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       最近有研究結果證實,惡性骨髓性腫瘤患者的骨髓微環境有異常改變的情況,包括異常的造血細胞與基質細胞相互作用、缺乏骨髓生長因子以及骨髓抑制因子異常釋放。 骨髓微環境是由細胞外基質蛋白質 (如:膠原蛋白、纖維黏連蛋白、層黏連蛋白及玻尿酸),還有其他相關細胞 (造血細胞及非造血細胞) 所組成。骨髓基質細胞屬於非造血細胞,其包括間質幹細胞 (Mesenchymal stem cell,簡稱MSC)、脂肪細胞、成骨細胞、纖維細胞、內皮細胞、巨噬細胞及破骨細胞。

 

間質幹細胞生理學

       間質幹細胞 (MSC) 可從骨髓、臍帶血、胎盤或脂肪組織中分離而得,屬於多功能細胞是構成造血系統、組織及功能的基本成員之一。在體外試驗中,MSC可以分化成纖維細胞、成骨細胞、脂肪細胞及軟骨細胞,甚至可以轉分化成神經外胚層組織如:神經元和神經膠質細胞。然而,追溯MSC上頭來源目前仍然是一個爭論的問題,中胚層和神經外胚層都有可能;其中,已知骨髓內皮細胞透過與血管周圍細胞所形成的緊密空間,並分泌E-選擇素 (E-selectin) 來保護和維持造血前驅細胞在體內的再生能力,以及調節增生和分化,因此血管組織也被認為是MSC的來源之一。

       MSC在免疫系統中同時具有兩種特性,免疫調節以及免疫抑制影響著適應性及先天性免疫反應。在免疫調節機制中,MSC表面會表達具有免疫抑制能力的分子如程序性死亡配體1 (Programmed death ligand 1,簡稱PD-L1) 及Fas配體,並直接性的傳遞抑制訊息至表達PD-L1或Fas的免疫細胞。當MSC的免疫抑制特性損害時,可能會使腫瘤逃脫免疫系統的監控。此外,MSC可透過產生可溶性因子 (如IL-6) 來抑制紅血球增生並有利於骨髓增生。

 間質幹細胞屬於多功能細胞,具有免疫調節以及免疫抑制之特性,影響著適應性及先天性免疫反應。

在骨髓增生異常綜合症 (MDS) 及急性骨髓性白血病 (AML) 中MSC分子路徑的改變

       從實驗小鼠的模式得知,微環境中分子改變可能會誘發造血疾病。舉例來說,小鼠體內的β-catenin突變及成骨細胞中miRNA處理基因DICER1缺失,會導致MDS及AML的發展。在人類AML中MSC與遺傳、轉錄和DNA甲基化的改變有相關,並觀察到一種非特異性突變的模式,其具有相同及不同單核苷酸變異以及特定基因的插入或缺失。其中覺得有趣的是,從診斷到疾病復發的過程,這樣的變異發生的頻率卻是逐漸降低。此外,在AML-MSC的早期擴增階段,證實了PLEC基因產生突變,主要突變在高度變異位置R181QPLEC基因負責編碼骨架連接蛋白。利用全基因DNA甲基化分析,也顯示了AML中MSC的DNA甲基化模式改變;另外有研究利用RNA序列分析,顯示 MDS中MSC的轉錄改變,導致多重路徑失調,包括黏附分子、代謝路徑以及胞吞作用。

       另外,利用自噬 (Autophagy) 研究白血病中MSC表型,探討衰老細胞分子消除以及反轉的原因。發現在人類AML原始細胞中,自噬相關基因表達減少;而在低風險的MDS病例中,自噬途徑表達增加,其代表預防高風險MDS或AML的進展。

       TWIST是MSC自我更新和分化的轉錄調節因子在MDS人類原始細胞中顯示TWIST表達增加,並且與疾病級別和細胞凋亡有相關。另外,TWIST可藉由活化p21來抑制腫瘤,但有31% AML患者有高度甲基化,使TWIST無法表達,藉此為白血病細胞提供了增生和存活的優勢。最後,當人類MSC的Notch/Jagged1 異常,會導致分化及細胞可塑性受損,甚至有助於MDS發病機制。

 MSC與遺傳、轉錄和DNA甲基化的改變有相關,因此MSC產生異常時,可能會誘發AML或MDS進展。

MSC與腫瘤免疫

       已經證實在MDS微環境中,先天與適應性免疫路徑異常活化,使得骨髓前驅細胞凋亡的比例增加;此外,也增加了MDS患者罹患自體免疫疾病 (如:原發性免疫性血小板減少症、類風溼性關節炎) 的機會。

       MSC透過與大量的免疫相關細胞 (如:T細胞、B細胞、自然殺手細胞…等) 間分泌黏附或可溶性分子 (又稱MSC分泌蛋白質組) 相互作用,進而調節免疫活性。此外,最終分化的MSC會避免活化的T細胞增生及凋亡。MSC藉由分泌IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-10…等來調節的免疫反應,因此這些細胞激素可作為免疫抑制和逃脫機制的標的。關於先天免疫,MSC可透過IL-6和STAT-3途徑抑制嗜中性白血球所誘發的促發炎反應;此外,MSC亦可分泌IL-10來抑制樹突細胞分化。近期研究結果指出,骨髓MSC可藉由降低TLR3和TLR9的表達來抑制小鼠體內樹突細胞的活性,並同時證實了MSC在細胞療法的免疫調節作用。最後,MSC細胞經由分泌可溶性因子來抑制自然殺手細胞增生及細胞毒性。上述投過MSC所衍生的免疫調節特性,已被應用於治療上;或許,MSC免疫調節的能力可能有助於治療自體免疫性疾病,例如:在類風溼性關節炎中,來自人類脂肪組織的MSC能夠抑制單核細胞所分泌的IL-17及IL-21,並以一致性的免疫調節作用增加TGF-β的表達。

