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免疫療法突破食道癌治療困境,有效降低復發率及轉移風險

careonline_96
・2022/09/20 ・1446字 ・閱讀時間約 3 分鐘

吃東西卡卡、長時間吞嚥困難,別以為改吃流質或容易下嚥的食物就好,小心可能罹患食道癌。

不易察覺,錯失早期治療契機

三軍總醫院胸腔外科主任、台灣胸腔暨心臟血管外科學會秘書長黃才旺表示,食道癌因早期症狀不明顯,求診患者中高達 6 成已是三四期 ,不僅較容易復發轉移、治療選擇也較為受限。所幸近年免疫療法傳來好消息,成為食道癌治療新利器,且使用在輔助性治療上,在無疾病存活率、降低癌症復發風險表現佳 ,成為患者治療的新選擇。

黃才旺主任指出,食道管腔大、具彈性,即使有腫瘤,也不容易早期察覺。加上不少患者忍功了得,即使吞嚥困難或感覺喉嚨卡卡不舒服,也情願改吃其他流質或容易吞嚥的食物,不太會主動就醫;另有部分民眾誤以為吞嚥困難是胃食道逆流或腸胃潰瘍性疾病所致,自行購買胃藥或服用保健品,因而錯失早期發現治療、及早安排根除性手術切除食道腫瘤的契機。

若食道癌邁入中晚期,因無法直接進行根除性手術,現行的治療方式是先做化放療,待腫瘤縮小後,再安排手術切除,治療難度提升外、預後表現普遍不佳。

「中晚期食道癌患者即使接受化學治療或放射線治療,之後再安排手術切除腫瘤,仍有超過五成以上病患在術後 1 至 2 年疾病復發 。」黃才旺主任解釋,食道癌治療成效不佳的主要原因跟病人身體及營養狀況、目前可使用的藥物有限、以及食道腫瘤的生長位置密切相關。

除了患者的身體太虛弱或合併有營養不良情形,都會影響食道癌的治療成效外;以往食道癌的治療藥物屈指可數、僅 2 至 3 種而已,且無有效標靶治療表現亦不佳,造成治療選擇受限。

治療突破——免疫療法帶來好消息

所幸近年來免疫療法在治療表現上傳來不少好消息,且可做為術後的輔助性治療。當患者術後發現有食道或淋巴結殘存腫瘤細胞的特定族群,透過免疫療法輔助性治療,有助下降腫瘤復發及轉移風險、復發率。

研究指出,統計患者整體存活中位數至少增加 10 個月。黃才旺主任分享臨床觀察,食道腫瘤的生長位置與週邊組織連結緊密者,通常癌友術後半年或一年就可能復發;但接受免疫治療的中晚期食道癌病友除了病情穩定控制中,也擁有較好的生活品質。

黃才旺主任提醒,食道癌的治療除了手術、放化療,也有新興的免疫療法,呼籲患者積極治療外;由於 50 到 70 歲中年男性是食道癌的高危險族群,若平時有抽菸、喝酒(尤其是烈酒)、嚼檳榔、吃太熱燙食物、醃漬食品等習慣的人,很容易好發食道癌。

民眾一旦出現吞嚥困難或聲音沙啞、摸到脖子腫塊、短時間體重驟降(3 個月減輕 5 至 10 公斤)等,若症狀持續 1 個月仍未緩解,最好儘速到大醫院的胸腔外科或腸胃科做進一步檢查,以確保安全。

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careonline_96
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宏觀影像技術用在微觀細胞上!——當天文學遇上腫瘤生物學
羅夏_96
・2021/07/13 ・4966字 ・閱讀時間約 10 分鐘

讓癌症專家頭痛不已的問題

Janis Taube 是約翰霍普金斯大學的病理學教授,她的主要工作是透過顯微鏡來觀察免疫細胞與腫瘤細胞間的交互作用,以此預測病人對於特定治療的反應。她會使用螢光染劑來標示特定的細胞或蛋白質,如此便能觀察細胞間的交互作用。不過她也遇到不少問題,首先,不同螢光染劑的訊號會疊加在一起,這會影響觀察結果。另外在觀察時,她通常是觀察同一平面上的細胞間交互作用,但細胞其實是處在三維空間,因此也要將三維空間中的交互作用考慮進去。

Headshot of Janis Marie Taube
約翰霍普金斯大學病理學教授 – Janis Taube。圖/John Hopkins University

如果你覺得這沒甚麼,但將這些問題放到有著數百萬細胞的組織樣本中,你就知道這問題的複雜程度了。要將彼此干擾的螢光訊號拼接成完整的影像,還要藉此判斷細胞在三維空間中的交互作用,這簡直讓 Taube 抓狂。雖然面對這個問題她無從下手,但約翰霍普金斯大學有另一批專家可是天天跟這類問題打交道。

Alexander Szalay 是約翰霍普金斯大學物理系、天文系和電腦科學系的教授,他同時也是「史隆數位巡天計畫」註1委員會的主席。他的團隊每天要進行的工作,就是將數百萬張由望遠鏡拍出,有著數十億天體的圖像拼接起來,並以此繪製出宇宙的 3D 圖像。講到這兒,你有沒有發現這和 Taube 的研究有甚麼相似之處?

