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表觀遺傳藥物和癌症免疫反應之間的交互作用

大多數癌症細胞都有特定的基因突變,但在基因序列之外,癌細胞中也會出現不正常的表觀遺傳標記,例如整體 DNA 低度甲基化(global DNA hypomethylation),且局部 DNA 高度甲基化(local DNA hypermethylation)。通常來說,許多癌細胞中抑癌基因上游的啟動子會被高度甲基化,進而抑制抑癌基因的表現。因此科學家自然會想到,若是能使癌細胞的表觀遺傳標記回歸正常,是否就能治療癌症呢?於是,經過一連串實驗與臨床試驗後,2004 年美國 FDA 核准以 DNA 甲基轉移酶抑制劑(DNA methyltransferase inhibitor, DNMTi)azacitidine(圖一)治療骨髓化生不良症候群(myelodysplastic syndrome)。高濃度時 azacitidine 會直接產生細胞毒性;低濃度時 azacitidine 會結合 DNA 甲基轉移酶 DNMT-1,抑制 DNA 複製時的甲基化,使之趨向低度甲基化,並重建造血幹細胞的正常分化。以此為濫觴,越來越多表觀遺傳藥物上市,且有更多化合物正在臨床試驗階段(表一)。

圖一、Cytidine(左)和 azacitidine(右)兩者構造極為相似

表一、FDA通過的表觀遺傳藥物(截至2018)

機制 藥物(商品名) 適應症 FDA通過年份
DNMT inhibitor

抑制DNA甲基化

5-Azacitidine (Vidaza) Myelodysplastic syndrome (MDS) 2004
Decitabine (Dacogen) 2006
Histone deacetylase inhibitor (HDACi)

抑制組蛋白去乙醯化

Vorinostat/SAHA (Zolinza) Cutaneous T-cell lymphoma (CTCL) 2006
Romidepsin/FK228 (Istodax) 2009
Belinostat/PXD101 (Beleodaq) Peripheral T-cell lymphoma 2014
Panobinostat/LBH589 (Farydak) Multiple myeloma 2015

表觀遺傳抑制劑用於血液腫瘤,Dr. Baylin 與 Dr. Peter Jones 做為先驅的貢獻良多。實質固態瘤(solid tumors)則因為細胞的異質性(heterogeneity),至今 FDA 尚未核准表觀遺傳藥物用於實質固態瘤的治療。目前 Dr. Baylin 與 Dr. Rassool 正努力往此方向提出前瞻機制研究。

在一個 2011 年發表的一/二期臨床試驗中,Johns Hopkins 的團隊試圖以 azacitidine 及組蛋白去乙醯酶抑制劑 entinostat 來治療難治性轉移性非小細胞肺癌(refractory metastatic non-small cell lung cancer, NSCLC),並得到和 erlotinib 不相上下的中位數存活時間(6.4 個月 vs 6.7 個月,非同試驗之數據)[1]。在 65 位接受治療的患者中,至少完成一個療程的患者中位數存活時間則是達到 8.6 個月,更有 2 位患者單靠這個治療就達到非常好的效果,包含一位完全有效(complete response, CR)和一位部份有效(partial response, PR)[1]。

想當然爾,故事不會就這麼結束。其他病人則是繼續接受其他治療,包含化療、標靶或免疫檢查點抑制劑(immune checkpoint inhibitor)。

題外話:其中免疫檢查點抑制劑如 anti-CTLA4、anti-PD1、anti-PDL1 在近年大行其道,從黑色素瘤(melanoma)開始,也在非小細胞肺癌中取得一席之地,最近更擴展到三陰性乳癌(triple negative breast cancer)[2]。開創者本庶佑與詹姆斯‧艾利森(James P. Allison)一同獲得了2018年諾貝爾生醫獎的殊榮 [3]。

Johns Hopkins 團隊在這群接受免疫檢查點抑制劑的病人中觀察到一個神奇的現象:六位曾接受過 azacitidine 的患者中,有五位治療效果反應不錯,無惡化存活期(progression free survival, PFS)至少 8 個月;相較之下,只有 41-46% 的 NSCLC 患者在單用 anti-PD1 或 anti-PDL1 後 PFS 超過 6 個月。雖然樣本少,但綜合細胞實驗的證據,已足以暗示 azacitidine 或許對免疫檢查點抑制劑治療有某種幫助 [4]。於是他們也在 2015 年開始了二期臨床試驗,探討使用 azacitidine 是否有助免疫檢查點抑制劑治療 NSCLC [5]。

不過 azacitidine 這個表觀遺傳藥物和免疫療法到底有什麼交互作用呢?為了解此現象背後的原因,他們又做了許多細胞實驗,最後發現他們以一種相當有趣的方式產生連結。

首先,研究者分析了不同癌細胞株,發現加入 azacitidine 後,會使 300 多個基因的表現量上升,其中包含干擾素和病毒免疫、抗原表現、NK 細胞活化相關基因(圖二),另外細胞表面表現的 PD-L1 蛋白量也上升 [6-8]。

圖二、不同癌細胞株在加入 azacitidine 後有許多基因表現會上升(Chiappinelli et al., 2017)

