Tümör Mikroçevresi ve İmmünoterapilere Yanıt

Bilim felsefesi ve bilim tarihinin en önemli filozoflarından biri olan Thomas Kuhn’un 1962 yılında yayımladığı ‘’ Bilimsel Devrimlerin Yapısı’’ adlı kitabında, bilimsel bilginin sıçramalarla ilerlediği tezini açıklamak üzere ilk kez ortaya attığı ‘’Paradigma ve paradigma kayması’’ kavramlarını, son 20 yılda tanık olduğumuz temel bilim ve translasyonel bilim alanındaki sıra dışı gelişmeler güçlü biçimde desteklemektedir. Bilim devriminin miladı kabul edilen "İnsan Genom Projesi’", National Institutes of Health (NIH) tarafından başlatıldı ve onun koordinatörlüğünde 14 yıllık bir çalışmanın sonunda 2001 yılında tamamlandı. Bu projenin tamamlanması, ultrasensitive moleküler araçların, Next-generation DNA sequencing (NGS) ve Droplet Digital PCR (ddPCR) gibi, geliştirilmesine ilham kaynağı oldu, kanser hücresinin nükleik asit dizileme işlemini hızlandırdı, kanserin subtiplerini daha ayrıntılı anlamamızı sağladı ve maliyetin ciddi anlamda düşmesini yol açtı. Ultrasensitif moleküler metotlarla nükleik asit moleküllerinin mutlak kantitasyonu sağlandı ve kanserli hastada progresyonun, nüksün ve yanıtın daha doğru izlenmesi başarıldı. 2011 yılından itibaren kanser genom ve transkriptom dizileme analizleri klinik onkoloji pratiğinde kullanılmaya başlandı. NGS teknolojisi kullanılarak tamamlanan ‘’kanser genom atlası’’ (TCGA) projesi, kanser sürücü (driver) genlerini ve mutasyonlarını en kapsamlı araştıran çalışma olup kanserle ilgili hücresel biyolojik süreçlerin keşfini ve karakterizasyonu hedefleyen birçok biyoinformatik algoritmanın geliştirilmesine önemli katkıda bulundu. 

Bugün içinde olduğumuz hassas (precision) onkoloji döneminde, translasyonel onkoloji pratiğinde iki paradigma değişikliğini gözlüyoruz: ilki kanser biyolojisi kavramından, kanser hücresi-merkezli tümör biyolojisinden ziyade tümör mikroçevre (TME)-merkezli tümör biyolojisini anlıyoruz; ikincisi, kanser tedavisinde, tümörü doğrudan hedefleyen yaklaşımların, kemoterapi ve radyoterapi gibi, yerini konağın immün yanıtını modüle eden antikor-temelli immünoterapilerin almaya başladığını gözlüyoruz. Tümörler, kendi büyümelerini desteklemek ve immün taramadan kaçışı teşvik etmek için protümöral ve immünosüpressif bir mikro çevre oluştururlar. Tümör mikro çevre, kanser hücreleri, stromal hücreler ve soluble moleküllerden oluşan oldukça dinamik, ve kompleks bir ekosistemdir. Stroma, myeloid-kökenli süpresör hücreler (MDSCs), kanser-ilişkili fibroblastlar (CAFs), tümör-ilişkili makrofajlar (TAMs), tümör-ilişkili nötrofiller (NATs), regülatör T hücreleri (Treg), immün hücreler- CD4⁺ T hücreler, CD8⁺ T hücreler, dendritik hücreler, monositler, makrofajlar, NK hücreler, ve soluble moleküller-sitokinler, kemokinler, büyüme faktörleri, immune checkpoint molekülleri (PD-1, PD-L1, CTLA-4)’nden oluşmaktadır.

Tümör mikroçevre, gerek tümör hücresinin biyolojik davranışının belirlenmesinde, gerekse immünoterapilere yanıtta kritik bir rol oynamaktadır. Günümüzde, yeni teknolojik gelişmeler, yüksek-rezolüsyon sc- RNA dizileme, akım sitometresi ve multiplex immunofluorance ve intravital mikroskop gibi, mikro çevrenin immün hücre kompozisyonu, fonksiyonları ve lokalizasyonları hakkında çok önemli bilgiler sağladı. İmmün infiltratın karakteri ve kalitesi ile ilgili yüksek-rezolüsyon verileri immün checkpoint inhibitörlerine (ICIs) yanıtın iyileştirilmesinde ve yeni moleküler hedefli tedavilerin geliştirilmesinde önemli bir basamaktır. CIBERSORT ve XCell teknikleri gen ifadeleri verilerini kullanarak intratümöral immün infiltratın yoğunluğu, hücresel kompozisyonu ve heterojenitesi ve zonal dağılımı hakkında kapsamlı bilgi sağlayabilir. Solid tümörlerde, özellikle hepatosellüler karsinoma (HCC) ve pankreas duktal adeno karsinoması (PDAC)’ında, tümör mikro çevre oldukça immünosüpressif ve pro-tümöral karakterdedir. 