Alexander S. Szalay
約翰霍普金斯大學天文系教授 – Alexander Szalay。圖/John Hopkins University

運用望遠鏡 (顯微鏡) 觀察有著不同特徵 (不同螢光訊號)眾多天體 (數百萬細胞),在天空中 (三維空間)位置與相互關係 (細胞間交互作用)

天文學與腫瘤生物學的研究方法和資料呈現的方式,其實可以相互借鑒。圖/參考資料 1

仔細來看,Taube 和 Szalay 要處理的影像問題其實是相似的。不過某種程度上,天文學面對的影像比腫瘤生物學更難處理。畢竟天體會隨著季節有所不同,而且望遠鏡還會受到氣候的干擾,但天文學家在有這麼多變因的情況下,仍成功繪製出宇宙的圖像。相較之下,處理不會動又沒有天氣干擾的組織切片,豈不手到擒來?

於是,一場宏觀與微觀、天文與腫瘤生物學的碰撞油然而生1。下面,讓我們一起了解這個跨領域的合作究竟是怎麼發生的吧~

免疫療法的效用與免疫螢光染色的瓶頸

故事的起源得先從 PD – 1 和 PD – L1 阻斷劑說起。自從科學家們發現人體內的 T 細胞會攻擊腫瘤細胞後,便開始研究如何活化 T 細胞去消滅腫瘤,不過腫瘤細胞也不笨。

T 細胞表面上有一個名叫 PD – 1 (Programmed cell death protein 1) 的蛋白質,該蛋白質的活化會抑制 T 細胞的活性,而這是身體調節 T 細胞活性的機制。畢竟 T 細胞的過度活化也會傷及身體其他部分,因此勢必要有一個能抑制其活性的機制存在,而這個機制,正好就被腫瘤細胞所利用。

腫瘤細胞為了避免被 T 細胞攻擊,會在其細胞表面上產生 PD – L1 (Programmed cell death 1 ligand 1) 這個蛋白質。PD – L1 與 T 細胞表面上的 PD – 1 結合後,會抑制T細胞的活性,藉此讓腫瘤細胞躲避 T 細胞的攻擊。

為了應對腫瘤細胞抑制 T 細胞的能力,科學家們便研製出 PD – 1 和 PD – L1 的阻斷劑,讓兩者不會結合,如此便能讓 T 細胞保持戰鬥力。而 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑也已成為美國 FDA 核准的免疫療法藥物,不過可惜的是,並非所有的癌症病患都適用這種療法,為什麼呢?

PD – 1 和 PD – L1 的作用與其抑制劑 (Anti PD – 1 / PD – L1 ) 的應用。圖/免疫療法:Anti PD-1和Anti PD-L1

前面提到,腫瘤細胞會藉由 PD – L1 抑制 T 細胞的活性。但如果今天病患的腫瘤細胞不會表現 PD – L1,那即便給病患 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑,也不會起到多大的作用。

另外,腫瘤組織會在人體內會形成複雜的腫瘤微環境註2,在這個微環境中,多種細胞會產生複雜的交互作用,這就讓 T 細胞在微環境中難以接觸到腫瘤細胞。此時就算給予 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑,若 T 細胞碰不到腫瘤細胞,也是英雄無用武之地。

因此,能快速判斷 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑是否對腫瘤有效的方法,就對病患的治療非常重要。如此不僅能節省醫療支出,也能讓病患及早改用其他有效的治療手段,增加他們的生存機率。

免疫組織化學染色法的應用與其挑戰

目前美國 FDA 認可判斷 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑是否有效的方式之一,是對病患的腫瘤組織使用免疫組織化學染色法 ( immunohistochemistry,IHC )註3,這個方法可以讓特定的蛋白質在組織切片中用染色法專一地呈現出來。因此藉由 IHC,便能判斷出該腫瘤組織是否會表現 PD – L1,另外也能觀察在給病患使用 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑後,T 細胞與腫瘤細胞的相互作用2

Figure 2
用於判斷 T 細胞是否會與腫瘤細胞作用的示意圖 ( 上 ) 和實際的 IHC 圖 ( 下 )。圖/參考資料 2 

IHC 看起是不錯的判斷方法,但其實仍有不少侷限性。

首先 IHC 需要染色,目前常用的是螢光染色劑。螢光染劑所產生的訊號夠強,利於研究人員判斷蛋白質是否有表現。但隨著使用的螢光顏色數量增加,這些訊號就相互疊加造成干擾。

另外,當研究人員放大觀察組織樣本時,螢光訊號的解析度會降低,這就讓研究人員難以判斷蛋白質的表現量和細胞的交互作用。接著是訊號呈現的問題,研究人員通常會盡量收集位在同一平面上的螢光訊號,這樣才能獲得清晰的視野,也才好比較訊號的強弱。但組織切片本身是三維空間,如果只選擇同一平面的螢光訊號,就會忽略細胞在其他維度的交互作用。

