光动力学疗法诱导抗肿瘤免疫反应研究的进展
黄正1强永刚2陈伟2
恶性肿瘤是以细胞异常增生为特征的常见疾病,早期诊断和及时治疗是降低肿瘤患者死亡率的关键。但恶性肿瘤的早期诊断和有效控制仍是医学界的棘手问题。手术治疗、放射治疗与
药物治疗仍是目前治疗恶性肿瘤的常规手段。但这些传统的治疗手段常难以获得理想疗效,医学界仍在不断探索治疗恶性肿瘤的新方法。光动力学疗法(photodynam2ictherapy,PDT)是逐渐趋向成熟的治疗肿瘤和非肿瘤疾病的一种新手段。在临床上,光动力学疗法及其与传统治疗手段联合应用治疗恶性肿瘤的技术已逐渐被接受。为了有效控制和根治恶性肿瘤,光动力学疗法以及其他传统治疗手段往往在抗肿瘤免疫的参与下,才有可能达到抗局部原发肿瘤、抗转移肿瘤和防止肿瘤复发等理想效果[1]。本文对光动力学疗法诱导抗肿瘤免疫的临床前期研究进展作一综述,并对光动力学疗法诱导的抗肿瘤免疫反应anti2tumorimmuneresponses)的机制及其作用和影响进行讨论。
一、光动力学疗法在肿瘤治疗中的应用
光动力学疗法是集光源、导光器件、组织光学和药物制剂等技术为一体的医学新技术。光动力学疗法主要涉及2个步骤,第一步是局部或全身使用光敏剂(photosensitizer或photosensitizingagent);第二步是使用合适波长和强度的光对
病灶进行局部照光,激活病灶内或病灶周围的光敏剂[2]。在氧分子的参与下,光敏剂的光化学反应能够产生一系列有细胞毒性的活性分子,它们对细胞的破坏作用,将直接导致病灶内的病变细胞发生坏死(necrosis)或凋亡(apoptosis)[3,4]。
光动力学疗法除了可以引起这种局部直接细胞毒性效应(directcytotoxicity),即细胞靶向光动力学疗法;还具有破坏
血管的效应(anti2vasculareffect),即血管靶向光动力学疗法。如果在血管内光敏剂的浓度峰值期内照光,能够导致微血管损伤,引起病灶血供不足,间接引起病灶内的细胞发生坏死或凋亡[5]。另外,光动力学疗法在局部诱发的非特异性炎性反应以及后期的一系列免疫反应也有抑制和破坏肿瘤的系统性效应[6]。
由于传统的表浅光动力学疗法(superficialPDT)的光传输技术的非介入性和无损伤性操作的特点,光动力学疗法对皮肤、鼻咽
口腔等腔道表浅肿瘤以及下呼吸道、消化道和
泌尿生殖道黏膜的表浅肿瘤的治疗有特别的优势。合理使用光动力学疗法能够根治这些部位的癌前病变和早期肿瘤。对某些晚期肿瘤、复发肿瘤和一些不适合手术的肿瘤,光动力学疗法也是一种有效和简便的姑息治疗手段。因此,光动力学疗法已在很多国家获得正式批准。
随着组织间光动力学疗法或介入性光动力学疗法(in2terstitialPDT)和术中光动力学疗法(intra2operativePDT)技术的发展,光动力学疗法的临床适应证不断扩大,现在光动力学疗法还可用于治疗深部的甚至大体积的实体瘤[1]。这些方面的进展逐渐改变了光动力学疗法仅适合作为姑息治疗的传统观念。目前国内外都在研究光动力学疗法治疗恶性肿瘤的临床价值和探索如何进一步提高光动力学疗法治疗恶性肿瘤的有效性[1,7]。光动力学疗法诱导的免疫反应和相应的长期和系统性肿瘤抑制效应,无疑也是提高光动力学疗法有效性的一个可能的途径[6]。有学者认为,在某些情况下,光动力学疗法对肿瘤细胞的局部直接作用可能还不足以达到有效控制和根治恶性肿瘤的效果,必须在抗肿瘤免疫的参与下才能达到抗原发肿瘤甚至抗转移肿瘤和防止肿瘤复发的远期治疗效果[8210],探讨PDT诱导的免疫反应已是光动力医学研究中的一个重要课题,PDT诱导的免疫反应的强弱及其抗肿瘤效应将是综合评价PDT治疗恶性肿瘤的临床价值的一个重要指标。
