肿瘤的细胞因子疗法

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细胞因子(cytokine)是由免疫细胞(淋巴细胞、单核-巨噬细胞等)及其相关细胞(血管内皮细胞、成纤维细胞等)合成和分泌的调节其他免疫细胞或靶细胞功能的生物活性物质,属小分子多肽或糖蛋白。某些细胞因子,如IL-2 、IFN-α和TNF-α已经应用于肿瘤生物治疗, 并取得较好疗效。


细胞因子的分类

按其细胞来源,细胞因子分为淋巴细胞产生的淋巴因子(lymphokine ,包括IL-2、IL-3 、IL-4、IL-5、IL-6、IL- 9 、IL-10 、IL-12 、IL-13 、IL-14 、IFN-γ、TNF-β 、CM-CSF 等)、单核-巨噬细胞产生的单核因子(monokine ,包括IL-l 、IL-6、IL-8、TNF-α、G-CSF 、M-CSF 等)和其他细胞(上皮细胞、血管内皮细胞、成纤维细胞等)产生的细胞因子(如EPO 、IL-7 、IL-11 、SCF 、IL-8 、IFN-β 等),但不包括免疫球蛋白、补体及一般的生理性细胞产物。

按其主要功能,细胞因子分为白细胞介素( interleukin , IL )、干扰素(interferon,IFN )、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor , TNF )、集落刺激因子( colony stimulating factor , CSF )、转化生长因子-β ( transforming growth factor-β , TGF-β )、趋化因子家族(chemokine family )和其他细胞因子。[4]

细胞因子的功能

细胞因子种类繁多,生物学活性广泛,作用机制各异。一般具有以下共同特点:① 低分子量的分泌型蛋白质,分子量<80 000 ;② 产生具有多元性,即单一刺激可使同一细胞分泌多种细胞因子,一种细胞因子可由多种细胞产生,并作用于多种靶细胞;③ 正常静息状态细胞极少储存,需经激活后合成分泌;④ 生物学效应极强,导致细胞行为的改变;⑤ 以非特异方式发挥作用;⑥ 大多通过自分泌或旁分泌方式短暂地产生并在局部发挥作用;⑦ 需与靶细胞上的高亲和性受体特异结合发挥生物学效应;⑧ 构成细胞因子网络相互诱生、调节和影响。

细胞因子的抗肿瘤机制主要包括以下几个方面:① 控制癌细胞的生长和促进分化;② 调节宿主的免疫应答;③ 对肿瘤细胞的直接毒性作用;④ 破坏肿瘤细胞血管和营养供应;⑤ 刺激造血功能,促进骨髓恢复。目前,应用于肿瘤生物治疗取得较好疗效的细胞因子主要有IL-2 、IFN-α和TNF-α等。

白细胞介素

( l )白细胞介素的生物学作用[4,5]

