Immunitetscykeln

Professor Ola Winqvist, immunolog och överläkare vid Karolinska Universitetssjukhuset Solna, förläser om hur immunförsvaret vid cancer fungerar. Ta del av en av hans uppskattade föreläsningar via videon här bredvid, eller läs transkriberingen av föreläsningen nedan.

Det är välbekant att behandlingen av cancer idag, i princip, vilar på tre ben. Kirurgi, cytostatika och strålbehandling. Nyligen har immunterapi kommit in som ytterligare arsenal, där vi håller på och försöker att förstå hur, var och när den ska användas. 

Det är förundrande hur precist immunsystemet är. En T-cell kan bara angripa de betaceller som producerar insulin och ger en patient typ 1-diabetes. En patient som har doftat jordnöt hamnar i anafylaktisk chock. Det är en imponerande kraft som finns hos immunsystemet och det är dags att börja lära sig att tämja immunsystemet och förstå hur man kan använda det för att behandla cancer. 

Thomas och Burnet presenterade ”Immune surveillance-idén” och blev senare belönade med Nobelpris. Kortfattat beskriver den att vårt immunsystem konstant har en genomgång av samtliga vävnader och kan känna igen förändringar och därmed eliminera. Vi vet samtidigt att immunsystemet kan luras av tumörer och att det egentligen bara är en darwinistisk selektion. Det vi ser i kliniken är tumörer som lyckats undgå immunförsvaret. Resistensmekanismer skapas och patienten utvecklar tolerans. 

Finns immunförsvar mot cancer? 

Jag diskuterar den här frågan, för jag har gjort det i 15 år. Och för 15 år sen så var det inte många onkologer som tyckte att det där med immunsystemet var någonting att ha, ”ni får ju inte ens biverkningar av era olika terapier”, men nu har vi till och med biverkningar. 

Patienter med ett stort antal infiltrerade T-celler, till exempel vid urinblåsecancer, har bättre och längre överlevnad än de som har få. Sett ur ett immunologiskt perspektiv så ser enbart närvaron i tumören ut att visa på en viktig funktion av immunsystemet. 

Gör man en metaanalys av detta, så ser man att de patienter som har lyckas att få ett immunologiskt svar med till exempel cytotoxiska T-celler (T-celler som kan döda tumören) och som har en funktion enligt en aktiveringsaxel TH1 med gammainterferon, har en relativt god prognos. Har man i stället ett TH2-dominerat svar (regulatoriska T-celler) så är prognosen mycket sämre. Återigen visar det på att immunsystemet är av stor vikt. 

Om vi koncentrerar oss på urinblåsecancer och lungcancer så ser vi att de tumörerna som har många mutationer också har en bättre möjlighet att svara på immunsystemet. Det är så enkelt att en mutation ger upphov till ett protein som är nytt för immunsystemet och som aldrig har diskuterats. Vi kallar det för neoantigen. Lungcancer och urinblåsecancer är i toppen av listan av immunogena tumörer, tillsammans med malignt melanom, på grund av en hög mutationsfrekvens. 

Vi blev välkomnade in på arenan ca 2011, när storheterna som beskrev mekanismerna bakom cancer även bjöd in immunsystemet. Man ser att, förutom att växa och kunna invadera och skapa nya kärl, så behöver en framgångsrik tumör undvika immunupptäckt. 

Det här har lett till att många arbetar inom det här ämnesområdet. Söker man på ”immunotherapy” och visar resultat för bara några dagar sen så får man nästan 300 000 resultat på PubMed. 

Immunterapi har varit accepterat väldigt länge inom urologi. Det bygger på en observation att patienter med tuberkulos har lägre förekomst av cancer. Redan på 30- talet börjades BCG användas för cancerterapi. 

Det är ett intressant koncept att installera BCG i blåsan, som ett retande ämne, och de här retande ämnena kommer att aktivera det vi kallar för Toll-like receptors. De känner igen patogen, delar och bitar av tuberkelbacillen, och aktiverar immunsystemet. Några av de här receptorerna, till exempel Toll-like receptor 4, känner också igen HMGB1 och det är det stora alarminet när en cell dör. En cell som bjuder sitt DNA kommer att bjuda HMGB1, och kommer aktivera TLR4 och kanske är det så att det är det som är länken mellan cytostatika, strålning, värmning, celldöd av tumörcellen och aktivering av immunsystemet. De här delarna är viktiga när vi ska förstår hur vi ska använda checkpoint-blockad för behandlingar av cancer.