Tümörün genotipi ve fenotipi tümör mikro çevresini şekillendirir. Mikro çevrenin oluşmasında, onkogenler ve aberant sinyal yolakları (BRAF V600E mutasyonu, Wnt/b catenin sinyal yolağı, Kras mutasyonu gibi) sitokinlerin ve kemokinlerin yapımını aktive ederek kilit rol oynar. Ayrıca, kanserin mutasyon yükü, mikroçevrenin immün hücre kompozisyonunu ve karakterini etkiler. DNA mismatch onarım defektleri (MMRd), yüksek mutasyon yükü ve neoantijen seviyesi, yoğun CD8⁺ T hücre infiltrasyonu ve immünoterapi tedavisine yüksek yanıt oranlarıyla birliktedir. Mikro çevrede yüksek seviyede TANs infiltrasyonunun varlığı, tümör büyümesi, lenf nodu metastazı ve kötü prognozla birliktedir. TAN’lar, aynı zamanda kanser hücrelerini etkileyen birçok immunoregulator ve anjiojenik faktör secrete ederler. TAN’ların birikmesini, göçünü ve aktivasyonu değiştirmek tedavi stratejisi olabilir. CAF’lar, tümör hücresinin büyümesinde ve metastazında önemli aktördür, kardiyotrofin-benzeri faktör 1 sekrete ederek nötrofillerin birikmesine aracılık eder. Bu hücreler peritumoral dokuda da bulunabilir. Monositler, kanserde ikili bir aktivasyon sergileyebilirler; erken evrede mikro çevrede biriken monositler tümör hücrelerini öldürürken, aynı hastada ileri evrede, CD14⁺ monositler antitumor aktivitelerini kaybeder ve PD-L1/2 ifadesini arttırırlar. PD-L1/2⁺ CD14⁺ monositli hastalarda, bu monosit IL-10 ve CCL1 gibi immün süpressif sitokinler ifade etmektedirler, toplam sağkalım, CD14⁺ hastalara göre daha kısadır.  Makrofajlar, birçok solid tümörde, özellikle HCC’de, TME’nin temel hücreleridir ve birçok tümör-promoting role sahiptir, immün süpresyon, metastaz, anjiogenez, ilaç direnci gibi. Birçok çalışma, yüksek seviyede TAM infiltrasyonunun, özellikle peritumoral bölgede, kötü prognozla birlikte olduğunu ortaya koymuştur. 

İmmunolojik temelde, tümörler ‘’sıcak’’ ve ‘’soğuk’’ tümörler olmak üzere iki başlık altında toplanabilir. Sıcak tümörler, yüksek seviyede PD-1 ifade eden tümör hücreleri ve myeloid hücrelerle karakterizedir. Ayrıca, sıcak tümörlerde Grzb, IFNg ve PD-1 ifade eden, abartılı aktif sitotoksik T hücreleri (CTL)’nin yüksek yoğunlukta infiltrasyonu söz konusudur. Bazı alt gruplarda, yüksek neoantijen seviyesi ile birlikte MMRd (MSI-H) saptanabilir. Sıcak tümörlü hastalarda immün checkpoint inhibitörlerine yanıt genellikle yüksek orandadır. Soğuk tümörlerde, CTL’ler tümör periferinde infiltredir, tümör çekirdeğinde CTL infiltrasyonu yoktur. Ly6C^ıo F4/80^hi TAM’lar CTL’lerin tümör merkezine infiltrasyonunu engeller. Soğuk tümörler, zayıf immunojenik kanserler olup immün checkpoint inhibitörlerine yanıt oldukça düşüktür. Bu tümörler, ‘’immün çöl’’ tümörler olarak da tanımlanmaktadır. Antitümör yanıtta birçok faktör fol oynamaktadır; CMS1 kolorektal kanserlerde, MMRd, MSI-H veya hipermutasyon özelliklerinin yanısıra yüksek seviyede CTL ve T_H 1 infiltrasyonunun varlığı anti-tümor immün yanıtı gösterir, ancak bu yanıt tümör mikroçevrede immunosüpressif hücrelerin bulunması, pro-tümör sitokinlerin sekresyonu ve immün checkpoint proteinlerinin (PD-1, PD-L1, CTLA-4) ifadeleriyle hafifletilmektedir. Yüksek mutasyon yükü, yüksek yoğunlukta CTL ve T_H 1 infiltrasyonu birçok T hücre klonları tolerans kırıldıktan sonra anti-tümör potansiyel haline gelir.