       在腫瘤微環境中,被認為是處於發炎且受到腫瘤細胞〝教育〞,為一個有利於腫瘤細胞生長的環境。從腫瘤而來的MSC有兩種類型:MSC Type 1 (促發炎) 及 MSC Type 2 (抗發炎),當MSC由Type1轉變為Type2時,會展現強烈的免疫抑制、移行能力、藥物抗性及提高增生能力,以利於腫瘤細胞生長。而在腫瘤轉移的過程中,惡性上皮細胞會修飾其轉錄程序,使細胞間的附著能力喪失,且降低分子路經的表達 (包括TGF-β、Wnt、Notch、hedgehog及酪胺酸激酶受體),並轉變為像間質細胞的特性及運動能力,這樣的MSC表型與腫瘤預後差且對放療及化療產生抗藥性有相關。MDS及AML中,MSC會藉由降低共同刺激分子 (CD40、CD80及CD86)、增加免疫抑制細胞激素產生 (TGF-β、IL-6及HGF)、抑制T細胞及樹突細胞,並增加調節T細胞及Type 2 MSC來逃脫免疫系統的監視;而這些改變在高風險中的MDS更明顯地能夠觀察到。

 MDS微環境中,先天與適應性免疫路徑異常活化。因此,當發炎反應過度使得MSC從促發炎轉為抗發炎時,此時,使得其微環境更有利於腫瘤生長,促使癌症產生。

間質幹細胞之應用治療

       近來,越來越多研究結果支持使用免疫檢查點阻斷劑、利用基因工程製造免疫活性細胞和單株抗體療法,對抗惡性血液腫瘤中特定T細胞。免疫檢查點主要會調節T細胞活化路徑及其所產生的抗原反應。然而,癌細胞可以利用這些免疫細胞固有的檢查點,並增加T細胞上檢查點分子及活性來逃離免疫監控,導致抗腫瘤的免疫活性會降低或消除。CTLA-4和PD-1是表達於活化T細胞中的兩種抑制性受體。PD-1途徑不僅抑制T細胞功能、自然殺手細胞的溶解能力和B細胞抗體產生,還會促進調節T細胞的穩定及功能,從而有助於維持為環境中的免疫抑制作用。因此,增加PD-1/PDL-1可能可以阻斷免疫檢查點。事實上,免疫檢查點抑制劑可以增加細胞激素所誘發的殺手細胞之細胞毒性,以對抗人類骨髓性白血病,這表明AML也可以將免疫檢查點抑制劑作為治療的選擇。

       最近的一項研究中,接種MSC後透過誘發Th1所調節的細胞激素反應及CD8依賴性之細胞毒性反應,來抑制腫瘤組織的增生及增加細胞凋亡。MSC的抗腫瘤免疫反應與樹突細胞上的MHC Class I 分子有高度相關性,這使得腫瘤分子與樹突細胞可藉交叉表達來產生保護MSC抗腫瘤的活性。

       另一個是基因修飾的MSC,在病患體內會持續性產生和分泌標的腫瘤的單株抗體,但該抗體具有雙特異性且較短的半衰期,可藉由體內循環中快速清除。由於MSC具有有限的免疫抗原性 (immunogenicity) 且傾向於累積在腫瘤附近,所以可以做為傳遞抗癌藥物的標的。但異常的MSC在白血病的適應性免疫中,通過分泌IDO和PGE2來促進單核細胞和調節T細胞的趨化性,並且抑制T細胞的細胞毒性和B細胞及自然殺手細胞的活性。近期有研究指出,在異種移植淋巴瘤模型的腫瘤微環境中,腫瘤細胞透過IDO調脫免疫監控,抑制嵌合性抗原受體T細胞(chimeric antigen receptor T,簡稱CART) 的作用;此外,該研究亦指出透過Fludarabine和Cyclophosphamide來調降IDO表達,可以改善CART的抗腫瘤活性。

       在惡性骨髓性腫瘤的免疫治療,包含供體淋巴細胞灌輸 (donor lymphocyte infusion,簡稱DLI) 和CART等等。目前這些方法只針對白血病,而要利用MSC當作治療惡性骨髓性腫瘤方法,仍然視未來的新目標。

 間質幹細胞應用於治療腫瘤細胞有:免疫檢查點阻斷劑、利用基因工程製造免疫活性細胞和單株抗體療法,雖然有這三類相關研究證實其作用,但實際應用於人體內仍需更進一步的探討。

 

 

 

 

 

Golden叔叔

 

 

 

 

Reference

  1. Nicola Stefano Fracchiolla et.al, Stem Cells International, Mesenchymal Stem Cells in Myeloid Malignancies: A Focus on Immune Escaping and Therapeutic Implications., 2017, 2017:6720594

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