Den här upptäckten belönades med Nobelpriset för några år sen. Det handlar om att känna igen mönster och det kan vara HMGB1 och hur det mönstret och dess effekt, samt effekt på immunsystemet, förmedlas till effektorcellerna, det vill säga T-cellerna. 

Det som händer när man installerar BCG, är att bakterien tas upp av både antigenpresenterande celler och av tumörcellen. Det presenteras och det skapas en inflammation. Finns det då T-celler som känner igen tumören så kommer de att bli kraftigt aktiverade och avdöda den lokalt växande tumören. Ungefär 70 procent utav patienter med ytlig urinblåsecancer svarar på BCG. 

Det normala cancerförsvaret är att tumören växer ganska långsamt och just långsamheten är faktiskt ett problem. Det är långsam spridning av tumör eller döda tumörceller till en dränerande lymfkörtel där proteiner, neoantigenerna och de muterade proteinerna, presenteras och skapar ett immunologiskt svar, om än blygsamt. Alla har haft ont i halsen och sedan tre dagar senare haft en extremt svullen, ömmande lymfkörtel. Det är ett exempel på ett immunologiskt svar. Här är det så långsamt, och uppfattas därför inte som så alarmerande, att det immunologiska svaret inte blir speciellt kraftfullt. Det är en utmaning idag. Hur ska vi identifiera de patienterna som har fått ett immunologiskt svar, som sen kan skördas och underhållas med checkpoint-blockad? 

Det är viktigt att förstå några detaljer kring T-cellen när man ska tänka hur man ska använda checkpoint-blockad och hur vi i framtiden kommer att kombinera. En T-cell känner igen aminosyror från en peptid som presenteras i klass I-fickan eller i klass II-fickan. 

Egentligen känner den bara igen tre stycken aminosyror. Det är inte något vi pratar om särskilt mycket. Har man ett muterat protein så räcker det med att en av dem, en aminosyra, är muterad för att det ska uppfattas som nytt. 

Nästa del som är väldigt viktigt att förstå är att vi har 1015 olika varianter av T-celler från början och de känner igen precis allt. När man upptäcker och känner igen en förändrad mutation i en peptid så sker något som kallas för klonal expansion. Det är nödvändigt att förstärka det immunologiska svaret för att man ska ha någon effekt på en bakterieinfektion eller på en tumör. Alltså är klonal expansion helt nödvändigt. 

Vi har, i storleksordning, 25 stycken familjer som man kan dela in de här T-cellerna i. När man ska tänka kring immunterapi så är immunitetscykeln ett väldigt bra verktyg för att tänka och förstå var en viss interventionen passar in och vilka mekanismer det är som är aktiva. I de första stegen så handlar det om frisättning. Frisättning av muterade antigener, neoantigen från tumören. De här tas upp av antigenpresenterande celler och transporteras sedan till lymfkörteln. 

I lymfkörteln kommer man diskutera de här främmande peptiderna. Här sker därför ett livsavgörande beslut. Om de antigenpresenterande cellerna kan presentera aminosyror som är förändrade så kommer T-cellerna att svara och börja dela på sig. 

Det som hitintills har diskuterats är den första och viktigaste signalen (signal 1), den som leder från den antigenpresenterande cellen, förändrade peptiden, in till T-cellsreceptorn. Vi har ju väldigt många safety-mekanismer, för annars skulle vi sannolikt alla ha autoimmunitet. Det leder till att om man bara får signal 1 så blir de här cellerna trötta eller anergiska. De finns, men de kommer inte att svara och kommer så småningom dö i apoptos. Det behövs en signal 2 vilken förmedlas via kostimulatoriska receptorer, B7-1 och B7-2, som uttryckt till exempel på antigenpresenterande celler. De skickar sedan iväg en signal till CD28, som då ger signal nummer 2. Den här molekylen är väl värd att lägga på minnet eftersom att all checkpoint-blockad handlar om CD28-molekylen. Det är signal 2 som regleras. Det är signal 2 som man kan påverka med en checkpoint-blockad. För när en normal T-cell får signal 1 och 2 så får man en aktivering. 