而當把上述的三個問題 (多種螢光的疊加干擾、放大後螢光訊號解析度降低、三維空間的螢光訊號) 放到有著數百萬細胞的組織切片上,問題就更棘手了。這樣的影像數據光是要彙整就是浩大工程,深入解讀更是困難。

https://www.biomol.com/media/image/4b/44/ff/IHC-multiplex01.jpg
多顏色螢光染劑在腫瘤組織切片的結果。圖/Overview of Multiplex Immunohistochemistry

天文與腫瘤生物學的碰撞 —— AstroPath 的誕生

雖然這些問題對生物學家來說是很大的挑戰,但正如開頭所說,這可難不倒天文學家。於是 2018 年,Taube 和 Szalay 兩個不同領域的專家一拍即合,開始以天文學的影像處理工具與方式為基礎,創造出一個可分析多因素組織切片影像的模型。而他們於次年 NIH 的數據科學系列研討會上,就講述如何利用描繪星系的技術來繪製腫瘤的微環境,並希望通過這種方法了解腫瘤的結構及弱點3

Taube 和 Szalay 的演講影片

2020年,約翰霍普金斯大學與馬克癌症研究基金會 (The Mark Foundation for Cancer Research) 合作,創建新的癌症研究中心。該中心匯集了天文學圖像分析、病理學、電腦科學、癌症基因體學和免疫學等多個領域的專家,一同建構了一個運用天文學方式分析病理學影像的平台 –  AstroPath4

而今年 6 月發表在 Science 上的研究1,研究團隊就揭示了如何運用 AstroPath,將多螢光染色的免疫組織切片影像,彙整成一張解析度可達單個細胞間交互作用的多色影像。

利用 AstroPath 所繪製出的完整多螢光免疫組織切片的影像,該影像即使放大,其解析度都能達到單個細胞的層級。圖/參考資料 1

而在 AstroPath 的幫助下,Taube 不僅能夠從影像中清楚看到 PD – L1 在腫瘤細胞的表現量,也能看到腫瘤細胞與 T 細胞在腫瘤微環境中的相互作用,而這些影像都有助於她預測 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑的效用。Taube 也將 AstroPath 的結果,與其他判斷 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑效用的方式做比較,發現AstroPath的影像確實能很好的預測 PD – 1 / PD – L1 阻斷劑的效用。而這個結果讓研究團隊有信心,未來AstroPath 能成為協助臨床治療的分析工具。

藉由 AstroPath 的影像,能夠看出腫瘤細胞的 PD – L1 表現量強弱,同時也能看到組織切片中,免疫細胞與腫瘤細胞間的相互作用。圖/參考資料 1

大數據科學的來臨

AstroPath 的初步成功,無疑給研究團隊很大的信心,不過 Szaley 認為仍有很長的路要走。目前 AstroPath 只分析肺癌和兩種皮膚癌,共 2.26 億個細胞的影像數據,其數據量就已超過史隆數位巡天計畫的所有數據總和了。但如果要想讓AstroPath 成為協助臨床癌症治療的工具,只分析這麼一點癌症種類,顯然是不足的。而且這麼大的數據量,也不是普通單位能夠處理的。

「大數據正在改變科學,從天文學、基因體學到海洋學,到處都有應用。資料密集型的科學發現是一種新的模式,而我們接下來面臨的技術挑戰是,如何在大規模收集資料時獲得一致、可重複的結果?接下來還有一些重要步驟:我們要通過多個機構的研究,將這些測試標準化,然後進行前瞻性臨床試驗,讓病人們享受到AstroPath平台所帶來的診斷優勢。」Szaley 如此說道。

而 Taube 希望 AstroPath 除了能幫助醫師進行診斷,未來也能應用 AstroPath 繪製出一個公開的腫瘤免疫圖譜,就像癌症基因體圖譜 (The Cancer Genome Atlas)註4一樣,增進腫瘤相關的研究。

天文學是研究「天體」這個宏觀領域的學科;腫瘤生物學則是研究「腫瘤細胞」的微觀領域。這兩個學科的研究對象可說是天差地遠,理應不會有什麼交集。但兩個領域的碰撞,激發出 AstroPath 這種讓人意想不到的發明。不過相信隨著科學家們的思想越來越開闊,未來這種跨領域的合作只會越來越多。就讓我們一同期待,未來科學界還會再撞出甚麼有趣的火花吧~

