ESMOOpen 2023 との関連)。胸腺上皮腫瘍 (TET) においてICBに伴うirAEが他癌種より高頻度に生じるという臨床観察 (Strobel et al. NEnglJMed 2004 参照) の機序仮説としても本枠組みは機能する。
臨床応用と意義：臨床的含意として以下の戦略が示唆される: (1) 末梢血TCR多様性・sjTREC定量をICB応答予測バイオマーカーとして確立する臨床応用の可能性、(2) 胸腺Tregを選択的に枯渇または抑制してICB効果を増強する戦略 (CTLA-4選択的阻害剤・anti-Treg療法)、(3) アンドロゲン遮断による胸腺再生とICBの併用による抗腫瘍効果増強 (Polesso ら 2022)、(4) 高齢者・TET患者での胸腺機能評価によるirAEリスク層別化。これらは臨床現場でのICB個別化医療への橋渡しとなる戦略的提言である。臨床的意義として、TET患者では正常胸腺構築が障害されているためICBへの異常応答が生じるという機序的説明を提供した点も重要な貢献である。
残された課題・limitation：今後の検討として以下が挙げられる: (a) ヒト胸腺でのチェックポイント分子機能の直接検証 (thymic organoid・organ-on-chip技術の活用)、(b) BTLA・VISTAのagonist selection (Treg・iNKT・CD8αα T細胞) への影響の解明、(c) ICBが胸腺T細胞レパートリーを実際に改変するかのin vivo前向き検証 (ICB投与前後の末梢血TCR-seq・sjTREC測定)、(d) 高齢癌患者においてICB誘導胸腺Treg産生増加が腫瘍転帰に与える影響の前向き臨床試験。limitationとして、本総説が引用する実験的知見の大半はマウス遺伝学 (KO・過剰発現・TCR-Tgモデル) 由来であり、ヒト胸腺生物学への外挿可能性は限定的である。SAg等の人工的モデル系が自然な負選別を再現しているかについても疑義がある。本研究の限界として、ICBを受けた癌患者でのプロスペクティブな胸腺出力評価・TCRレパートリー解析は皆無であり、現状は機構仮説とex vivo観察に依存している。更なる検討とfuture researchとして、ICB投与患者における縦断的sjTREC・TCR-seq・胸腺画像評価の統合コホートが急務であり、これら知見は胸腺免疫学とICB療法の統合的理解の基盤として後続のtranslational研究を促す。
方法
Review論文のため独自の実験系は設定されていない。系統的文献検索データベースとしてPubMed/MEDLINEおよびWeb of Scienceを使用し、1980年代から2023年までの胸腺T細胞発達・チェックポイント分子機能・ICB臨床試験・TCRレパートリー解析・加齢免疫学に関する一次研究および総説論文を広範に引用 (計117文献)。文献の選択・データ統合はnarrative synthesis (叙述的統合) 法により実施し、有意水準・効果量等の定量統計解析は行っていない。対象チェックポイント分子はPD-1・CTLA-4・BTLA・VISTAの4種で、各分子について (1) 胸腺での発現時期、(2) 遺伝子欠損・過剰発現・TCR-Tg (T cell receptor transgenic) モデルによるin vivo機能解析、(3) 末梢ICBへの外挿と臨床含意の3軸で統合解説を構築した。T細胞発達段階の同定指標はCD4/CD8 coreceptor発現 (DN/DP/SP分類)・TCRβ鎖rearrangement・CD69発現 (positive selectionマーカー)・Foxp3発現 (Tregマーカー) であった。遺伝学的モデルとしてKO (knockout) マウス・TCR-Tgマウス・骨髄キメラ・タモキシフェン誘導性KOが引用され、CTLA-4に関する12研究 (Table 1)・PD-1に関する10研究 (Table 2) が体系的に整理された。文献選択に関する形式的な包含・除外基準は設定されておらず、定量的メタ解析は実施されていない (narrative review)。総引用文献数は117報であり、選択は著者の専門的判断に基づく。