白细胞介素是免疫系统分泌的主要起免疫调节作用的蛋白,目前正式报道的有29 种(IL-1~29 )。其主要生物学特性归纳于表1 ,其中多数与抗肿瘤的调节有关。

表1. 白细胞介素的生物学特性

名称 主要细胞来源 主要生物学作用
lL-1 单核-巨噬细胞,树突状细胞,B 、T 、NK 细胞,角质形成细胞成纤维细胞,内皮细胞,上皮细胞 共刺激T 细胞增殖,诱生IL-2,增加IL-2受体的数目和结合,激活生长因子,增强LAK 活性,诱生CSF,激活内皮细胞和巨噬细胞,调节对感染的分解过程、炎症和非特异耐受,共刺激B 细胞增殖和分化,诱导前B 细胞的成熟,促进大肠杆菌毒株的生长
IL-2 T 细胞 共刺激T 细胞增殖,激活T 细胞中的细胞毒效应,刺激单核细胞杀伤肿瘤,趋化T 细胞、B 细胞生长和分化,细胞因子的诱导和释放,诱导MHC 非限制性CTL 杀伤,共刺激B 细胞增殖和分化
IL-3 T 细胞、髓细胞系、单核细胞系 刺激早期祖细胞生长,支持前B 细胞系生长,支持肥大细胞生长
IL-4 T 细胞、肥大细胞 刺激胸腺细胞增殖和向CTL 分化,共刺激正常静息T 细胞增殖,促进TIL 生长,产生LAK 细胞活性和增加IL-2 诱导的LAK 细胞活性,支持肥大细胞生长,协同其他生长因子促进集落生长,诱导单核细胞的细胞毒效应.诱导B 细胞和单核细胞的MHC-II 抗原,活化B 细胞的生长因子,增加Fc受体的表达
IL-5 T 细胞 诱导T 细胞分化的共同因子,诱导T 和B 细胞上IL-2受体的表达,以及可溶性IL-2受体的释放,促进IL-2 介导的LAK 细胞活性,诱导嗜酸性粒细胞前体的增殖和分化,增加活化B 细胞的增殖
IL-6 T 细胞、单核-巨噬细胞、成纤维细胞 共刺激T 细胞增殖,促进IL-2 产生及CTL 分化,增加人NK 细胞、LAK 细胞的细胞毒效应,增加ADCC ,促进MHC-I 表达,协同其他生长因子促进集落生长,促进B 细胞分泌Ig,诱导B 细胞分化
IL-7 基质细胞 共刺激纯化的T 细胞增殖,诱导LAK 细胞活性,扩增抗肿瘤CTL ,诱导人单核细胞分泌细胞因子和杀伤肿瘤活性,支持B 细胞前体生长
IL-8 单核-巨噬细胞 诱导中性粒细胞、T 细胞、B 细胞及单核细胞的趋化作用,促进或抑制造血祖细胞的生长
IL-9 辅助性T 细胞(Th) 刺激抗原特异性辅助性T 细胞系及肥大细胞生长,支持红细胞集落形成,强化IL4 诱导B 细胞合成IgE
IL-10 T 细胞、B 细胞 刺激Th1 细胞的细胞因子合成抑制因子,抑制巨噬细胞活性和IFN-γ刺激NK 细胞生成,与IL-2 或IL-4 共刺激活化的T 细胞增殖,增加CTL 前体数量,扩增CTL 活性,刺激B 细胞增殖,增加未刺激的B 细胞上MHC-II 分子,与IL-3 或IL-4 共刺激肥大细胞系和前体生长
IL-11 基质细胞 无T 细胞或NK/LAK 细胞活性,协同IL-3 支持巨核细胞集落形成,支持巨噬细胞前体的增殖
IL-12 B 细胞、PHA 刺激的外周血淋巴细胞 刺激抗原激活的T 细胞(不依赖IL-2)增殖,协同IL-2 诱导CTL ,增强NK 细胞活性,刺激人外周血淋巴细胞分泌IFN-γ
IL-13 T 细胞 诱导CD40 配体激活的人B 细胞增殖和分化,诱导IgE 的合成,促进静息B 细胞上CD23/Fc εRII 和MHC-II 抗原的表达
IL-14 T 细胞 诱导活化B 细胞增殖,抑制Ig分泌,选择性扩增B 细胞
IL-15 黏附的外周血单个核细胞、上皮细胞和成纤维细胞系 刺激活化T 细胞的增殖,诱导LAK 细胞的产生,促进B 细胞的增殖与分化
IL-16 T 细胞 上调CD4 + T 细胞的IL-2受体和HLA-D 受体表达,增加嗜酸性粒细胞数量
IL-17 CD4+T细胞 诱导IL-6、lL-8及G-CSF 分泌增加,促进ICAM-1 表达
IL-18 单核-巨噬细胞 诱生IFN,刺激T 细胞增殖,促进脾的NK 细胞活性,诱导G-CSF 产生,抑制IL-10 产生,激活NK 细胞
IL-19 B 细胞、单核细胞 对抗原呈递细胞具有调节和促增殖作用
IL-20 皮肤、气管组织 促进角质形成细胞的增生、分化及角蛋白的表达
IL-21 T 细胞 促进骨髓NK 细胞增殖与分化,协同刺激T 细胞和B 细胞增殖
IL-22 T 细胞 活化多种细胞系的stat 1 、3、5
IL-23 B 细胞 活化PHR 激活T 细胞中的stat4 ,刺激PHR 激活T 细胞的IFN-α 生成和增殖
IL-24 单个核细胞、黑色素细胞 活化stat3 信号转导途径,促进肿瘤细胞凋亡
IL-25 活化的记忆T 细胞 诱导Th2 细胞产生,刺激Th2细胞功能,参与速发型变态反应
IL-26 T 细胞 具有IL-10 相似的生物学活性,与自身免疫性疾病相关
IL-27 抗原呈递细胞活化早期 选择性诱导初始T 细胞的增殖,协同刺激T 细胞IFN-γ产生
IL-28 外周血单个核细胞、树突状细胞 与相应受体结合发挥抗病毒感染作用
IL-29 外周血单个核细胞、树突状细胞 与相应受体结合发挥抗病毒感染作用