Tümör dokusuna infiltre ve periferik CD8⁺ T hücreler, malign hücreleri güçlü biçimde elemine etme potansiyeline sahiptir. Kanserde, antijenik uyarı sonucu naif CD8⁺ T hücreleri aktive olur, ardından inflamatuvar sitokin yapan ve sitolitik granül sekrete eden efektör hücreye diferansiye olur. Ancak, kronik antijen stimülasyonu, tümör mikroçevrede infiltre CD8⁺ T hücrelerde yorgunluğa (exhaustion) yol açar. Yorgun CD8⁺ T hücreler efektör ve proliferative potansiyellerini progressif olarak kaybeder, immune checkpoint reseptörlerini sürekli olarak ifade eder ve epigenetic ve transkipsiyonel olarak farklı bir fenotipe dönüşür. Yorgun CD8⁺ T hücreleri değişik derecede fonksiyon defekti olan fenotipik olarak heterojen bir hücre populasyonunu oluşturur. Progenitor yorgun CD8⁺ T hücreler, düşük seviyede immün checkpoint molekülleri ve kemokin reseptör CXCR5 ifade ederler, orta derecede proliferasyon potansiyeline sahiptirler ve anti-PD-1 tedavilere efektör CD8⁺ T hücre gibi yanıt verirler. Terminal yorgun CD8⁺ T hücreler ise yüksek sitotoksik fonksiyon gösterirler, yüksek seviyede PD-1, Tim3 ve diğer inhibitor reseptörleri ifade ederler, ancak, çok düşük seviyede yada hiç efektör sitokin yapmazlar. Terminal yorgun CD8⁺ T hücrelerin  proliferasyon potansiyelleri kaybolmuştur. Efektör CD8⁺ T hücrenin terminal yorgun CD8⁺ T hücreye geçişi, hücrenin, şekillenen kromatin değişikliği sonucu transkripsiyon potansiyelini kaybetmesi ile gerçekleşir. 

İmmunoterapi: Yanıtı Optimize Etmek

İmmünoterapiler, CAR-T hücre immunoterapi, immune checkpoint inhibitörleri ve onkolitik virüs immunoterapisi olmak üzere 3 başlık altında toplanabilir. Onkolitik virüs, selektif olarak tümör hücresi içinde replike olur, lizise ve immünolojik olarak ölümüne yol açar. Parçalanan kanser hücresinden tümör-kökenli antijenler salınır ve sistemik anti-tümör yanıt stimüle olur. Pro-inflamatuvar sitokin ifade eden ve immün hücrelerin birikmesini teşvik eden tasarlanmış onkolitik virüsler geliştirilmektedir. CAR-T hücre immunoterapide, kanserli hastadan elde edilen immün hücreler, genetik olarak kanser hücresini tanıyan ve savaşan hücrelere modifiye edilir. Tedavi bazı lösemili hastalarda oldukça etkin olmasına ragmen hastaların yalnızca yarısında çalışmaktadır ve yanıtsızlığın temel nedeni CAR-T hücrelerin premature disfonksiyonudur. Kanserde, antijenik stimülasyondan sonra, naif CD8⁺ T hücreler efektör CD8⁺ T hücrelere diferansiye olur ve efektör hücrelerin büyük çoğunluğu kısa-ömürlü efektör hücrelerdir, fakat küçük bir fraksiyon, uzun-ömürlü santral memory hücrelerden oluşur. CD8⁺ T hücreleri, güçlü sitotoksik doğaları nedeniyle kanser tedavisinde birkaç immün-temelli immunoterapilerde uygulandı. Ne yazık ki, transfer edilen hücrelerin kendilerini yenileme ve proliferasyon potansiyelleri düşük olduğundan tedavinin etkinliği kısa süreli olmaktaydı. Kanser hücreleri ile immün hücreler oldukça benzer bir metabolizmaya sahiptirler. Bir grup İsviçreli araştırmacı, spesifik bir metabolik mekanizma (redüktif karboksilasyon)’yı inhibe ederek CAR-T hücrelerin anti-tümör aktivitesini ve sağkalımlarını iyileştirdiler. Bu buluşun, CAR-T hücre immünoterapisinde çok önemli bir sıçrama olduğunu söyleyebiliriz. Redüktif karboksilasyon, oksijen yokluğunda gelişen bir süreç olup bu süreçsiz hücreler uzun süre diferansiye olamaz ve anti-tümör fonksiyonlarını daha uzun sürdürürler.

