肺癌在諸多癌症當中，不論是發生率或死亡率皆位居前位。其中，具有「老煙槍殺手」稱號的小細胞肺癌（Small Cell Lung Cancer, SCLC）具有生長快速和早期轉移的特性，雖然對於化學治療反應佳，但往往在半年到一年內便會復發，導致患者的五年存活率低於7% [1]。過去針對 PD-1（programmed cell-death protein 1）的研究促使 FDA 准許免疫檢查點抑制劑（immune-checkpoint blockade, ICB）的上市以作為 SCLC 患者的治療用藥，但在臨床上，許多病患的治療效果顯示 ICB 療法的成效有限。因此，科學家們開始探討是否有其他輔助療法可以增強 ICB 療法的抗癌表現，細胞週期調控便是其中一個方向。在這篇研究當中，紐約大學醫學院（New York University Langone Medical Center）的研究團隊與丹娜 — 法伯癌症研究所（Dana-Farber Cancer Institute）合作，將細胞週期調控者 CDK7（cyclin-dependent kinase 7）視為靶點，利用 CDK7 專一性抑制劑 YKL-5-124 ，探討能否透過抑制 CDK7 影響 SCLC 細胞的 DNA 複製、基因組穩定性和誘發免疫反應對抗癌細胞，並且進一步探究在小鼠模型上，合併 YKL-5-124 與 ICB 療法的抗癌效果 [2]。
延伸閱讀：癌症與免疫系統的攻防戰：免疫檢查點療法
研究主要分成三大部分：
一、CDK7 抑制劑 YKL-5-124 對癌細胞中細胞週期的影響
首先，研究團隊透過小鼠 SCLC 細胞株 RPP631 和人類 SCLC 細胞株 DMS79 執行細胞實驗，發現 YKL-5-124 除了會抑制 CDK7 活化之外，也會阻止 CDK1 和 CDK2 的磷酸化。在細胞週期中，CDK2 會和 Cyclin E 蛋白結合形成複合體，作為細胞進入 S 期之前的檢查點，讓細胞停留在G1期 [3] 。研究團隊基於以上背景知識，利用細胞實驗，分析加入 YKL-5-124 後，Cyclin E 蛋白含量以及位在細胞週期不同階段的細胞比例。團隊發現：細胞內的 Cyclin E 的 mRNA 及蛋白表現量增加，而且 G1 期細胞比例上升， S 期細胞比例下降。因此，團隊推斷 YKL-5-124 會藉由抑制 CDK2 活化，使 Cyclin E 無法與之結合，導致細胞停留在 G1 期，抑制細胞生長。除此之外，團隊也發現YKL-5-124更可以阻礙細胞在S期的DNA複製過程，對DNA造成損傷，使細胞產生微核（ Micronuclei，註一）。
二、YKL-5-124 誘發的抑癌免疫反應
由於過往研究顯示微核含量上升可激發免疫反應 [4]，因此研究團隊進行基因序列分析，探討 YKL-5-124 與免疫反應之間的關聯性。結果顯示 YKL-5-124 的作用與細胞週期、細胞分裂以及 E2F 目標基因的負向調控有關，而在前五大正向調控的基因特徵中，其中三項分別為「IFN-𝛾 反應」、「TNF-α 訊號傳遞」以及「發炎反應」。
此外，團隊發現 YKL-5-124 會使促發炎細胞激素例如 TNF-α 訊息傳遞中的元件，以及趨化因子例如 CXCL10（C-X-C motif chemokine ligand 10）的表現增加。團隊也發現 YKL-5-124 會促使Tnf、Cxcl10 和 Cxcl9 的表現增加，並且使表現 CD69 以及產生 TNF-α 和 IFN-𝛾 的 CD8+ T 細胞比例上升。TNF-α 訊息傳遞在樹突細胞的召集、成熟與活化扮演重要角色；CXCL10 則是會和 CXCL9 結合形成複合物參與調節 T 細胞的召集。由此可知 YKL-5-124 在細胞層面能透過調控 TNF-α、CXCL9 和 CXCL10 ，召集樹突細胞和 T 細胞，並且誘發CD8+ T 細胞的活化，啟動有抑癌效果的免疫反應。
三、YKL-5-124 與 anti-PD-1 療法合併使用以對抗SCLC的可能性
在了解 CDK7 抑制與免疫反應活化的關聯之後，研究團隊利用基因改造技術設計出 RPP 和 RP註二）等基因改造小鼠模型（genetically engineered mouse models, GEMMs），探究 YKL-5-124 能否在單獨以及合併免疫療法（例如 anti-PD-1）或化療（例如 cisplatin + etoposide）的情況下抑制 SCLC 癌細胞的生長，進而延長動物壽命。實驗結果顯示 YKL-5-124 比 anti-PD-1 更能抑制腫瘤生長和提高動物存活率，而且若將兩者合併給予（以下以 Combo 代稱），抑制腫瘤生長和延長動物壽命的效果最佳（圖一）。若再加入化療組別（以下以 Chemo 代稱）進行比較，Combo 組的治療效果優於 Chemo 組，而且 Combo + Chemo 的治療效果最佳（圖二）。由以上實驗結果可以得知， YKL-5-124 能夠增強 anti-PD-1 療法的治療效果，而且若能合併使用則能達到最佳的治療效果。
圖一：YKL-5-124 比 anti-PD-1 更能抑制腫瘤生長和提高動物存活率，且兩者合併（Combo）的效果最佳。
圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.ccell.2019.11.003
圖二：Combo 的治療效果優於 Chemo + anti-PD-1，而且 Combo + Chemo 的治療效果最佳
圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.ccell.2019.11.003