( 2 ) IL-2

IL-2 又名T 细胞生长因子(TCGF ) ,是单个核细胞或T 细胞系(主要是Th 细胞)在致分裂原或同种抗原刺激下产生。人IL-2为含133 个氨基酸残基的糖蛋白,分子量为15 420 。IL-2具有多种生物学功能,在免疫调节中起中心作用:① 刺激活化的T 细胞生长和分化,增强T细胞的杀伤活性;② 刺激B 细胞的增殖和产生免疫球蛋日,促进B 细胞表达IL-2 受体;③ 刺激单核-巨噬细胞的细胞毒活性、④ 促进NK 细胞增殖,增强NK 细胞的杀伤活性;⑤ 是扩增和激活LAK 细胞和TIL 的必需因子;⑥ 对少突神经胶质细胞也有刺激增生和促进分泌细胞因子的作用。因此,IL-2 通过激活CTL 、巨噬细胞、NK 细胞、LAK 细胞和TIL 的细胞毒作用及诱导效应细胞分泌TNF 等细胞因子而杀伤肿瘤细胞,也可能通过刺激抗体的生成而发挥抗肿瘤作用[4]。

自Roenberg 首先报道IL-2 用于治疗各种常规治疗无效的晚期肿瘤以来,IL-2已在国内外广泛用于治疗肿瘤。临床资料表明,单独应用IL-2或与免疫活性细胞过继输注联合应用,对部分肿瘤有较明显疗效。全身性单独大剂量IL-2 治疗恶性黑色素瘤和肾细胞癌效果较好,有效率达20 %左右,而对大多数免疫原性弱的肿瘤则疗效有限[6]。

IL-2对肿瘤细胞无直接的抗肿瘤作用。为了提高疗效,目前多主张局部应用IL-2,不仅疗效较为显著,而且所需剂量降低,毒副作用减轻[7]。特别是小剂量瘤内注射,刺激特异性免疫反应,是有希望的治疗手段[7,8]。例如,淋巴管周围注射IL-2 治疗头颈部肿瘤、胸腔内注射治疗原发性肺癌和恶性胸腔积液,肝动脉内灌注治疗肝癌等。此外,IL-2与LAK 细胞或TIL 联合过继免疫治疗,或与化疗药物或其他细胞因子如TNF-α、IFN-γ、IL-4 等的联合应用,可进一步提高抗肿瘤疗效。

