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Vol. 32 No.4
Dec. 31 2016
中華民國一○五年十二月三十一日出版

GM-CSF 在癌症免疫治療的角色


中國醫藥大學北港附設醫院藥劑科藥師
許靜宜、黃耿侯、李雯文、徐郁雯

摘要

顆粒單核球群落刺激生長因子 (Granulocyte-macrophage colony-stimulating factor, GM-CSF) 藉CD34+沿著不同的樹突細胞非依賴路徑加速催熟造血幹細胞,CD1a 和CD14的族群數量倍增而CD14+ and CD1a- 的族群逐降消失,GM-CSF 對免疫功能的影響如下:一、細胞激素調節;二、T細胞極化;三、平衡發炎介質,促成管制T細胞的分化和成熟;四、誘導耐受樹突細胞;五、增加 GM-CSF 自體免疫容忍和減少異體移植的排斥。GM-CSF 調理T細胞反應和藉著增生骨髓前驅細胞,影響移植排斥作用的發生和嚴重度,且改變自體移植的過程。源自骨髓幹細胞的顆粒細胞藉由 GM-CSF 的依賴機制,被腫瘤來源的啟動因子,藉 STAT3路徑把骨髓顆粒/吞噬細胞,脫離常規地活化。癌症病人的兩組骨髓來源的幹細胞亞群有單核 CD14細胞和顆粒 CD15細胞,徵招的骨髓源幹細胞和保持在腫瘤內的癌幹細胞,被誘導出細胞毒性風暴消滅,就是藉 GM-CSF 的細胞毒殺能力作為癌症免疫療法之一。

關鍵字:GM-CSF、癌症免疫療法、細胞毒性風暴

壹、前言

GM-CSF 對免疫功能上的影響:GM-CSF 波動式的誘導管制細胞激素的產生、T細胞極化排列 (polarization)、強化殺手細胞 (NKT) 能力和催熟樹突 (dendrite) 細胞的功能;GM-CSF 調節發炎和抗發炎之間的平衡、CD4+、CD25+、T管制 (Tregs) 細胞的分化和成熟 TGF-β 抑制T細胞,並誘導免疫耐受 (tolergenic) DCs,產生 IL-10 (圖一) 1

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圖一 GM-CSF 在免疫功能上的影響1

GM-CSF 誘導管制細胞激素的產生,T細胞極化排列 (polarization)、自然殺手 (NKT) 和樹突 (dendrite) 細胞的功能;GM-CSF 調節發炎 (cytokines) 和抗發炎之間的平衡,T管制 (CD4 + CD25 Treg) 細胞的分化和成熟,並誘導免疫耐受 DCs (tolergenic dendrite cell)。

貳、 GM-CSF 誘導出樹突細胞和吞噬細胞

GM-CSF (granulocyte macrophage colony stimulant factor) 合併 TNF-α 促使 CD34+ HPC (Hematopoietic progenitor cell) 沿著二個獨立的樹狀細胞之亞群分化,藉加入 GM-CSF 和 TNF-α 於 CD34+ HPC 細胞培養中12天後可獲得大量的人類樹突細胞 (hDC; human dendrite cell),且在第5-7天時,CD34+ HPC 沿著兩種 DC 亞群分化,之一 CD1a 和 CD14,另具 CD80、CD83、CD86、CD58,high HLA class II 外表。兩種不同型態和基因表現,CD1a+特徵為 Birbeck granules,Lag antigen 和 E-cadherin 三個標記,特別表現於皮膚蘭漢 (Langerhan) 細胞,另一種 CD14+轉成熟成 CD1a+缺 Birbeck granules 等。

辨認促發腫瘤進展的 GM-CSF 顆粒細胞 MDSC (myeloid-derived suppressor cells) 軸 (axis):骨髓源顆粒抑制癌細胞 (MDSC) 的發育成熟機制是依賴 GM-CSF 的,癌細胞發生 MDSC 時,會強化惡性級別的腫瘤因子影響 MDSC 發育,分化成單核 MDSC (Monocytic MDSC, M-MDSC) 和顆粒 MDSC (Granulocytic MDSC, G-MDSC) 亞群,相反的,對於 M-MDSC 所知有限,腫瘤誘導的 GM-CSF 驅動 G-MDSC 形成,屈服於腫瘤的擴散和轉移,造成治療的困難和失敗,此細胞內內在基因和表現,即 GM-CSF G-MDSC 的軸與 GM-CSF 的互動很重要,G-MDSC 藉 GM-CSF 發育的機轉2。若 GM-CSF 合併 IL-14驅動單核細胞分化成耐受性樹突細胞 (tolerogenic dendritic cell, tDC),抑制炎症免疫反應的潛力無限3