二、抗肿瘤免疫和肿瘤的免疫治疗
免疫系统由中枢淋巴器官、外周淋巴器官、免疫细胞和免疫分子组成。机体免疫应答过程有赖于免疫系统不同细胞之间的相互作用,包括细胞间直接接触和通过释放细胞因子或其他介质的相互作用。机体的免疫功能与肿瘤的发生有密切关系,当机体的免疫功能低下或受抑制时,肿瘤的发生率往往会增加。肿瘤发生后,机体可能会发生或强或弱的特异性和非特异性的免疫应答反应,发挥不同程度的抗肿瘤作用。机体抗肿瘤免疫的机制包括细胞免疫和体液免疫。
通常,细胞免疫为主,体液免疫为辅。然而,肿瘤本身具有的一些特性(如诱导抑制性细胞的产生,诱导体液抑制因子的分泌,肿瘤细胞分泌具有免疫抑制作用的因子等)也会阻碍机体自身抗肿瘤免疫的建立。对于晚期恶性肿瘤患者,机体的自身抗肿瘤免疫效应和作用往往很有限。另外,治疗恶性肿瘤常用的放疗和化疗等常规手段常常会进一步抑制机体的免疫功能。
早期的为数不多的光动力学疗法动物实验曾提示腹膜的直接照射可能引起免疫抑制效应[11],但同一条件下的皮肤照射却没出现类似的免疫抑制反应。通常,这种免疫抑制是暂时的,并且是可逆的[12]。目前的研究和应用的结果显示,PDT没有放疗和化疗那样明显的抑制机体免疫功能的副作用[13]。相反,PDT可能诱导有益于治疗的抗肿瘤免疫效应。
为了激发和增强机体的免疫功能,更好地控制恶性肿瘤,肿瘤的免疫治疗(immunotherapy)也日渐成为一个活跃的领域[14]。免疫治疗包括主动免疫治疗和被动免疫治疗。主动免疫治疗是指给患者输入具有免疫原性的肿瘤
疫苗,刺激机体的免疫系统产生特异性的抗肿瘤免疫。被动免疫治疗则是指给患者输入外源性的具有免疫效应的物质,由这些物质在患者体内发挥治疗肿瘤的作用。PDT和主动或被动免疫治疗相结合的抗肿瘤研究,已有一些进展。有一些动物实验显示,体外PDT处理的肿瘤细胞裂解物具有免疫原性,可看作是一种有效的肿瘤疫苗,这种通过PDT作用产生的疫苗,较紫外线或放射线作用产生的疫苗具有更强的抗原性,能够诱发特异的IFN细胞并激活树突状细胞,并可明显地提高接种疫苗的动物的生存率[15]。
另外,利用高度特异性的肿瘤单克隆抗体为载体,将光敏剂直接引导到肿瘤病灶内,也可增强光敏剂在肿瘤或病变细胞内的选择性分布。这种靶向光动力学疗法有助于特异性地杀伤肿瘤细胞,提高光动力学疗法的效率。几种常用的光敏剂[如HpD、mTHPC、AlPc(SO3H)4及BpD2MA等]的免疫偶联物(immunoconjugate)的动物在体实验显示,光敏剂与单抗组成的免疫偶联物能够改变光敏剂的生物分布,提高光敏剂对肿瘤细胞的亲和力,延长其在肿瘤细胞内的滞留期,同时也降低光敏剂在皮肤的分布,减少PDT的皮肤光敏毒性[16218]。这种抗肿瘤靶向治疗还可能增加靶向细胞和组织对光敏剂的摄取。与此类似,它还可以通过受体导向技术改善亚细胞水平的定位,从而把光敏剂引导到更敏感的部位[19]。
动物实验还显示,光动力学疗法治愈的荷瘤动物的血清具有过继免疫性转移性(adoptiveimmunetransfer)。将治愈后动物的血清或脾细胞输入给同种动物,还可以诱发这些动物的免疫抗拒,抑制同种移植肿瘤的生长[20,21]。
由于目前认为免疫治疗还只能清除少量的和播散的肿瘤细胞,对于晚期的实体肿瘤的疗效还有一定的局限性,所以只能作为一个辅助疗法。然而,PDT与免疫疗法的联合应用,可以进一步提高和改善PDT诱发的抗肿瘤免疫反应。但是,光动力学疗法和免疫治疗相结合的抗肿瘤研究工作目前仍停留在动物实验阶段,需要深入研究。
三、光动力学疗法诱导宿主免疫反应的多样性