註釋

  1. 史隆數位巡天計畫:是使用位於新墨西哥州阿帕契點天文台的 2.5 米口徑望遠鏡進行的紅移巡天項目。該項目開始於 2000 年,以阿爾弗雷德·史隆的名字命名,計劃觀測 25% 的天空,獲取超過一百萬個天體的多色測光資料和光譜數據。2006 年,史隆數位化巡天進入了名為 SDSS-II 的新階段,進一步探索銀河系的結構和組成。
  2. 免疫組織化學染色法:在抗體上結合螢光或可呈色的化學物質,利用免疫學原理中抗原和抗體間專一性的結合反應,檢測細胞或組織中是否有目標抗原的存在,此方式不只可以用來測知抗原的表現量也可觀察抗原所表現的位置。只要是能夠讓抗體結合的物質,也就是具有抗原性的物質包括蛋白質、核酸、多醣、病原體等都可偵測。免疫組織化學的優勢在於專一性、靈敏度、簡便快速以及成本低廉,所以廣為醫院採用,通常是藉由特定的腫瘤標記來篩選癌症。免疫組織化學染色法對基礎研究及預防和診療上都是相當重要的一個方法。
  3. 腫瘤微環境:是腫瘤細胞與周圍的其他細胞,如血管、纖維母細胞、免疫細胞等多種細胞共同組成的特殊環境。腫瘤細胞可以藉由分泌各式細胞因子,來讓微環境有利於自身發展。例如微環境中能促進血管新生,同時也有很強的免疫抑制能力,讓前來殺敵的免疫細胞無法作用。
  4. 癌症基因體圖譜:大規模地蒐集特定癌症病患的相關臨床記錄、腫瘤組織以及相對應正常組織,進行定序以及生物資訊分析,整合資料並公開定序資料與分析結果於官方網站供大家瀏覽及下載,利於世界各地的科學家、研究人員或是學術單位取得使用。藉以流通知識、促進研究,並打造完整的癌症基因組資訊,助於癌症的預防、診斷與治療。

參考資料

  1. Berry S, Giraldo NA, Green BF, Cottrell TR, Stein JE, Engle EL, Xu H, Ogurtsova A, Roberts C, Wang D, Nguyen P, Zhu Q, Soto-Diaz S, Loyola J, Sander IB, Wong PF, Jessel S, Doyle J, Signer D, Wilton R, Roskes JS, Eminizer M, Park S, Sunshine JC, Jaffee EM, Baras A, De Marzo AM, Topalian SL, Kluger H, Cope L, Lipson EJ, Danilova L, Anders RA, Rimm DL, Pardoll DM, Szalay AS, Taube JM. Analysis of multispectral imaging with the AstroPath platform informs efficacy of PD-1 blockade. Science. 2021 Jun 11;372(6547):eaba2609. 
  2. Taube, J., Galon, J., Sholl, L. et al. Implications of the tumor immune microenvironment for staging and therapeutics. Mod Pathol 31, 214–234 (2018).
  3. Illuminating the Tumor Microenvironment Using Multiplex IF: Astronomy Accelerates Pathology
  4. Abstract 6584: The ‘AstroPath’ platform for spatially resolved, single cell analysis of the tumor microenvironment (TME) using multispectral immunofluorescence (mIF)
  5. Sky-Mapping Astronomy Algorithms Meet Pathology to Identify Predictive Biomarkers for Cancer Immunotherapy
羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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在以毒攻癌的同時,怎麼才不會毒死自己?細菌療法的挑戰與展望
羅夏_96
・2021/04/11 ・4990字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

編按:此為細菌療法系列文章的最終章,歡迎讀者至文末點擊並閱讀所有文章。

免疫療法是藉由活化人體的免疫系統,來達到殺傷癌細胞的效果,但實體固態腫瘤的腫瘤微環境就如同癌細胞的防禦結界一樣,讓免疫療法難發揮功效。因此,科學家們想起並徵召了能夠打破結界的「細菌療法」,希望可以藉此對付腫瘤微環境,讓我們更有效的殺死癌細胞。

可惜的是,雖然細菌療法在動物實驗上有不錯的效果,但到了臨床試驗的階段,效果仍是差強人意。

當細菌療法走到臨床試驗時,不少結果都不盡人意。圖/Pixabay

大難題:如何殺死癌細胞但不傷身?

和所有藥物一樣,如何平衡其毒性和治療效果,是細菌療法不能迴避的問題!我們必須讓細菌足以對付癌細胞,但細菌的毒性又不可以太高,以免讓我們的身體與癌細胞同歸於盡。

早期柯立用熱滅活的方式來降低細菌的毒性,現代科學家們則用基因工程的方式降低毒性。

科學家努力降低細菌的毒性後,雖然動物實驗偏樂觀,但細菌療法一運用到人體並進行臨床實驗後,卻出現許多科學家不樂見的結果。有時細菌毒性太強,讓病患處於高風險中(如見前篇文章中李斯特菌的臨床試驗結果),有時又出現減毒力度太猛,細菌療法失效的情形(如前篇文章沙門氏菌-VNP20009 的臨床試驗結果)。

其實這個問題,某種程度上,源自動物實驗和臨床試驗的鴻溝。

我們不一樣~實驗小鼠和人類大不同!