( 3 )其他抗肿瘤的白细胞介素

目前所知较多的具有抗肿瘤作用的白细胞介素有IL-4、IL-6 和IL-12 [4,9,10,11]。

1 )IL-4 原名B 细胞生长因子(BCGF )和B 细胞刺激因子(BSF )。IL-4刺激抗原特异性T 细胞(包括TIL ) ,增加非MHC 限制的活性杀伤细胞,增强抗体依赖的细胞毒作用,激活其他免疫效应细胞,抑制肿瘤细胞的增生。IL-4 当与IL-2同时给予时可抑制NK/LAK 细胞的活性,但当用于IL-2 治疗前后则可诱导LAK 细胞的活性。体外研究证明,IL-4能直接抑制黑色素瘤、B 细胞淋巴瘤、骨髓瘤、乳腺癌、肾细胞癌、神经胶质细胞瘤等细胞株的生长。

2 ) IL-6 又名B 细胞分化因子(BCDF )和B 细胞刺激因子2 ( BCSF-2)。IL-6对不同的肿瘤具有不同的作用。实验研究证实,IL-6抑制肿瘤的生长,其作用机制与CD4 +和CD8+T 细胞有关。IL-6可促进肿瘤特异性CTL 的生成,还通过改变血管生成影响肿瘤的生长。IL-6在临床上用于抗肿瘤治疗和促进血小板生成。

3 ) IL-12 又称自然杀伤细胞刺激因子(NKSF ) 和细胞毒性淋巴细胞成熟因子(CTMF )。IL-12 能促进细胞介导的免疫应答能力,包括增强NK 细胞毒活性、扩增CTL 细胞、激活巨噬细胞,因而在抗肿瘤免疫中发挥重要作用。动物实验表明,IL-12 全身应用或瘤内注射,对多种肿瘤模型都具有抗增殖和抗转移作用。其抗肿瘤作用主要与激活T 细胞有关,可增强NK细胞的杀伤活性和TIL 的细胞毒作用,还通过IFN-γ作用间接抑制肿瘤血管的生成,与其他抗血管生成药物联合应用则效果更好,其毒性又远比IL-2 为小。IL-12 作为具有临床应用前景的抗肿瘤细胞因子而成为当今抗肿瘤研究的热点之一。

干扰素

( l )生物学特性[12, 13]

干扰素(interferon , IFN )是由细胞对病毒感染或双链RNA 、抗原、丝裂原的刺激起反应而诱导产生的一组蛋白,主要由IFN-α、IFN-β 、IFN-γ 三类分子及其亚型组成,其有广泛的调节作用,其生物活性主要有诱导细胞抗病毒、调节免疫系统和细胞生长分化等作用(表2 )。

表2. IFN 的分类及生物学特性

生物学特性 IFN-α IFN-β IFN-γ
主要产生细胞 白细胞、巨噬细胞 成纤维细胞、上皮细胞 T 细胞、NK 细胞
主要诱生物 病毒 病毒 抗原或丝裂原
基因结构
染色体部位 9 9 12
基因数 26 1 1
内含子 3
分子量 18000~22000 20000 20000
氨基酸数 165~166 166 143
抗病毒活性
免疫调节活性

( 2 )抗肿瘤机制[13]

IFN 具有较强的抗肿瘤作用,其抗癌途径与多种因素有关,如IFN 的类型及剂量、肿瘤类型、宿主状况等。IFN 的作用机制多种多样,对肿瘤细胞的直接作用表现为:① 减缓细胞增殖速度,抑制鸟氨酸脱羧酶的合成,从而减少多巴胺的生物合成,并通过调控原癌基因的表达影响细胞生长调节的途径,抑制细胞的DNA 合成和分化。② 细胞毒作用,直接杀伤癌细胞。③ 促进细胞分化,诱导肿瘤细胞向正常分化。④ 改变肿瘤细胞表面性质,增加MHC-I 和II 抗原在肿瘤细胞的表达等。其对肿瘤细胞的间接作用表现为活化单核-巨噬细胞、活化T 细胞和NK 细胞、凋控抗体生成等。