從臍帶血單核細胞藉 GM-CSF,驅動成功能明確的樹突細胞,而且具強大免疫抑制能力,此分化成的 IL-10high、IL-12absent 細胞具樹突細胞的表現型,稱之為吞噬-樹突細胞 (macrophage- dendritic cell, M-DC)。不成熟的樹突細胞 (M-DCs 和 DCs) 兩者刺激誘導出低反應 (hyporesponse) 和管制型 CD4+ T細胞。相對的成熟 DCs 和成熟的 M-DCs 誘導降低 Th1分化和純真 (naive) CD4+ T細胞的增殖。M-SCF 另途徑地將單核細胞分化成抗炎症的 M-DCs,因此 M-CSF 誘導的 DCs 可用於抑制過度的免疫反應3。TGF-M-DC CM (coridition medium) 是唯一能加強 SCF,Flt 3結合子和血栓生成蛋白 (thrombopoetin, TPO)。LPS (endotoxin內毒素) 刺激 TGF-M-DCs 誘導T細耐受度和不反應且為有效 M-DCs。成熟 DC 至少活化三組幹細胞增殖分化路徑:(一)MAPK (mitogen-activated protein kinase);(二)JNK (C-Jun N-terminal kinase);(三)p38 kinase。樹突細胞 (DC; dendrite cell) 是來自純淨的T淋巴細胞,最強的抗原呈現細胞,GM-CSF、TNF-α 和 IL-4直接將單核或吞噬細胞分化成 DC,DC 的能力決定於分化、成熟階段和來源,定義和分化 DC 的各型種有助下階段細胞治療的發展5,6。免疫耐受樹突細胞 tDC,不完全狀態改變中的分化單核細胞在人體誘導管制T細胞 Treg,保護自體免疫系統疾病,DC 耐受成熟的誘導非期-雙模式概念,免疫力和T細胞的耐受度相反方向進行,DC 統合許多訊息決定朝免疫耐受或抗原呈現方向來分化;DC 的免疫耐受功能之機轉,許多機轉讓 tDC 提升抗原呈現T細胞的耐受度,包括將純淨T細胞轉換成 Treg 細胞,釋放免疫抑制激素和Treg增殖1,2

參、 殺手細胞 NKT 和移植物抗宿主病 (graft versus host disease, GVHD)

比較接受 GM-CSF-mobilized 催熟周邊血液和 GM-CSF-primed 原位骨髓 HLA 半套配對的同種異體間殺手細胞移植的結果。CD56dim/CD56bright殺手細胞比率 > 8.0者,歸類於“高”,比率 < 8.0歸類於“低”,但與 CD56細胞數、CD56bright、CD56dim三個特徵有顯著差異。 結論:“高”同種異體 CD56dim/CD56bright殺手細胞比率 > 8.0者,有顯著好的移植結果,較少急性或慢性 GVHD、移植後死亡率 (transplant-related mortality, TRM) 和血癌清淨期;高劑量的 CD56bright殺手細胞可預測較高的 GVHD 機率4。GM-CSF 減弱骨髓幹細胞捐贈者之殺手細胞的細胞毒性,在造血幹細胞移植 (hematopoietic stem cell transplantation, HSCT)。殺手細胞在 GVHD 和移植物對白血病 (graft versus leukemia, GVL) 具關鍵性角色,磷脂醯肌醇激酶路徑 (phosphatidylinositol 3-kinase, PI3K) 或 p-Akt 路徑減弱表現,殺手細胞毒性基因 TPI (triphophate isomerase) 降低表現,PI3K 和 TPI 之間有關聯性。兄弟姊妹 HLA 配對加上 GM-CSF-mobilized 周邊血液幹細胞 (peripheral blood stem cells, PBSCs) 和 BM (bone marrow) 降低成人嚴重再生不良貧血 (SAA) 的 GVHD。病例回顧,15個 SAA 病人接受周邊血幹細胞加上骨髓移植,沒有發生 acute GVHD,僅一例皮膚慢性 GVHD,平均存活40個月,一例術後排斥,兩例感染10

肆、 GM-CSF 的細胞毒殺 (cytolytic effect) 和細胞激素風暴 (cytokine storm)