因小鼠的成本低、體積小、易操作,並且有著豐富的生理遺傳資料與多樣性,所以實驗小鼠是當前學界最常用於動物實驗的動物。

而用於細菌治療的實驗小鼠,大都是在無特定病原 (Specific Pathogen Free,SPF)註1的環境下飼養,在動物實驗開始之前,這些小鼠的免疫系統都沒有與細菌正面交鋒的經驗,因此在被細菌感染後,小鼠們的免疫反應和人類自然不同。

當然,如果使用免疫缺陷的裸鼠註2,那結果可能又更不一樣了。

裸鼠。圖/Wikipedia

和在 SPF 環境下生長的小鼠不同,人類打一出生,就不斷與各種病原體對抗,這讓我們的免疫系統相當善戰,而免疫系統的記憶性,讓我們面對相似的病原體時,能更快應對。

拜此特性,能輕易讓實驗小鼠產生免疫反應的細菌,在人體未必能引起免疫反應,若要讓人體產生和實驗小鼠類似的反應,勢必要提升注射細菌的劑量,但這又容易讓產生過多的毒性。因此,如何找到細菌療法在人體的適合劑量,是臨床試驗的重要挑戰。

在細菌療法前,患者已接受過其他療法了

另一個讓細菌療法在臨床效果不佳的原因,其實現在的免疫療法也有遇到。

這兩種療法的核心思想,都是活化人體的免疫系統,來殺傷癌細胞,但很多接受免疫療法或免疫療法的病患,已經先接受過化療和放射療法了

雖然化療和放射療法都能殺死腫瘤細胞,但同時也會傷害人體其他細胞,甚至讓免疫系統受損,使得病患的免疫力下降。

由於病患的免疫系統已經被削弱,若此時才讓病患接受細菌療法、免疫療法,活化免疫系統的效果自然不如預期。

這也部分回答了,為什麼現代醫學界難以重複當年柯立的實驗。

柯立當年使用柯立毒素時,是做為「第一線」的抗癌手段,不僅放射療法剛出現,化學療法甚至尚未問世!也許就是因為病患體內的免疫系統並不會受到化療或放射療法的摧殘,所以柯立才可以透過細菌感染快速、有效的活化免疫系統。

除了臨床試驗上的挑戰,細菌療法其實也遇到柯立當年被質疑的窘境——治療機制不確定、治療的副作用。

威廉.柯立 (William Coley) (中間)。圖/Wikipedia

細菌療法跟免疫療法到底有什麼差?

或許看到這邊,你會疑惑細菌療法和免疫療法有何差異,不都是活化免疫系統來治療癌症嗎,怎麼會有機制不確定的問題?

其實嚴格來說,細菌療法也是在免疫療法這個大框架之下,只不過細菌療法(或者說柯立毒素)比起現代使用的各類免疫療法的歷史更早。

現代的免疫療法其機制都相當確定,例如 CTLA-4 和 PD-1 抑制劑,就是關閉 T 細胞上的免疫煞車,讓 T 細胞的活性不會被癌細胞關閉,進而達到攻擊腫瘤的能力,但細菌療法對於免疫細胞活化的機制,就不像現代免疫療法這麼清晰了

雖然現代的免疫學已能「大致」推測出細菌療法的機制(例如前幾篇文章中提到的活化類鐸受體),在動物與人體實驗中,也確實觀察到免疫系統的活化。但不同病患間,免疫系統活化的程度都不同,而且不同的治療用細菌,活化免疫系統的機制也不完全一樣,至今科學家們對於細菌療法背後的詳細機制,並沒有統一的解釋。

全面活化免疫系統,攻向最可怕的敵人!

現代與過往的細菌療法一樣,都是以「發燒」作為活化免疫系統的指標。不少研究指出,發燒就像一個緊急命令,會啟動一系列細胞訊號,強制活化免疫系統,命令它們摧毀所有非我族類者。

發燒是免疫系統的全面活化。圖/Pixabay

關於細菌療法,目前最被學界所接受的解釋方法是:「根基於發燒的免疫活化效果」。

雖然免疫細胞雖在腫瘤微環境受到強烈的抑制,但一旦接受到發燒的命令,會被強制活化並進攻腫瘤組織1

免疫療法能活化的免疫細胞種類和強度有限,但細菌療法中的「發燒」是全面活化免疫系統,而且力度更強(有時強到會殺死人!)。

此外,人體的免疫系統與細菌已爭鬥上萬年,在免疫系統眼裡,細菌的威脅是遠高於癌細胞的。

因此當細菌這種最高等級的敵人,出現在腫瘤組織這種次級敵人內,免疫系統也就不再理會癌細胞的安撫,會將腫瘤連同細菌一起燒毀!

細菌療法的危險性以及發展潛力

然而在現代,開發藥物所要求的藥理機轉和副作用影響比柯立的年代更高。因此,即使細菌療法有著比其他免疫療法更強力的免疫活化效果,也有對抗腫瘤微環境的能力,但畢竟細菌療法將發燒定位為治療指標,使得許多國家的 FDA 都不允許細菌療法進入臨床試驗,就算允許,也是限制重重2

各國政府設有專門管理食品與藥物的單位,有時會以 FDA 泛稱。如我國的衛生福利部食品藥物管理署、美國的食品藥物管理局。圖/Wikipedia

整體而言,比起現代的癌症治療方法,細菌療法有著以下優勢,因此不少科學家認為細菌療法的潛力不小:

  1. 細菌療法能專一的對抗腫瘤微環境,這是目前其他癌症療法都難達成的能力。
  2. 細菌療法活化免疫系統的強度,比起其他免疫療法更強
  3. 藥物治療須不斷投藥才可以維持維持效力,但細菌能在腫瘤組織中自行生長,讓其效力可以延續。

單打獨鬥,不如與其他療法合作!