IFN 是最早用于癌症治疗的细胞因子。实验研究表明,人IFN 能有效抑制异种移植的人类肿瘤,但多数只能使病情稳定,延长荷瘤动物存活期,很少能达到肿瘤消退。临床应用研究表明,IFN 是一种重要的抗病毒、抗肿瘤治疗药物,其抗肿瘤疗效与IFN 和肿瘤的类型有关。3 种IFN 中,以IFN-α使用最多。目前,美国和其他国家批准的临床应用指征,包括毛细胞性白血病尖锐湿疣卡波西肉瘤丙型肝炎慢性肉芽肿、慢性乙型肝炎皮肤T 细胞淋巴瘤慢性粒细胞白血病肾细胞癌恶性黑色素瘤多发性骨髓瘤喉乳头状瘤非霍奇金淋巴瘤类癌14 种疾病。

临床应用表明,IFN-α对部分肿瘤具有确切的疗效,尤在肿瘤负荷较小时作用更为明显。目前多主张IFN-α长期低剂量应用,瘤内或区域内给药,并与放疗、化疗联合应用。日本报道对侵犯门静脉主干的晚期肝细胞癌患者予以2-6 个周期的5-氟尿嘧啶经肝动脉持续灌注及IFN-α皮下注射的联合治疗方案,其有效率达63 % ,且不良反应较少[14] 。

鉴于干扰素能有效降低乙型肝炎病毒丙型肝炎病毒所致肝癌发生率,笔者对10 例肝癌根治性切除患者采用术后联合应用IFN-α和经肝动脉化疗栓塞,以观察其预防术后复发的价值。患者于术后2- 8 周经肝动脉导管行栓塞化疗,皮下注射IFN-α,维持12 周。随访1 年以上,所有患者均未见肝内复发[15]。进一步将236 例HBV 相关的肝细胞肝癌根治术后患者随机分为治疗组和对照组。治疗组术后应用IFN-α 18个月;中位生存期63 . 8 个月;而对照组为38 . 8 个月,中位无瘤生存期分别为31 . 2 个月和17 . 7 个月。提示干扰素可延缓肝癌的复发,改善患者的生存期[16]。

肿瘤坏死因子

肿瘤坏死因子(TNF),包括TNF-α 和TNF-β 两种。TNF- α(又名恶病质素,cachcctin )目前常用TNF 名称,由激活的单核-巨噬细胞产生;TNF-β(又名淋巴毒素,lymphtoxin , LT )由激活的T 细胞产生。TNF 是一种多功能蛋白,具有抗肿瘤、调节免疫效应细胞、调节机体代谢、诱导细胞分化、刺激细胞生长、诱导细胞抗病毒等多种生物学活性。TNF 通过巨噬细胞、NK 细胞、CTL 和LAK 细胞的细胞毒作用对肿瘤细胞杀伤或抑制其增殖,引起肿瘤坏死、体积缩小乃至消退;也可通过阻断肿瘤的血液供应、促进宿主炎症反应、刺激产生肿瘤特异性细胞毒抗体等途径间接作用。然而,TNF 也可参与恶病质的形成,促进肿瘤细胞有丝分裂,促使肿瘤细胞抵抗TNF 的细胞毒活性,通过破骨作用促进肿瘤播散。因此,在制订治疗方案时应全面考虑TNF 对肿瘤生长的有利与不利作用[4]。

临床上采用不同方案和途径治疗肿瘤的I 、II 期结果表明,各种全身应用TNF (静脉内一次性注射、短期静滴或连日持续滴注)疗效很差,且毒副作用明显。而局部注射或瘤体内直接注射则疗效较好(尤其是皮肤恶性肿瘤、黑色素瘤卡波西肉瘤),且毒副作用较轻,患者易于耐受。近年来,TNF 常与其他细胞因子(IFN-α、IL-2 )或化疗药物联合应用,采用外源性TNF 局部治疗合并内源性TNF 诱生剂( OK432、IFN-γ)疗效尤佳,部分对放疗和化疗产生耐受的晚期肿瘤消退,全身状况改善。此外,TNF 分子结构的改造可明显降低毒性,增强抗肿瘤作用[12,13]。