ICI’leri, günümüzde klinik onkoloji pratiğinde umutları çok yükseltti ve yaygın olarak kullanılmaya başlanıldı. İmmün checkpoint molekülleri (PD-1, PD-L1, CTLA-4 gibi) immün hücrelerin ve kanser hücrelerinin yüzeyinde bulunan inhibitör proteinleridr. Bu moleküller, T hücreleri, sağlıklı hücrelerin atağından korur. T hücreleri kanser hücrelerine bağlandığında bu moleküller immün sistemi frenleyerek immün atakları yavaşlatabilir. İmmün checpoint molekülleri frenleri serbest bırakarak T hücrelerin kanser hücreleri ile savaşmasına devam etmelerini sağlamaktadır. Tıpkı CAR-T immünoterapi gibi günümüzde mevcut ICI’leri sadece sınırlı bir hasta populasyonununda etkindir. Birçok hasta, ICI’lerine karşı doğal yada kazanılmış dirence sahiptir. Birçok hastada, immünoterapiye yanıt alınıp remisyon sağlansa da bu hastaların büyük çoğunluğunda kanser, sonunda tedaviye direnç geliştirir. Kanserde immünoterapiye direncin temel mekanizması immunosüpressif mikroçevredir. Sıcak ve soğuk tümör kavramlarının tedaviye yanıt/direnç bağlamında anlamlarına daha önce değinilmişti. Yanıt oranını yükseltmek amacıyla, soğuk tümörü sıcak tümöre dönüştürmenin, tümör mikroçevrede infiltre T hücre sayısını arttırarak, çalışmalarını gözlüyoruz. Kanser hücresinin stromal hücrelerle, özellikle immün hücrelerle etkileşimi tedaviye yanıtın temel dinamiğidir. İmmün checkpoint molekül ifadesi yüksek tümörler immün checkpoint inhibitörlerine yüksek oranda yanıt verirler. Kemokinler, kanserin erken evresinde kanser hücresinin büyümesini yavaşlatabilir ve kanser hücresinin öldürülmesine yardımcı olabilir, ancak kanser hücresi kemokinleri kanser yardımcısına dönüştürebilir. Böylece kemokinler, mikroçevrede immün hücrelerin aktivasyonunu ve infiltrasyonunu engelleyebilir. Günümüzde, tedaviye yanıt oranını yükseltmek amacıyla, anti-tümör kemokinlerin immünoterapilerle kombinasyonunun etkinliğini araştıran çalışmalar vardır. 

İmmünoterapilerin büyük çoğunluğu T hücreleri kapsamaktadır, acaba kanser hücresinin öldürülmesinde diğer immün hücreler genetik olarak tasarlanabilir mi? Makrofajlar, soğuk tümörlerde, mikroçevreye infiltre edilebilir. CAR-modifiye makrofajlar (CAR-Ms), antijen-spesifik tümör fagositozunu gerçekleştirir, pro-inflamatuvar bir mikroçevrenin oluşturulmasını teşvik eder, ve anti-tümör T hücre aktivasyonunu engeller. Bilim insanları, ne kadar bilgi sahibi olursa olsun, veya yeni biyoterapötik geliştirirlerse geliştirsinler, yanıt için tedavinin doğru hedefe ulaşması şarttır. Nano partiküller bu amaçla kullanılabilir. Nano partikül temelli tedavilerin bazı kanserlerde çalıştığı ortaya konulmuştur. PLK1 inhibitörü ve ICI kombinasyonunun nanopartikülle uygulandığında tümör progresyonunda önemli derecede bir yavaşlamanın olduğu gözlenmiştir. Diğer moleküller, mRNA gibi, nanopartikül-temelli immünoterapilerle hedefe ulaştırılabilir. Günümüzde, immunoterapi alanında yapılan araştırmalar, biyomoleküller ve bloker’ları, immün-sistem hücreleri ve ilaç direncine odaklandı, fakat biyolojinin diğer yönlerinin bu tedavilerin yararını etkileme potansiyelleri olabilir. İmmün hücreler üzerinde etkileri dikkate alındığında, stress ve eksersiz gibi davranışsal faktörlerin immünoterapiye yanıtı etkileyebileceği düşünülebilir. Stress yönetiminin ve eksersizin geleneksel kemoterapi ve immunoterapiye yanıt üzerine etkileri araştırılmaktadır. 