探討原創 GM-CSF (Newprepen) 和生物相似性藥 (biosimilar) 在 PBSC 以自體式同種異體不同方式的細胞移植治療的比較。強力類 GM-CSF (analog) 促熟幹細胞續發 NKTc,淨滅血癌細胞。GM-CSF 和 FMS tyrosine kinase 3 Ligand (Flt-3L) 嵌合激素,顯著增殖脾和肝臟的 NKT 細胞具被神經醯胺 (ceramide) 所強化。NKT 細胞依類 CD8+細胞毒性,強力類 GM-CSF 促熟幹細胞避開 GVHD 和 GVL,大大地提升同種異體幹細胞移植治療惡性癌症。類 GM-CSF 促熟幹細胞使用在同類異體移植是 GVL 和 GVHD 的聖杯 (holy grail) 允許更有效的癌症治療。GM-CSF 促熟幹細胞減弱 GVHD 反應,藉著影響T細胞和抗原呈現細胞 (APC) 後,IL-1、IL-6、TNF-α 釋放,啟動 APC 活化,之間的交互作用,純真 (naive) CD4+和 CD8驅動第1型 (Th1) 分化,並產生干擾素,促進單核吞噬。捐者CD4+藉著 APC 呈現宿主抗原活化 LPS 和其他 Th1激素 (TNF-α、IL-1) 造成 GVHD 發炎路徑和組織傷害,當捐者 CD8+增殖,發動毒殺能力,GVHD 攻擊標的組織,毒殺能力包括三個 perform、granzyme、TRAIL 路徑 (TNF-related apoptosis induce ligand) 等因素造成細胞毒性風暴 (cytokine storm),即急性 GVHD,藉 MHC (major histocompatibility complex) 激化標的組織被破壞 GM-CSF 促熟捐者幹細胞後,移植前3個關鍵的免疫調節導致,其次 GM-CSF 藉 IL-10產生,T21管制細胞 (不成熟骨髓祖細胞和漿樹突細胞),促產 CD4+、CD25+、IL-10、Treg,後者減少 GVHD 對組織的傷害 (圖二)。

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圖二 顆粒骨髓祖幹細胞 (GMDSC) 藉 GM-CSF 發育的機轉

由腫瘤來源的啟動因子 (tumor derived factor, TDF) 啟動,經 STAT3促熟的骨髓祖細胞 (顆粒 granulocyte/吞噬 macrophage),骨髓標的基因改變骨髓細胞的分化,指引顆粒 GMDSC 形成 TDF 和 GMDSC 介入腫瘤進展的機轉。

藉著合成醣脂 (synthetic glycolipid) 刺激宿主殺手細胞,誘導捐者T細胞排列極化 (polar) 來管制急性 GVHD,自然殺手細胞是獨特的免疫管制T細胞群,能產生大量細胞激素。CD4+輔助T細胞分二個亞群 Th1和 Th2,Th1產生 IFN-γ 和 IL-2,Th2產生 IL-4、IL-5和 IL-13。Th1能排極 (polar) 捐者T細胞,促成激素風暴 (cytokine storm),常見於急性 GVHD 模組,而 Th2具抑制發炎,減弱 GVHD 排斥。注射單一劑 (α-Galcer) 神經醯胺 (ceramide) 至受捐者,在同種異體移植的同時,產生劇烈減少 TNF-α,TNF-α 為造成 GVHD 的關鍵角色。神經醯胺,合成的醣脂,如 α-Galce2能刺激 NKTc 產生 IFN-γ 和 IL-4在自然 (naive),提升 Th1和 Th2免疫力,管制 GVHD 排斥。合成的醣脂 (glycolipid),保護 GVHD 的效果,NKTC 是獨特的免疫管制T細胞群,分化大量細胞激素造成宿主的 GVHD,人工合成的結合子 α-神經醯胺使 Th2細胞整齊排列 (polarization),減少血清腫瘤壞死因子-α,減弱 GVHD。單一劑量注射神經醯胺,抑制 IL-4和 Th2的激素,藉 STAT-6機轉。

伍、 GM-CSF 臨床運用於腦神經受損復元、保護血管內皮細胞和敗血症

GM-CSF 組合式的刺激加速細胞循環的成熟和發育,GM-CSF 具組合式刺激對抗細胞凋零的訊息路徑,例如 MAPK 路徑、路徑信號 (Akt signal Cascade),其中細胞循環的訊息包括 Cde14A,ERK3活力。GM-CSF 或 TPO 保護頭部外傷後神經系統的差異比較,以腦細胞傷害形態作指標,發現 GM-CSF 增生/分化神經母細胞,而 TPO 減少受傷腦細胞的壞死和退化。幹細胞因子、GM-CSF 因子治療中風的角色探討,血栓溶解劑 tPA 治療,是目前唯一被證實治療於急性血栓腦中風的藥物。GM-CSF 減少腦血管內皮細胞 (human brain vascular endothelial cell, HBVECs) 的凋零 (apoptosis) 藉著:(一)控制人類細胞分裂週期控制蛋白 cyclin B 和 p53。(二)控制腦細胞外路徑 ERK1/2,Akt JNK 和p38。