雖然只使用細菌療法,在臨床上效果不甚理想,但現代醫學在治療癌症上,也不會只用單一療法。因此,若能將細菌療法搭配傳統的化療、放射療法、標靶治療,甚至是免疫療法,是更實際的想法。

細菌療法合併化學療法或放射療法的示意圖。圖/Clostridium novyi-NT in cancer therapy

前篇文章有提到,目前化療、放射療法和免疫療法,都難以對付腫瘤微環境,但細菌療法卻可以專攻腫瘤微環境。因此,科學家們是這麼想的:用細菌破壞腫瘤微環境的同時,投入化學療法或放射療法或免疫療法,藉此讓治療效果最大化。

目前在動物實驗中,當諾維氏梭菌-NT、沙門氏菌-A1-R和李斯特菌合併化療或放射療法時都有不錯的成果,實驗結果指出,若能夠雙管甚至多管齊下,我們就可以用更少的化療或放射療法的劑量來消滅腫瘤。

目前這三隻細菌,也正在準備合併療法的臨床試驗。

二度捲土重來,不停歇的細菌療法

百年前,柯立將細菌療法帶入癌症治療中,雖然柯立與細菌療法一度被歷史遺忘,但在柯立的女兒海倫和眾多科學家的努力下,柯立的研究不僅重見天日,也啟發了免疫療法。

雖然隨著免疫療法的成熟,又讓細菌療法逐漸被忘卻,但面對難纏的腫瘤微環境,細菌療法又再度被科學家們想起。今日,學界配合著現代的基因工程和腫瘤治療法,再透過細菌療法專一的對付腫瘤微環境的能力,讓細菌療法成為 21 世紀極具潛力的新星。

雖然某種程度來說,將細菌打入體內來治病仍是一件很瘋狂的事情,但科學總是充滿各種可能與嘗試,以後細菌療法可能變成癌症治療的標準程序也說不定呢!

嘿嘿,未來的事情又有誰會知道呢?這個世界就是充滿各種未知和可能性,所以才有趣啊!

作者後記

細菌療法的系列,到此就告一段落了。當初本以為,兩篇文章就能完結細菌療法的前世今生,但隨著深入了解相關研究,發現這個題目的內容,實在太多太有趣了!於是就擴充成系列文章。

對我個人來說,細菌療法這個題目,是很「私人」的。還記得大學時第一次看到細菌療法的論文(諾維氏梭菌-NT在裸鼠的實驗上),第一反應也覺得這篇論文是不是瘋了!但深入了解後,反而覺得細菌療法的免疫活化概念是很有潛力的。

後來免疫療法開始火熱起來,雖然臺灣出現不少介紹免疫療法歷史的文章,也都有提到柯立和柯立毒素的貢獻,但卻遲遲不見介紹「細菌療法」這個柯立毒素直系血親的文章。

於是我決定自己撰寫,將細菌療法介紹給大眾,也算給自己一個交代。

當然細菌療法的研究遠不只如此,可能我也有不少疏漏,對於一些研究,我的解釋也未必正確,這點還請大家見諒。(編按:讀者若有任何疑問或是建議,懇請您在文章底下留言告訴我們!)

但我希望這個系列文章,能拋磚引玉,讓更多專家能從更專業的角度,將細菌療法這個瘋狂但充滿潛力的方法,介紹給更多讀者。

科學不是死板沉悶的,裡面也充滿各種奇思妙想。希望看完這整個系列,也能激起你的好奇心。科學就是源自好奇,人類永無止境的好奇心,就是科學發展最好的推進器!

註釋

  1. 無特定病原 (Specific Pathogen Free,SPF),是用於實驗動物的一個術語,保證動物沒有攜帶特定的病原。使用 SPF 動物可以確保不會有特定的疾病對試驗結果造成干擾。例如,在研究藥物對肺功能的影響時,動物最好沒有攜帶流感之類的呼吸道病原。
  2. 裸鼠是指胸腺先天發育不良的小鼠,體內幾乎沒有 T 細胞,因此可接受外來移植的細胞,較不會有免疫排斥現象。但裸鼠仍有正常的 B 細胞、自然殺手細胞 (NK cells) 和巨噬細胞 (macrophages),因此裸鼠仍有免疫反應。