Fortsätter vi vidare i immunitetscykeln så kommer cellerna, nu när de har blivit aktiverade, att transporteras via blodbanan för att sedan identifiera ett kärl och komma in i tumören som tumörinfiltrerande lymfocyter. 

Det här sker inte slumpmässigt på något sätt, utan kärlbädden måste vara preparerad. Då är det lyckligtvis så, att alla tumörer som ska vara framgångsrika i princip behöver anlägga nya kärl och nya kärl uppfattas som inflammation. Då har möjligheten uppstått att T-celler kan, via sina integriner, binda till sig olika ytproteiner och selektiner, som gör att de bromsar upp i den här kapillärbädden, till exempel i en metastas i lungan. Sedan skickas det ut kemokiner, attrahenter för immuncellerna som tar sig in på skadeplatsen och där kan sedan T-cellen verka som en tumörinfiltrerande lymfocyt och göra sin effekt. 

Det sista steget är när T-cellerna är i tumören. När de befinner sig där så kan de känna igen de förändrade proteinerna på ytan av tumörceller och ha möjlighet att avdöda dessa celler. 

Det är framför allt cytotoxiska T-celler som känner igen en peptid som presenteras av tumören. De är laddade med ämnena: granzym och perforin, där perforin skickas ut för att göra hål i målcellen. Det ser ut ungefär som membran-attack-komplexet från komplementsystemet. Poren som bildas av perforin låter sedan granzymer komma in i tumörcellen och man inducerar då tumörlys. Det här är ett otroligt listigt, precist, lokalt system, som egentligen inte ger upphov till systemiska biverkningar eftersom det är så lokalt preciserat.Sen börjar cykeln om. 

Det här är en väldigt god cykel och låter som en ljuvlig historia, men varför dör så många patienter i cancer om immunsystemet är så fantastiskt? Jo, det beror på att begåvade tumörer måste undgå immunupptäckt. 

En sån mekanism handlar om checkpoints. Det sker ungefär ett hundratal interaktioner mellan en antigenpresenterande cell och en T-cell, mellan en tumörcell och en T-cell. Det sker alltså ett ständigt utbyte av information. Det finns lösliga molekyler, många av de betydelsefulla är i direkt cell-cellkontakt. Här finns förstärkande signaler och hämmande signaler. Allt för att vi inte ska få lymfom varenda gång vi får en influensainfektion. 

För när vi väl har fått signal 1 och 2, så är T-cellen aktiverad och då behöver vi hjälp. Vi har normala feedback-mekanismer, precis som i all endokrinologi som man pratar om. När väl signal 1 och 2 är mottagen, så är normalsvaret från en T-lymfocyt att uppreglera PD-1 och i omgivningen inducera PD-L1-uttryck. Det här gör man för att få ett reglerat, dämpat svar. Den negativa signalen från PD-1-signal till T-cellen gör så att det inte längre blir lika stor och dramatisk aktivering och i syfte att vi inte ska förstöra vår egen vävnad och skapa autoimmunitet. 

Vi vet att det här kretsloppet med den normala feedback-mekanismen styrs av en väldigt viktig effektormolekyl, gammainterferon. I enlighet med de tidigare metaanalyserna, har personer med ett TH1-svar har bättre prognos att överleva. Det vill säga, om du gör gammainterferon så har du en bättre prognos att överleva. Men med interferongammaproduktion så får man då aktivering av den här feedbackloopen med PD-L1 och PD-1. 

Dessutom så kan de begåvade tumörerna, att vid konstant stimulering och konstant igenkänning, börjar uttrycka väldigt höga nivåer av PD-L1. Antingen själva eller i omgivningsceller. Det gör att man försöker att stänga av och hämma det immunologiska svaret. 

PD-L1 binder då till PD-1. Dessutom så binder det till B7-1, som var en av kostimulatoriska molekylerna. Betydelsen av det är inte riktigt känt idag, men sannolikt har det med att T-celler också kan aktivera varandra i den initiala delen av sjukdomen. 

PD-1 fungerar genom att nedreglera kostimuleringen och då är det en competition. Signal 1, som tidigare nämndes, är mellan T-cellsreceptorn och MHC och peptid. Får man nu den negativa PD-L1-PD-1-inbindnigen, vid signal 2, så kommer man att dämpa och minska influenserna av CD28. Det som händer då är att signal 2 försvinner, och då kan T-cellen inte längre vara aktiv eftersom att man kräver båda signalerna för att vara igång. 