GM-CSF 治療敗血症成效大,數據分析 (meta analysis) 結論7:沒有足夠證據證明常規使用能改善或減少敗血症的病程或死亡率,但仔細評估和選擇性使用,有其正當性。吞噬或內毒素 (LPS) 誘導 GM-CSF 的表現是藉由 ERK2,不是 ERK1的訊息路徑。GM-CSF 催熟造血幹細胞從骨髓移動到周邊血液,是藉由 GM-CSF 刺激交感神經,淋巴T細胞的移動和匯集於造血壁龕 (niche) 是經由 CXCR/SDF-1訊息軸傳遞達成的。茶樹 (camellia sinensis) 的主要成分 Epigallocatechin gallate (EGCG) 協同 GM-CSF 抑制 HMGB1 (high mobility group box protein 1),極致命的敗血症7。LPS 激發吞噬/單核細胞。敗血症早期 TNF、IL-1、IFN-γ;敗血症晚期 HMGB1 (吞噬細胞之激素),綠茶主要三個成分 EGCG、catechin 和 ethyl gallate8,此啟發 GM-CSF 或細胞激素未來在致命敗血症治療研究之端7

GM-CSF 促發繼發性惡性骨髓病的角色?1.具關鍵性的影響或2.無辜的旁觀者 (innocent standbyer);由於 SCN/AML 基因,因為後天無意義橫斷式的突變 (truncated),改變了被 GM-CSF 接受器活化的訊息分子路徑,喪失去給負面管制者 SOCS3和 SHP-1的結合鎢 (dock),阻斷了基因分子訊息 p21 Ras/MAP 路徑,也就是中斷 SHP-2,son of sevenless (SOS) 或 P21 Ras 等路徑,引起 Noonan Syndrome,此為白血病高危險因子,Jak 突變引起骨髓增生疾病 (mylo-proliferative disorders),Jak/STAT 和 PI-3K/PKB 路徑失控,引起血癌。GM-CSF 產生惡性的肋膜皮瘤 (MPM) 案例,76歲男性高燒、胸痛,白血球6.4萬,CRP:20.57,手術切除腫瘤,病理內芽腫間皮細胞,討論 GM-CSF 產生 MPM 是極罕見的,文獻曾經報共7個個案,存活平均4個月到7年,視病理上細胞惡化的程度而定,有類上皮、梭形、內瘤等型態9

在尚未成熟的骨髓細胞 C/EBP 激素促進不成熟 GM-CSF 接受器表現顆粒細胞成熟 (granulopoiesis),此激素促進不成熟單核細胞成熟 (monopoiseis)6。癌症化療加全身放療後的 GM-CSF 造血幹細胞移植術後的肝、肺纖維化的病理組織調查,故T細胞和 CD68+吞噬細胞的聚集而纖維化減少。原發預防性注射 GM-CSF 於同種異體:兄弟姊妹捐骨髓造血幹細胞治療癌症化療低顆粒球患者的評估 (副作用)。初發或繼發預防性 GM-CSF 於高危險群化療治療後的顆粒球減少高燒的臨床評估。GM-CSF 在臨床使用和準則規範之間是有差異的,國際推薦使用 GM-CSF 的準則有 ASCO、EORTC、ESMO 和 NCCN 等,於乳癌和非霍奇金淋巴癌 (NHL),其因電化療後,比較有無 GM-CSF 預防白血球減少高燒 (febrile neutropenia, FN) 的48%和住院5天與有使用者19%和住院1.5天,兩者顯然預防性 GM-CSF 是值得推薦的準則。骨髓源抑制細胞 (MDSC) 的一般特徵。1.腫瘤增長消退和免疫力關聯性之間平衡;2. GMP 期時,HSC 的分化是正常的,GMP 轉成 MDSC 具不成熟 PMN 和單核球標誌,MDSC 標誌各有其起源、主要表現型和各分化的路徑。

 

 

 

Role of GM-CSF in Cancer Immunotherapy

Ching-I Hsu, Geeng-Hou Huang, Wen-Wen Li, Yu-Wen Hsu
Department of Pharmacy, China Medical University Beigang Hospital

Abstract

GM-CSF through CD34+ accelerate the ripening of hematopoietic progenitors differentiate along with various independent dendrite cell pathway in response to GM-CSF. CD1a and CD14 double positive population, with progressive disappearance of CD14+ and CD1a-. Effects of GM-CSF on immune functions : (1) induce modulation of cytokines; (2) T cell polarization; (3) balance between inflammatory mediators, favor Treg differ and mobile; (4) induce tolerance DCs; (5) increase GM-CSF inhibit autoimmune and allergenic T cell response. GM-CSF modulate T cell react and effect incidence and severity of acute and chronic GVHD by expanding myeloid precursors, and alter allograft composition. Granulocyte MDSC develop via GM-CSF dependent mechanism. Aberrant myelopoiesis from bone marrow progenitors (i.e., granulocyte-macrophage /GMP) is initiated by TDF, through STAT3. Two main subsets of MDSC identified in cancer patient, a monocyte CD14 and a granulocyte CD15. MDSC recruit and maintain in tumor, strategy could be developed to reuse immune tolerance to tumor.

 

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