集落刺激因子

集落刺激因子( CSF )是一类调节血细胞生成的高度特异蛋白质,包括粒细胞CSF ( G-CSF )、巨噬细胞CSF ( M-CSF )、粒巨细胞CSF ( CM-CSF )和多能CSF ( multi-CSF ,即IL-3 ) ,还包括红细胞生成素( erythropoietin,EPO )和血小板生成素(thrombopoietin , TPO )等,近年又克隆了造血干细胞生长因子( SCF )和巨核细胞CSF ( Meg-CSF )基因。

CSF 具有多方面的功能:诱生TNF-α、IFN-α。及其他CSF 的分泌,刺激c-fos和c-myc癌基因的表达,协同其他细胞因子的作用,但其主要功能是对造血细胞的作用。CSF对造血细胞具有刺激增殖、诱导分化、增强成熟细胞功能和维持成活等作用。但不同的CSF 其作用的细胞不同。G-CSF 主要刺激中性粒细胞的增殖和成熟,M-CSF 主要刺激产生巨噬细胞,IL-3 和GM-CSF 则能刺激多种不同的造血细胞系。

根据CSF 的功能,CSF 主要用于抗肿瘤治疗中减轻肿瘤放疗和化疗的毒副作用。长期或大剂量放疗、化疗常导致粒细胞和血小板减少,重者可致严重感染和弥散性出血,甚至死亡。临床应用表明,C-CSF 或CM-CSF 能迅速提高粒细胞数,帮助骨髓从放疗、化疗引起的抑制状态中得到恢复并增强抗感染能力。CSF 在放疗、化疗前应用可使处于S / G2+M 期的造血细胞进入G2 期,避免和减轻造血细胞的损伤,还能诱导造血细胞表达耐药基因及其产物,从而提高机体对放化疗的耐受性。

转化生长因子-β

转化生长因子-β ( TCF-β)是具有生长抑制活性的生长因子,与其结构相关的多肽组成一个调控蛋白的家族,包括TGF-β1、TGF- β2时、TGF- β1β2、TGF- β3及抑制素等组成。TGF-β 对细胞的增殖、生长和分化具有多种调节功能,主要参与细胞的发育过程、调节免疫反应、对损伤和应激的反应及组织修复,其作用是可逆的。TGF- β系统的紊乱(包括TGF- β的基因缺失或突变、异常产生或释放、受体缺乏、应答缺陷、激活障碍等)可能参与肿瘤的形成。[4,9]

主要参考文献

现代肿瘤学(第三版),30章,肿瘤的生物治疗,汤钊猷主编,复旦大学出版社,ISBN: 9787309080964, 2011年7月1日出版。

《肿瘤学》,郝希山,魏于全主编,人民卫生出版社,2010年8月

其他参考文献

[2] 韩焕兴,李荣,罗荣城等。肿瘤生物治疗学概论,见:罗荣城,韩焕兴主编肿瘤生物治疗学,北京人民卫生出版社,2006:3-12.

[4] 张军一,宋海珠,席著乐,等。肿瘤细胞因子疗法,见罗荣城,韩焕兴主编.肿瘤生物治疗学北京人民卫生出版社.2006: 107-156.

[8] 刘新垣,自细胞介素-2研究:从基础到临床。中国肿瘤生物治疗杂志.1995,2:165-174 。

[9]高艳芳,张晓实,细胞因子和免疫效应细胞治疗,见姜文奇,张晓实,米孝峰等主编:肿瘤生物治疗学,广州,广东科学技木出版社,2006:161-189

[15]邱双健,叶胜龙,汤钊猷等。干扰素联合肝动脉栓塞化疗预防肝细胞癌根治性切除术后复发的初步观察。肝脏,2000, 5:20-22.