Vi har många checkpoints, points of entry. Det finns stimulerande receptorer, där det nu finns utveckling av antikroppar som försöker stimulera. Som till exempel, man försöker stimulera OX40. Man försöker stimulera CD28. CD28-stimuleringen var det som gick fel i London för några år sedan. Man hamnade på intensivvårdsavdelning inom en halvtimme från att man hade sprutat in antikroppen. Det är potent och det kan ge biverkningar, medan de som nu har kommit väldigt långt, och som har kommit hela vägen till klinik, är de inhibitoriska receptorerna CTLA-4 och receptorparet PD-1-PD-L1. 

CTLA-4 är kanske den första som har tagits fram och den är med att konkurrera om B7-1 och CD28-gunsten. Det är en competitor direct av bindningen till CD28 och det är klart att kan man hämma en hämmare, vilket ger en positiv signal. På motsvarande sätt, om man går in att ha en antikropp mot antingen PD-1 eller PD-L1, så får man en avsaknad av den negativa regleringen. Det vill säga, man frisläpper T-cellernas möjlighet att bli aktiverade, att de kan proliferera och utföra sina effektorfunktioner. 

En PD-1-blockad är då du direkt tar en antikropp som binder till T-cellen, och därmed så får man inte en competition med CD28. Om man på motsvarande sätt har en PD-L1-antikropp så binder det till PD-L1-receptorn som sitter på antigenpresenterande cell, eller om den sitter på tumören själv. Den sitter på båda och dessutom så får man en blockad av B7-1, som sannolikt är med att påverka T-cellens förmåga att bli aktiverad. 

En blockering av den här axeln förhindrar möjligheten av att få ett fullständigt immunologiskt svar och tumörer och cellerna och deras omgivning reglerar det här PD-L1-svaret och har som en framgångsmekanism tagit fram detta för att undvika immunupptäckt. 

Genom att då komma in med olika blockader så kan man återställa den här balansen. Vi har tittat på celler som infiltrerar i tumören och ser då att T-cellen brukar ha både granzym B och perforin. I många tumörer så har man nästan hel avsaknad av perforin och de uttrycker bara granzym. Utan en molekyl som gör ett hål, så kommer inte granzym in i cellen. Tittar vi på de celler som bara uttrycker granzym, uttrycker de jättehöga nivåer av PD-1. Så de är hämmade och det räcker alltså inte med att de uttrycker PD-1, utan det här tillståndet gör att de slutar göra andra effektorsubstanser. De blir handlingsförlamade. När de inte har perforin, så är det lösplugg. De här cellerna måste återfå sin förmåga att bli aktiva och bli effektorceller. Det får ganska långt gångna konsekvenser för T-celler, när PD-1-signalering kommer att vara den övervägande signalen som dominerar över aktivering. Att blockera den här signaleringen är en oerhört intressant ingångsmekanism. Att hämma PD-L1, att hämma PD-1, med en antikropp. 

Tittar vi hur det går till kliniskt så är det intressant att se att man har en viss respons. Om man kombinerar så ser det ut som man får en högre respons. Just nu så pågår det hundratals studier i världen kring hur vi ska förstå och hur vi ska använda checkpoint-blockad. Det är en fantastisk respons att ca 20-30% av patienterna svarar på checkpoint-blockad, men det är en utmaning varför de andra 70-80% inte svarar. I min bok är svaret till det att det är på grund av T-celler. T-cellssvaret måste finnas, annars kan man inte frisläppa T-cellssvaret. 

Tittar man på hur det ser ut, så har man inget T-cellssvar om man inte har lyckats att göra ett T-cellssvar mot tumören. Då hjälper det inte att frisläppa T-celler eftersom ingen av dem kommer att känna igen tumören i alla fall. Så utmaningen för oss är att först då identifiera vilka som har ett T-cellssvar mot tumören och hur vi kan säkerställa att patienten har ett T-cellssvar mot tumören? 

