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）。

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]。

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]。

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]。

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. Cell, 171(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. Cell, 169(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 Research, 76(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