大量研究结果显示,局部PDT可直接或间接地诱发一系列免疫应答反应。PDT引起的免疫反应的类型通常与其剂量大小有关。有些免疫修饰作用甚至在小于可以引起皮肤炎症或红斑的剂量时就可能发生。这可能和不同细胞对PDT的敏感性不同有关。在亚致死剂量水平,细胞的功能会受到不同程度的影响[22]。无论是免疫细胞还是非免疫细胞,它们的功能改变都可能会影响机体免疫系统。在细胞存活率受到影响之前,与免疫调节有关的一些细胞性状(如信号转导、细胞因子的形成及表面受体的表达等)都有可能在PDT作用过程中受到不同程度的修饰。有大量证据表明,PDT作用诱发的氧化应激反应可促进应激蛋白的表达,激活核因子κB和AP21,它们能够控制多种细胞因子如IL26、IL2
10、肿瘤坏死因子、粒细胞集落刺激因子、Toll样受体等及其免疫相关基因的表达,诱发较强的免疫应答反应[23226]。光动力学疗法对细胞膜和血管壁造成的损伤还能够诱发一系列促炎反应,释放不同的炎性物质,继而引发受照射组织的局部急性炎症反应,导致大量炎性细胞如中性粒细胞、肥大细胞、单核细胞、巨噬细胞等在受照部位迅速集聚,这些细胞会引发强烈的炎症启动的免疫反应[2,27]。随着剂量的增加,受照射的细胞可能发生凋亡。如果免疫系统的细胞发生凋亡,无疑会对免疫功能有不利的影响[28]。目前有学者提出,以引发细胞凋亡为主要疗效的低剂量光动力学疗法在临床上可能会有一些特殊的优势[1,29],其中一个重要的理由就是因为伴随细胞凋亡的局部炎性反应相对较弱,相应的副作用可能较少。由于炎性反应是诱发机体免疫反应的重要前奏,以诱发细胞凋亡为主的PDT作用和以诱发细胞坏死为主的PDT作用所引起的免疫反应肯定有所不同[13]。所以,以诱发细胞凋亡为主的PDT作用对免疫系统的影响及其临床价值还有待进一步探讨。
在治疗剂量或更大的剂量下,细胞死亡造成的细胞膜破损和细胞器的释放、细胞器的膜结构和细胞膜的变化,都会在受照射部位引发局部炎性反应,从而激发各种机体免疫反应[8]。光动力学疗法诱导的一系列免疫反应的重要性正逐渐得到认可和重视,其生物效应和抗肿瘤作用也是PDT研究中的一个重要课题。
四、光动力学疗法诱导的抗肿瘤免疫
初步的临床试验证实,PDT诱导肿瘤组织中T淋巴细胞的增生,可以改善抗肿瘤治疗的疗效和预后[30]。PDT诱导的免疫调节反应在较低的剂量下就可能发生,因为在细胞存活率受到影响之前,与免疫调节有关的一些细胞性状就可能已经被修饰,从而改变免疫功能,但这种改变的抗肿瘤作用尚未肯定。有人认为,在引起细胞凋亡的剂量条件下,PDT作用可使得肿瘤细胞产生抗原性物质,并由抗原呈递细胞(antigenpresentingcells,APC)呈递给肿瘤特异性的T淋巴细胞[6]。如前所述,在治疗剂量下,肿瘤细胞迅速裂解死亡所释放的促炎物质却能够引起很强的炎性反应。许多动物实验显示,在照射过程中和照射之后,受照射的肿瘤组织发生中性粒细胞、肥大细胞、单核细胞、巨噬细胞等大量炎性细胞浸润,受照射的肿瘤组织开始募集树突状细胞和巨噬细胞等抗原呈递细胞,这个反应过程对确保T淋巴细胞对肿瘤特异性的抗原簇的识别及其后续的细胞毒性T淋巴细胞的激活都有重要意义。肿瘤血管床内中性粒细胞的滞留和附着,可以刺激血管内皮细胞释放化学物质,进一步引发下一轮的免疫反应。单核细胞和巨噬细胞的介入,则有利于激发一些非特异性的抗肿瘤效应[2]。国内的研究还显示淋巴细胞转化率提高,CD4细胞/CD8细胞的比值增高,脾细胞NK活性及LAK活性增强等免疫反应[31,32]。但这些反应的具体信号转导通道和相关机制尚不完全明了,仍有待深入研究。根据现有的研究结果推论,PDT诱导的初始免疫反应和其他方法诱导的免疫反应具有共性,都是抗原呈递细胞激活的结果。而且这个激活过程与时间、炎性反应的强弱以及光动力学疗法的剂量等都可能有相关性。对此,荷兰的vanDuijnhoven等[13]曾作了一个比较详细的总结。也有人提出光动力学疗法可造成肿瘤细胞免疫性状的改变,从而改善和提高肿瘤细胞的抗原性[15]。