為了進一步了解 YKL-5-124 在動物模型上對免疫細胞在表現型和功能上所造成的改變，因此研究團隊對實驗小鼠的肺癌組織進行免疫分析並發現： YKL-5-124 組別相較於 anti-PD-1 組別，其肺癌組織內的作用型 CD4+ T 細胞數量增加較多，且 Combo 組別所增加的作用型 CD4+ T 細胞數量最多。此外， YKL-5-124 、 anti-PD-1 和 Combo 組別相較於對照組皆會產生較多樹突細胞和 CD8+ T 細胞，團隊更發現 YKL-5-124 和 Combo 組別的 TNF-α、CXCL9 和 CXCL10 含量皆明顯上升。基於以上結果可得知 YKL-5-124 搭配 anti-PD-1 治療在動物模型上會更活化 CD4+ T 細胞與樹突細胞和 CD8+ T 細胞之間的交互作用，產生更顯著的抗癌效果。
最終，為了進行更全面且不偏頗的免疫療效評估，團隊利用單細胞 RNA 定序（single-cell RNA sequencing）分析動物模型中不同組別的細胞組成比例，其呈現的結果與前述的細胞實驗結果相呼應：
1. 細胞主要處於 G1 期，少數細胞處於 G2 / M 期，且位於 S 期的細胞比例明顯較低
2. YKL-5-124 和 Combo 組別誘發的免疫活化機制與「IFN-𝛾 反應」「發炎反應」有關
3. YKL-5-124 、 anti-PD-1 和 Combo 組別皆含有較高比例的免疫細胞，而且若針對 T 細胞的亞型分析，會發現 YKL-5-124 、 anti-PD-1 和 Combo 組別含有較高比例成熟且活化的 T 細胞
依據以上實驗結果，可得出以下結論：藉由 YKL-5-124 抑制 CDK7 的作用，可以干擾 SCLC 細胞的細胞週期運作、抑制 DNA 複製並誘發基因組不穩定。此外， YKL-5-124 會活化 IFN-𝛾 和 TNF-α 訊號傳遞以及 CXCL9 和 CXCL10 之間的作用，誘發免疫機轉，促使 T 細胞的增加與活化（圖三）。從動物實驗的結果可得知合併 YKL-5-124 與 anti-PD-1 和化療所產生的抗癌療效最為顯著，由此可見 YKL-5-124 與 ICB 的合併使用將為治療 SCLC 帶來一線曙光。
圖三：YKL-5-124 可藉由抑制 CDK7 的作用，干擾 SCLC 細胞的細胞週期運作、抑制 DNA 複製、誘發基因組不穩定，並且活化 IFN-𝛾 和 TNF-α 訊號傳遞以及 CXCL9 和 CXCL10 之間的作用，誘發免疫機轉，促使 T 細胞的增加與活化。
圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.ccell.2019.11.003
註一：微核是細胞分裂時，被留置於核外的 DNA物質，其代表斷裂之染色體或因紡錘體受損掉落之完整染色體。檢測微核含量是檢測染色體或有絲分裂器損傷的一種遺傳毒性試驗方法。
註二：RPP 小鼠是利用 GEMM 技術將 Rb1, p53 和 p130 基因剔除的小鼠模型；RP 小鼠是利用 GEMM 技術將 Rb1 和 p53 基因剔除的小鼠模型。Rb1, p53 和 p130 基因經轉錄轉易產生的蛋白皆具有腫瘤抑制特性，因此將這三種基因剔除會誘發癌症的產生。
參考文獻：
[1] Kalemkerian G. P. (2016). Small Cell Lung Cancer. Seminars in respiratory and critical care medicine, 37(5), 783–796. https://doi.org/10.1055/s-0036-1592116
[2] Zhang, H., Christensen, C. L., Dries, R., Oser, M. G., Deng, J., Diskin, B., Li, F., Pan, Y., Zhang, X., Yin, Y., Papadopoulos, E., Pyon, V., Thakurdin, C., Kwiatkowski, N., Jani, K., Rabin, A. R., Castro, D. M., Chen, T., Silver, H., Huang, Q., … Wong, K. K. (2020). CDK7 Inhibition Potentiates Genome Instability Triggering Anti-tumor Immunity in Small Cell Lung Cancer. Cancer cell, 37(1), 37–54.e9. https://doi.org/10.1016/j.ccell.2019.11.003
[3] Visconti, R., Della Monica, R., & Grieco, D. (2016). Cell cycle checkpoint in cancer: a therapeutically targetable double-edged sword. Journal of experimental & clinical cancer research : CR, 35(1), 153. https://doi.org/10.1186/s13046-016-0433-9
[4] Bakhoum, S. F., & Cantley, L. C. (2018). The Multifaceted Role of Chromosomal Instability in Cancer and Its Microenvironment. Cell, 174(6), 1347–1360. https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.08.027
撰文｜張芷榕
審稿｜蕭皓文
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