同時,在 azacitidine 的作用之下,DNA 甲基化會被移除,進而得以轉錄出許多內生性反轉錄病毒(endogenous retrovirus, ERV)的 RNA。什麼是內生性反轉錄病毒呢?基因體中有許多遠古反轉錄病毒的遺跡,他們在插入基因體後可能因為各種原因(突變、轉位等),失去了活化的能力,這樣的 DNA 片段稱之為內生性反轉錄病毒。平時他們的 DNA 會被甲基化,但是在 azacitidine 的作用之下,被轉錄的 ERV 形成雙股 RNA,在細胞質遊蕩,被 TLR3 和 MAVS 等免疫分子辨識,啟動下游第一型干擾素(type I interferon)反應 [6-8]。

圖三、TCGA 癌症資料庫中的細胞依照相關基因表現量可分成不同群組 (Chiappinelli et al., 2017)

既然有 300 多個基因會被 azacitidine 增強表現,研究者用這份名單分析了 The Cancer Genome Atlas (TCGA) 癌症資料庫中的卵巢癌、乳癌、肺癌、黑色素瘤等。依照病毒免疫和 ERV 相關的基因表現量,癌細胞可分為高度和低度表現,而高度表現的組別其預後也比較好(圖三)[6-8]!

另一篇 2017 年發表的研究中,Baylin 的團隊以 azacitidine 和 HDACi 治療非小細胞肺癌,發現這些藥物除了能促進癌症免疫反應外,更能關閉 Myc 的表現。Myc 是個轉錄因子,負責調控細胞週期及幫助細胞增生相關的基因。在小鼠動物實驗中,有使用 azacitidine 和 HDACi 治療的組別,腫瘤明顯比較小。進一步的研究顯示這些藥物似乎也會透過增加腫瘤微環境中的 CCL5 來吸引 CD8+ T 細胞,增強免疫反應 [9]。這些成果促成了另一個第一期/Ib 期臨床試驗,期望將來能進一步探討 DNMTi 和 HDACi 的組合對於 anti-PD1 在非小細胞肺癌的療效 [10]。

圖四、Baylin 的團隊研究出 azacitidine 如何促進免疫反應的機制 (Katherine et al., 2016)

這些結果暗示 azacitidine 等表觀遺傳藥物能開啟基因體內遠古病毒的表現,進而活化免疫反應,同時也會調控細胞中 myc 與許多免疫相關基因(圖四)。任誰也沒想到,表觀遺傳學藥物居然會以這種間接的方式幫助癌症的治療,且讓我們拭目以待臨床試驗的結果吧!

參考資料:

  1. Juergens, R. A., Wrangle, J., Vendetti, F. P., Murphy, S. C., Zhao, M., Coleman, B., … Rudin, C. M. (2011). Combination Epigenetic Therapy Has Efficacy in Patients with Refractory Advanced Non-Small Cell Lung Cancer. Cancer Discovery, 1(7), 598-607. doi:10.1158/2159-8290.cd-11-0214
  2. Schmid, P., Adams, S., Rugo, H., Schneeweiss, A., Barrios, C., Iwata, H., Diéras, V., …, Emens, L. (2018). Atezolizumab and Nab-Paclitaxel in Advanced Triple-Negative Breast Cancer. New England Journal of Medicine. DOI: 10.1056/NEJMoa1809615
  3. NobelPrize.org. (2018, November 2). The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2018. Retrieved from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2018/summary/
  4. Licht, J.D. (2015). DNA Methylation Inhibitors in Cancer Therapy: The Immunity Dimension. Cell, 162(5), 938-939. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.08.005
  5. Phase II Anti-PD1 Epigenetic Therapy Study in NSCLC. (NA_00084192) https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01928576
  6. Topper, M. J., Vaz, M., Chiappinelli, K. B., DeStefano Shields, C. E., Niknafs, N., Yen, R. C., … Baylin, S. B. (2017). Epigenetic Therapy Ties MYC Depletion to Reversing Immune Evasion and Treating Lung Cancer. Cell171(6), 1284-1300.e21. doi:10.1016/j.cell.2017.10.022
  7. Chiappinelli, K. B., Strissel, P. L., Desrichard, A., Li, H., Henke, C., Akman, B., … Strick, R. (2017). Inhibiting DNA Methylation Causes an Interferon Response in Cancer via dsRNA Including Endogenous Retroviruses. Cell169(2), 361. doi:10.1016/j.cell.2017.03.036 
  8. Chiappinelli, K. B., Zahnow, C. A., Ahuja, N., & Baylin, S. B. (2016). Combining Epigenetic and Immunotherapy to Combat Cancer. Cancer Research76(7), 1683-1689. doi:10.1158/0008-5472.can-15-2125
  9. Topper, M. J., Vaz, M., Chiappinelli, K. B., DeStefano Shields, C. E., Niknafs, N., Yen, R.-W. C., … Baylin, S. B. (2017). Epigenetic Therapy Ties MYC Depletion to Reversing Immune Evasion and Treating Lung Cancer. Cell, 171(6), 1284–1300.e21. doi:10.1016/j.cell.2017.10.022
  10. Phase I/Ib Study of Combined Pembrolizumab Plus Guadecitabine and Mocetinostat for Patients With Advanced NSCLC https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03220477

撰稿|紀威佑
審稿|蔡幸真

About the author

紀威佑

紀威佑

臺大醫學系畢業,曾為臺大iGEM代表隊成員,曾於台大、中研院、AMC實驗室進行實習。對科普推廣與寫作有很大的興趣,希望能和志同道合的朋友交流,並做為知識的傳播者為科學社群盡一份心力。

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