2018 年癌症免疫療法榮獲諾貝爾醫學獎後，癌症與免疫相關的研究蓬勃發展[1] 。科學家發現 DNA 基因的不穩定性是造成細胞癌化的機制之一，其中 DNA 的修復機制扮演著非常重要的角色，例如：DNA 錯配修復（DNA mismatch repair, DMR）在 DNA 複製錯誤時進行偵測與修復，進而維持 DNA 的穩定性並且避免細胞癌化。 [2]在 DNA 修復機制失去功能時，就非常容易導致 DNA 的不穩定性，產生各種突變並最終導致癌化。這類癌症最大的特點就是擁有非常多的突變基因，或稱高突變負荷（tumor mutation burden, TBN），並且非常適合使用免疫療法進行治療。這是因為這些突變的基因經過表達後有較大的機率會產生能夠被免疫系統辨識的新抗原（neoantigen），進而啟動身體的免疫機制攻擊這些癌化細胞[3, 5]。 去年6月所上市的癌症免疫療法藥物 pembrolizumab 也正是利用此原理[5, 6]。 實際上，癌症與免疫系統的交互作用非常複雜(圖一)，其中主要的研究重點是癌細胞以及腫瘤微環境（tumor microenvironment）會如何被免疫細胞辨識，進而啟動免疫系統，讓免疫 T 細胞從淋巴系統移動到癌症所在的位置進行攻擊。一些研究指出免疫療法的成敗其實與自身免疫系統對癌症的敏感性有很大關係，如果 CD8+T 細胞並沒有浸潤（infiltration）到癌細胞周圍將會降低免疫治療的成效[8, 9, 10]。
圖一、癌症細胞-免疫系統的交互作用非常複雜，每個流程與步驟都有非常多不同的細胞與蛋白參與，這包括免疫細胞的辨識 ( recognition ) 、標記與啟動（primming and activation）、浸潤等。另外本篇的論點癌細胞的 cGAS-STING 反應途徑對於整個免疫系統的交互作用的影響環節仍然不清楚。 圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1593-5
後來科學家發現，就算是 DNA 修復機制異常所導致的癌症並不能完全啟動免疫系統進行修復，臨床發現這樣的比例約為 28 %-53 % [5, 10]。這說明就算細胞累積大量的新抗原後，依然必須有其他的機制參與在其中幫助啟動身體的免疫系統。因此，本篇主要介紹的是 DNA 偵測機制 (DNA sensing) 對於癌症免疫療法有效是不可或缺的[4]。
DNA 偵測的機制指稱的是細胞偵測外來病毒或是游離 DNA 的機制，這些異常的 DNA會促使細胞進入警戒，啟動下游 cGAS-STING路徑或是類鐸受体 (toll-like receptor，TLR)路徑等，進一步啟動免疫反應，或是細胞凋 亡等方法清除異常的 DNA 以及細胞[11] (圖二)。
首先，他們利用基因剔除 (gene knockout) 技術移除參與 DNA 錯配修復機制的 Mlh1 基因，再植入老鼠體內以模擬 DNA 修復異常所導致的癌症，這樣既可擁有大量的 DNA 重組基因以及新抗原。MyD88 是細胞免疫偵測機制中非常重要的蛋白。該團隊利用 MyD88 異常的老鼠進行實驗卻發現其癌化程度與正常老鼠並沒有差異推斷除了 MyD88 以外還有其他的機制參與其中。然而當老鼠剔除 STING 基因後卻能使癌細胞大量生長，該團隊認為這是因為 cGAS-STING 參與在免疫啟動機制裡[4, 11]。
延伸閱讀：cGAS的新身分：不只是人體的免疫哨兵，還是 DNA 複製叉的減速器
圖二、IFN-1 的表現實際上有非常多的路徑，包括TLR，RLR以及 cGAS-STING 反應途徑，以癌症來說，TLR 以及 cGAS-STING 反應途徑是兩個比較大可能性的路徑。因此本篇團隊使用抑制 MyD88 來抑制TLR 路徑以及 STING 來抑制 cGAS 路徑。發現只有抑制 cGAS-STING 路徑的癌細胞生長增快，因此認為 cGAS-STING是主要的路徑，而非 TLR路徑。 圖片來源：https://doi.org/10.1038/s41564-019-0421-x