參考資料

  1. Evans, S., Repasky, E. & Fisher, D. Fever and the thermal regulation of immunity: the immune system feels the heat. Nat Rev Immunol 15, 335–349 (2015)
  2. Karbach J, Neumann A, Brand K, Wahle C, Siegel E, Maeurer M, Ritter E, Tsuji T, Gnjatic S, Old LJ, Ritter G, Jäger E. Phase I clinical trial of mixed bacterial vaccine (Coley’s toxins) in patients with NY-ESO-1 expressing cancers: immunological effects and clinical activity. Clin Cancer Res. 2012 Oct 1;18(19):5449-59.
  3. Staedtke V, Roberts NJ, Bai RY, Zhou S. Clostridium novyi-NT in cancer therapy. Genes Dis. 2016;3(2):144-152.
  4. Torres W, Lameda V, Olivar LC, Navarro C, Fuenmayor J, Pérez A, Mindiola A, Rojas M, Martínez MS, Velasco M, Rojas J, Bermudez V. Bacteria in cancer therapy: beyond immunostimulation. J Cancer Metastasis Treat 2018;4:4. 
  5. Felgner S, Kocijancic D, Frahm M, Weiss S. Bacteria in Cancer Therapy: Renaissance of an Old Concept. Int J Microbiol. 2016;2016:8451728.

細菌療法系列文章

  1. 太瘋狂了!注射細菌,竟然能夠「以毒攻毒」打敗癌細胞?細菌療法的前世(上)
  2. 太瘋狂了!注射細菌,竟然能夠「以毒攻毒」打敗癌細胞?細菌療法的前世(下)
  3. 不只能夠「以毒攻毒」,當細菌從攻癌武器變成交通工具!細菌療法的今生(上)
  4. 不只能夠「以毒攻毒」,當細菌從攻癌武器變成交通工具!細菌療法的今生(下)
  5. 在以毒攻癌的同時,怎麼才不會毒死自己?細菌療法的挑戰與展望
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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟

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不只能夠「以毒攻毒」,當細菌從攻癌武器變成交通工具!細菌療法的今生(上)
羅夏_96
・2021/03/23 ・5209字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

19 世紀時,柯立醫師發現將細菌注射到病患的體內後,有機會讓病患身上的腫瘤消失,因此研發出柯立毒素,成為「細菌療法」的鼻祖,並啟發了現在最火紅的免疫療法,然而,隨著免疫療法的快速發展,主流學界逐漸忘卻柯立毒素。

詳情請見細菌療法的「前世篇」:

但隨著科學家對癌細胞的研究更深入,他們發現癌細胞會產生特殊的「結界」,這種結界會大幅降低目前各種癌症療法的治療效果,甚至連免疫療法都被拒於結界之外,讓科學家頭痛不已…。

腫瘤微環境:癌細胞的防禦結界!

實體固態腫瘤 (Solid tumor) 不是只由癌細胞構成,而是癌細胞和附近的組織、血管、免疫系統及基質細胞等共同組成。這個複雜的實體,還會產生特殊的腫瘤微環境 (Tumor microenvironment, TME)。

腫瘤微環境,是癌細胞和其周遭其他細胞共同組成的複雜環境。圖/參考文獻 9

這個微環境就像腫瘤的結界,不僅讓我們的治療手段如化療藥物、免疫細胞療法難以進入,即便進入後也難發揮作用,而在結界內的癌細胞,更是趁機獲得許多特異功能,讓我們更難對付。

腫瘤微環境最大的特徵之一,就是缺氧 (Hypoxia)。

缺氧時,癌細胞更容易轉移、更難被殺死

當腫瘤組織的體積只在 1-2 mm3 時,通常可以靠細胞間的擴散作用來吸收養分並排出代謝廢物,但是因為癌細胞生長非常快速,體積成長極快,當腫瘤組織的體積大於 3 mm3,就會因細胞間擴散作用不足導致缺氧。

缺氧也是腫瘤惡性發展的重要因素,缺氧環境會活化癌細胞內的缺氧誘導因子 (Hypoxia-inducible factors,HIFs),當缺氧誘導因子被活化後,它會改變癌細胞的代謝,並產生一系列惡性後果1

  1. 促進癌細胞的生長、侵襲和轉移 (Metastasis)。
  2. 降低化療和放射療法的效果。
  3. 讓微環境中充斥大量的發炎細胞,進而抑制免疫細胞的活性,讓免疫療法失效。

因此,在治療癌症上究竟該如何對付缺氧的腫瘤微環境?這一直是讓科學家們頭痛至極的大問題。

其他療法做不到的,就讓細菌出手吧!

然而,有趣的是,這個讓人類治療手段失效的缺氧環境,卻恰恰是某些細菌的最愛!!

可能連癌細胞也想不到,自己構築的強大結界,竟然會吸引比自己更兇狠的細菌入侵!當細菌入侵結界後,不僅會殺傷癌細胞,還會讓本來被癌細胞安撫的免疫細胞,發狂進攻,讓癌細胞陷入腹背受敵的窘境。

俗話說:「敵人的敵人,就是朋友!」,因此,藉由細菌能對付腫瘤微環境的特性,科學家們又重啟了「瘋狂」的細菌治療法。

下面讓我們一起看看,現在研究最多的 3 種細菌療法吧!

梭菌:攻其不備,缺氧就是我的愛!