光动力学疗法诱导的细胞因子的变化及其在抗肿瘤免疫中的作用,也是探明信号传导通道和相关机制的一个重要研究课题。美国RoswellPark肿瘤研究所的Gollnick等[33]长期致力于PDT抗肿瘤机制的研究,他们通过对PDT诱导的细胞因子、趋化因子和黏附因子的表达和中性粒细胞局部浸润现象的深入研究,发现不同的光敏剂所激活的细胞因子和炎性反应会有所不同。他们认为通过合理调控有益的炎性反应可能是优化光动力学疗法的抗肿瘤免疫作用的一个有效手段。
加拿大不列颠哥伦比亚癌症机构(BritishColumbiaCancerAgency)的Korbelik等
[34]长期致力于研究补体在PDT诱发抗肿瘤免疫反应中的作用。PDT可能诱导或激活抗体的产生,但抗体的存在并不一定意味该抗体有抗肿瘤的活性,所以他认为补体激活也是PDT诱发抗肿瘤免疫反应的一个重要过程。他指出光动力学疗法诱导的补体级联反应的活化和受照射肿瘤局部的补体蛋白的沉积过程,都能够对PDT的抗肿瘤效果有很大影响。最近他们又进一步证实,补体激活剂和PDT的联合应用能够扩大PDT诱导的补体激活效应,提高PDT的抗肿瘤效果。
另一方面,大量的动物实验还提示,PDT与其他免疫疗法和免疫佐剂的联合使用,也可能提高光动力学疗法和免疫疗法的疗效,并达到对肿瘤的长期有效控制。比如,光敏剂ICG和新型免疫佐剂———糖化壳聚糖(glycatedchitosan,GC)的激光免疫疗法(laserimmunotherapy,LIT),成功地治愈了大鼠乳癌转移肿瘤[10,20]。利用DMBA诱发的DMBA24鼠乳癌模型,本文作者陈伟还证实,治愈后的动物对二次接种能够产生免疫抗拒。并且,治愈后动物的血清或脾细胞输入同种动物,还可以诱发这些动物的免疫抗拒,抑制同种移植肿瘤的生长。这些实验进一步证明,对肿瘤敏感的淋巴细胞及其免疫记忆细胞可以在脾脏和远处的淋巴结中找到。尽管光动力学疗法是局部治疗手段,但可以诱发系统性和长效的抗肿瘤免疫。新近的实验研究显示,糖化壳聚糖与Pho2tofrin或mTHPC光动力学疗法的联合使用,与单纯的光动力学疗法相比,前者可以明显地提高肿瘤治疗的效果。而且,糖化壳聚糖的免疫刺激作用较其他几种常用的免疫佐剂如弗氏完全佐剂、弗氏不完全佐剂、短小棒状杆菌菌苗等的效果都要明显[35],PDT与糖化壳聚糖的联合使用有望很快进入临床试验。
五、结论
为了有效地控制恶性肿瘤,PDT可以和免疫疗法联合应用,以提高和改善PDT诱发的抗肿瘤免疫反应。为进一步加强或扩大PDT诱发的抗肿瘤免疫,PDT可能更适合与过继免疫疗法(adoptiveimmunotherapy,AIT)等生物治疗方案联合使用。目前这些方面的研究仍限于临床前期的动物实验,临床研究尚有待加强。PDT除了具有直接杀伤肿瘤细胞和破坏肿瘤组织结构等局部效应外,还可发挥诱发机体免疫反应的功效。在抗肿瘤免疫的参与下PDT能达到抗局部原发肿瘤、甚至抗转移肿瘤和防止肿瘤复发等多种治疗效果。PDT诱导的初始免疫反应是抗原呈递细胞激活的结果。这个激活过程与PDT的剂量和炎性反应的强弱等都可能有一定的关联性,需要进一步深入研究。
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