為了驗證這一想法，他們觀察 cGAS-STING 反應路徑的下游 IFN-1 及後續樹突細胞（dendritic cell）的表現，發現 IFN-1在啟動癌症-免疫系統扮演著重要的角色。老鼠模型進一步確認 CD8+T 細胞數量在這類模型中有效增加。後續實驗也證實了這些癌症細胞中，cGAS-STING 是增加 IFN-1 重要的路徑，而非其他路徑(圖三)[4, 11]。
圖三、cGAS-STING 反應途徑對於癌症免疫療法的研究早已經不是新鮮事，然而大部分研究認為樹突細胞的 cGAS-STING 反應途徑是啟動 T 細胞浸入的關鍵，對於癌細胞本身的 cGAS-STING 反應途徑 啟動 T 細胞的研究來說依然比較缺失。另外 dMMR 癌細胞表現的新抗原對於 T 細胞的辨識有效，卻無法透過新抗原增加免疫 T 細胞浸入的表現。
圖片來源：https://doi.org/10.15252/embr.201846935
然而，他們不確定癌細胞的 cGAS-STING 反應途徑啟動是否與錯位修復基因異常以及 dsDNA 數量有關。他們發現錯位修復基因正常的情況下，癌症細胞的 dsDNA 數量會降低且不會啟動 cGAS-STING 反應途徑，且下游 IFN-1 以及免疫反應都降低。這樣的機制證實錯位修復基因的癌化細胞系統之中，游離雙股 DNA 以及 cGAS-STING 反應途徑扮演著啟動免疫系統的重要功能。有趣的是，作者發現就算大量表達新抗原，在抑制 STING 反應途徑之後，CD8+T 細胞並沒有移動到癌細胞周圍，證實了新抗原本身無法啟動免疫系統，而是在 cGAS-STING 路徑下啟動後，新抗原是在 CD8+T 細胞抵達癌細胞周圍才有辨識的作用。
作者進一步猜想如果增加腫瘤微環境中的癌症細胞碎片是否能夠提高免疫反應，在老鼠實驗中，他們將癌症細胞碎片打入腫瘤微環境會加速免疫系統的反應，且抑制 STING 路徑的組別則沒有變化。這一切的結果不斷的證實 cGAS-STING 反應途徑在免疫療法中扮演的角色。除此之外，他們利用大數據分析目前臨床上DNA修復異常的癌症細胞中約有 60% 的 STING 表達異常，導致免疫療法在這些病人身上無效。
總結來說，他們發現癌症免疫療法中，免疫系統的啟動以及浸潤扮演非常重要的角色(圖四)，cGAS-STING 反應途徑或許在這裡扮演著重要的辨識，偵測以及啟動的角色，促使免疫細胞的反應進一步增加免疫療法的成功率。然而有趣的是，本篇的研究所說明的是癌細胞自身的 cGAS-STING 反應途徑有助於抑制癌症細胞的生長，然而也有其他研究發現這個路徑相對的會幫助癌症細胞的生長與轉移[12]。除此之外，這樣的機制在癌症早期或許能夠有效的啟動免疫系統，避免癌細胞的生長。 然而大部分偵測到的癌症都屬於晚期，這個路徑或許已經無效，因此對於免疫療法所扮演的角色依然是一個問號。另外，許多研究早已證實免疫細胞也會偵測組織中游離的雙股 DNA 並啟動相同的 cGAS-STING 機制，並吸引 CD8+T 細胞的參與[7]。因此，這樣的機制對於免疫療法的治療潛能還有待更多研究的證實。
圖四、癌症細胞本身的 cGAS-STING pathway 有效啟動 IFN-1 的表現量，讓樹突細胞能夠有效的產生作用，引導 CD8+T 細胞的浸入並一直癌細胞的生長。這樣的機制被認為能夠有效的幫助癌症免疫療法的成效。圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.11.006
參考文獻：
[1] BBC. (n.d.). 解讀諾獎成果：免疫療法為癌症患者帶來新希望. BBC News 中文. https://www.bbc.com/zhongwen/trad/science-45723780.