Vi börjar till exempel färga för PD-L1 för att förstå. Vi tittar på immunologisk status av tumören och har man en CD8, alltså cytotoxiska T-celler som har perforin och granzym B och en gammainterferonsignatur, då är prognosen mycket bättre och chansen att man svarar på PD-1-PD-L1-blockad är mycket större. Medan om man är i den andra ytterligheten, och har en immunologisk öken där det inte finns några T-cellsinfiltrat och där T-cellerna inte känner igen något främmande, så kommer inte en checkpoint-blockad vara verksamt utan att man har säkerställt att det finns ett immunologiskt svar. 

Det är väldigt spännande att titta på den här immunitetscykeln eftersom att vi nu börjar förstå olika mekanismer som är på plats. Vi vet att aktiveringen av T-cellerna och primingen av T-cellerna är beroende avom man kan frisläppa tillräckligt mycket antigen och undvika blockad. Tidigare har vi jobbat en hel del med cytokiner, vi gav alltså cytokiner och det var så det började. Man gav IL-2 till patienter, antingen i provröret med celler eller till patienten, som är till för att driva på den här aktiveringen. Vi går in och modifierar hur celler kan komma till skadeplatsen genom att till exempel titta på blockad av kärlbildning .Nu har vi den här möjligheten, att börja tänka och fundera på hur man kan skapa en skada? Hur kan man skapa en skada i tumörcellen, med syfte att aktivera immunsystemet? 

En viktig del att förstå om immunsystemet är en hypotes som kallas för ”danger-hypotesen”. Den är oerhört enkel och säger att om vi blir utsatta för skada av någon orsak: kirurgisk, strålningsmässig, bakterier etc, så skapas en inflammation. En inflammation gör att MHC klass 1 och 2 uppregleras och kostimulatoriska molekyler uppregleras. Då får man möjlighet till aktivering av T-cellerna. Vi måste börja tänka på ett annat sätt och fråga: ”hur kan vi nyttja och trigga immunsystemet för bästa möjliga svar?” och ”hur kan vi säkerställa att det immunologiska svaret blir vidmakthållet med checkpoint-blockad?”. 

I de flesta fall ger vi cytostatika. Det har varit vår grundplåt i våra adjuvanta schemata och det är begåvat men sättet vi gör det idag är lite missriktat. Vi har bland annat nyttjat situationen i urinblåsecancer där man använder sig av neoadjuvant kemoterapi och ger tre cykler av kemoterapi. Efter given kemoterapi i den dränerande lymfkörteln finns ett otroligt mycket bättre T-cellssvar. I lymfkörtlar som har blivit utsatta uppströms av kemoterapi är alltså T-cellssvaret mycket bättre. Det här ger en unik signal som tyder på att celldöd faktiskt leder till ökad aktivering av immunsystemet. 

Vi har tittat mer specifikt på olika celler och till exempel så har vi aktiverat B-lymfocyterna med doxorubicin. B-celler som har utsatts för doxorubicin är mycket bättre på att aktivera T-celler. Anledningen till detta beror på att de uttrycker mycket mer av den kostimulatoriska molekylen CD86 eller B7-2. Återigen handlar det om hur vi kan aktivera CD28. Vissa cytostatika har den förmågan, om de gives i lagom dos och lagom mängd, att de bidrar till aktivering av immunsystemet. 

Cytostatika kommer att påverka delande celler i tumören, via antigenpresenterande celler inklusive att B-celler presenteras i den dränerande lymfkörteln, och här bildas en klonal expansion av T-cellerna. Sen kommer vi i fasen då man har säkerställt ett T-cellssvar, men tumören kommer fortfarande försöka undgå upptäckt genom att uppreglera checkpoint-mekanismer. Här kan det bli extra intressant att komma in med checkpoint-blockad. När vi har säkerställt ett stort, kraftfullt immunologiskt svar, låter vi det vidmakthållas genom att ge patienten också checkpoint-blockad. 

Det här kan kallas cancerbehandling 2.0. Vi vilar inte längre på tre stycken modaliteter. Istället kommer immunterapi in som en ny modalitet, vilket vi har försökt att utveckla under trettio-fyrtio år. Det här, ”framtiden”, går att se med väldigt stor tillförsikt. Med nya, smarta, biologiska läkemedel tillsammans med nya smarta strategier för hur vi använder våra redan nu befintliga cytostatika och strålningsbehandlingsregimer på ett mer begåvat sätt och där vi då utvecklar användningen av T-cellsterapin till dess fulla potential.