29 Ekim 2023 tarihinde, Cumhuriyetimizin 100. Yıldönümünü büyük bir coşku, heyecan ve gururla kutlayacağız. Türkiye Cumhuriyeti Devleti’ni bizlere armağan eden başta büyük önder Gazi Mustafa Kemal Atatürk olmak üzere, Kurtuluş Savaşı’mızın tüm komutanlarını ve aziz şehitlerimizi, ve Kuvayi Milliye ruhunun tüm kahramanlarını derin bir saygı ve şükran duygularımla selamlıyorum. Gelişmiş, modern ve ahlaklı bir toplum olabilmenin temel dinamiğinin bilimsel ve yenilikçi bilgi üretmek olduğuna inanan bir akademisyen olarak, Cumhuriyet’in dil, sanat ve kültür, bilim, sanayi, tarım ve sağlık alanlarında attığı adımların önemini bugün çok daha net anlayabiliyorum. Bu makalede, evrensel bilimin oldukça sıcak, yükselen ve tüm insanlığı ilgilendiren bir konuda en son bilgileri ve buluşları sizlerle paylaştık, bugün beklentimiz benzer bilgi ve buluşlara ülkemiz akademisyenlerinden de katkı olması, yeni bilgiler ve buluşlarda, yüksek etki faktörü olan dergilerde çalışmalarının yayımlanmasıdır. Bu hedef gerçekleşmedikçe Cumhuriyetin 100. Yılı hedeflerine ulaşılamamış olarak kutlanacak. Beklentimiz, hedefimiz, Türkiye Cumhuriyeti’nin muasır medeniyetler seviyesine erişmesidir ki bu da ancak bilimsel bilgi üretiminde sergilenen yüksek performanlar ile sağlanabilir. Cumhuriyetimizin 2. Yüzyılı bunu sağlayamamış olmanın mahcubiyeti ama sağlamaya çalışma isteği ve başarma azmi ile geçsin diliyoruz.

Bahçeşehir Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Gastroenteroloji ve Hepatoloji Bilim Dalı, İstanbul

KAYNAKLAR

1. Miller BC, Sen DR, Abosy RAI, Bi K, Virkud YV, LaFleur MW, et al. Subsets of exhausted CD8⁺ T cells differentially mediate tumor control and response to checkpoint blockade. Nature Immunol 2019;20: 326-339.
2. Wescott PMK, Muyas F, Hauck H, Smith OC, Sacks NJ, Ely ZA, et al. Mismatch repair deficiency is not sufficient to elicit tumor immunogenicity. Nature genetics 2023;55: 1886-2012.
3. Soliman H, Hogue D, Han H, Mooney B, Costa R, Lee MC, et al. Oncolytic T-VEC virotherapy plus neoadjuvant chemotherapy in nonmetastatic triple-negative breast cancer: a phase 2 trial. Nature Med 2023;29: 450-457.
4. Crowl JT, Heeg M, Ferry A, Milner JJ, Omilusik KD, Toma C, et al. Tissue-resident memory CD8⁺ T cells possess unique transcriptional, epigenetic and functional adaptations to different tissue environments. Nature Immunol 2022;23: 1121-1131.
5. Chan LL, Kung WC & Chan SL. Neoadjuvant immunotherapy for early-stage hepatocellular carcinoma: the arts and science. ESMO Gastrointestinal Oncology 2023;1:  15-20.
6. Li K, Tandurella JA, Gai J, et al. Mult-omic analyses of changes in the tumor microen vironment of pancreatic adenocarcinoma following neoadjuvant treatment with anti-PD-1 therapy. Cell Cancer 2022;40: 1374-1391.
7. Reda M, Ngamcherdtrakul W, Nelson MA, et al. Development of a nanoparticle-based immunotherapy targeting PD-L1 and PLK for lung cancer treatment. Nature Communications 2022;13: 4261-4278.
8. Rhodes F, Vignali PDA, Rittenhouse NL, et al. Tumor microenvironmental signals reshape chromatin landscapes to limit the functional potential of exhausted T cells. Science Immunol 2022;74: 9123.
9. Sartore-Bianchi A. Pietrantonio F, Leonardi S, et al. Circulating tumor DNA to guide rechallenge with panitumumab in metastatic colorectal vcarcinoma: the phase 2 CHRONOS trial. Nature Medicine 2022;28: 1612-1618.
10. Akkız H. Emerging role of cancer-associated fibroblasts in the progression and treatment of hepatocellular carcinoma. Int J Molecular Science 2023;24:1-20.