[2 ] Li, G.-M. (2007). Mechanisms and functions of dna mismatch repair. Cell Research, 18(1), 85–98. https://doi.org/10.1038/cr.2007.115
[3] Pećina-Šlaus, N., Kafka, A., Salamon, I., & Bukovac, A. (2020). Mismatch repair pathway, genome stability and cancer. Frontiers in Molecular Biosciences, 7. https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00122
[4] Lu, C., Guan, J., Lu, S., Jin, Q., Rousseau, B., Lu, T., Stephens, D., Zhang, H., Zhu, J., Yang, M., Ren, Z., Liang, Y., Liu, Z., Han, C., Liu, L., Cao, X., Zhang, A., Qiao, J., Batten, K., … Fu, Y.-X. (2021). Dna sensing in mismatch repair-deficient tumor cells is essential for anti-tumor immunity. Cancer Cell, 39(1). https://doi.org/10.1016/j.ccell.2020.11.006
[5] Le, D. T., Uram, J. N., Wang, H., Bartlett, B. R., Kemberling, H., Eyring, A. D., Skora, A. D., Luber, B. S., Azad, N. S., Laheru, D., Biedrzycki, B., Donehower, R. C., Zaheer, A., Fisher, G. A., Crocenzi, T. S., Lee, J. J., Duffy, S. M., Goldberg, R. M., de la Chapelle, A., … Diaz, L. A. (2015). Pd-1 blockade in tumors with mismatch-repair deficiency. New England Journal of Medicine, 372(26), 2509–2520. https://doi.org/10.1056/nejmoa1500596
[6] Le, D. T., Durham, J. N., Smith, K. N., Wang, H., Bartlett, B. R., Aulakh, L. K., Lu, S., Kemberling, H., Wilt, C., Luber, B. S., Wong, F., Azad, N. S., Rucki, A. A., Laheru, D., Donehower, R., Zaheer, A., Fisher, G. A., Crocenzi, T. S., Lee, J. J., … Diaz, L. A. (2017). Mismatch repair deficiency predicts response of solid tumors to pd-1 blockade. Science, 357(6349), 409–413. https://doi.org/10.1126/science.aan6733
[7] Khoo, L. T., & Chen, L. Y. (2018). Role of the cgas–sting pathway in cancer development and oncotherapeutic approaches. EMBO Reports, 19(12). https://doi.org/10.15252/embr.201846935
[8] Zhang, J., Endres, S., & Kobold, S. (2019). Enhancing tumor t cell infiltration to enable cancer immunotherapy. Immunotherapy, 11(3), 201–213. https://doi.org/10.2217/imt-2018-0111
[9] Lanitis, E., Dangaj, D., Irving, M., & Coukos, G. (2017). Mechanisms regulating t-cell infiltration and activity in solid tumors. Annals of Oncology, 28, xii18–xii32. https://doi.org/10.1093/annonc/mdx238
[10] Demaria, O., Cornen, S., Daëron, M., Morel, Y., Medzhitov, R., & Vivier, E. (2019). Harnessing innate immunity in cancer therapy. Nature, 574(7776), 45–56. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1593-5
[11] Mesev, E. V., LeDesma, R. A., & Ploss, A. (2019). Decoding type i and iii interferon signalling during viral infection. Nature Microbiology, 4(6), 914–924. https://doi.org/10.1038/s41564-019-0421-x
[12] Kwon, J., & Bakhoum, S. F. (2019). The cytosolic dna-sensing cGAS–STING pathway in cancer. Cancer Discovery, 10(1), 26–39. https://doi.org/10.1158/2159-8290.cd-19-0761
[13] Diaz, L., Marabelle, A., Kim, T. W., Geva, R., Van Cutsem, E., André, T., Ascierto, P. A., Maio, M., Delord, J.-P., Gottfried, M., Guimbaud, R., Jaeger, D., Elez, E., Yoshino, T., Joe, A., Lam, B., Ding, J., Pruitt, S., Kang, S. P., & Le, D. T. (2017). Efficacy of pembrolizumab in Phase 2 KEYNOTE-164 And Keynote-158 studies of microsatellite instability High cancers. Annals of Oncology, 28, v128–v129. https://doi.org/10.1093/annonc/mdx367.020
撰文｜林偉強
審稿｜蕭毅