梭菌屬 (Clostridium) 是一類能產生內孢子註1的專性厭氧菌 (obligate anaerobes),專性厭氧菌僅能進行「無氧呼吸」,且無法在正常大氣(氧含量21%)的環境下存活。

看到這兒,大家應該就能理解為何梭菌為何有對抗腫瘤的潛力了吧!腫瘤微環境對牠而言簡直是天堂啊!缺氧、充滿養分、又沒有免疫細胞的攻擊,完美!

不過要將梭菌直接注射到人體,恐怕有不少疑慮。畢竟梭菌家族中,有不少會產生致命毒素的細菌,例如引起破傷風的破傷風梭菌 (Clostridium tetani)、會產生肉毒桿菌素的肉毒桿菌 (Clostridium botulinum),若把這類細菌注射到體內,恐怕癌細胞還沒死,人就先被毒死了

因此,在百般考量之下,科學家們相中了諾維氏梭菌 (Clostridium novyi, C.novyi)。

諾維氏梭菌產生毒素的基因很容易去除,當它的毒素基因被科學家去除後,我們稱呼這種沒有毒素的維氏梭菌為諾維氏梭菌-NT (Clostridium novyi-NT , C.novyi-NT)。

動物實驗結果

在動物實驗中,科學家首先將諾維氏梭菌-NT 注射進入老鼠體內,雖然老鼠體內的腫瘤大量壞死,但可惜的是,老鼠也因敗血症註2死亡。

隨後,研究人員改為注射諾維氏梭菌-NT 的「內孢子」到老鼠體內,結果發現,諾維氏梭菌-NT 的孢子只會在缺氧的腫瘤組織中萌發,血液中的孢子則很快就被免疫系統清除,而且不會引發敗血症。

更重要的是,在腫瘤組織中生長的諾維氏梭菌-NT,很快就讓腫瘤壞死!

隨著腫瘤的逐漸壞死,缺氧環境也消失,這些諾維氏梭菌-NT 也因為沒有了缺氧環境而不再生長,最終隨著腫瘤細胞一起消滅。

該研究也發現,若合併使用諾維氏梭菌-NT 的內孢子和化療藥物,不僅能降低化療藥物的使用濃度,腫瘤的消退也更快2

注射沒有毒素的維氏梭菌的孢子到裸鼠體內,腫瘤的消退情形。圖/參考文獻 10

後續的研究也發現,諾維氏梭菌-NT 不僅可以殺死腫瘤細胞(不過原因至今尚不明朗),同時也可以吸引免疫細胞來攻擊腫瘤。

臨床試驗結果

在最新的臨床試驗中,科學家將諾維氏梭菌-NT 的內孢子注射到 24 位實體固態腫瘤的病患體內。

其中有 23% 患者的腫瘤體積縮小超過 10%。

另外,研究人員也發現,注射諾維氏梭菌-NT 的內孢子後,病患體內能活化免疫細胞的細胞激素量有上升,同時也增加淋巴細胞到腫瘤組織的數量。這些結果都顯示,諾維氏梭菌-NT 確實能活化免疫系統,並讓免疫細胞攻擊腫瘤3

該研究團隊目前也在申請將諾維氏梭菌-NT 和免疫檢查點抑制劑一同使用的臨床試驗,希望能達到更好的治療效果。

難以忽視的缺點

雖然諾維氏梭菌-NT 的初步臨床結果讓人期待,但牠有一個很大的問題,那就是牠「專性厭氧」的特性!

雖然這個特性讓牠能專一的在缺氧的實體腫瘤中生長,但一旦腫瘤的缺氧環境被破壞,牠的效力將無法延續。因此科學家們把眼光放到有不同氧氣特性的細菌上!

沙門氏菌:有氧、無氧都可以!

和梭菌屬的專性厭氧不同,沙門氏菌屬 (Salmonella) 是兼性厭氧菌 (Facultative anaerobes),牠在氧氣充足時,可以進行有氧呼吸,在氧氣不足的情況下,也能進行無氧呼吸。牠的這項特點被科學家看上,作為另一細菌療法的候選。

不過既然沙門氏菌也能在有氧環境下生存,這就表示牠不會只在缺氧的腫瘤組織中生長,也有可能在人體其他器官中生長,因此必須「改造」牠,讓牠不會傷及正常組織與器官。

改造牠:讓牠更無毒、更愛腫瘤一點

首先,由於沙門氏菌外膜的重要成分中包含了脂多醣 (Lipopolysaccharide,LPS)註3 ,而脂多醣具有內毒性註4,很有可能引起人類過度的免疫反應,產生發炎症狀,嚴重甚至可能引發敗血症或死亡,因此科學家們的第一步,就是先去除沙門氏菌合成脂多醣3的基因,藉此降低沙門氏菌的內毒性4

蛋、奶、肉跟飲用水,都有可能會被沙門氏菌汙染,讓我們生病。圖/Pixabay

接下來,因有文獻指出腫瘤組織內會產生大量嘌呤 (purine)註5,因此,科學家去除沙門氏菌用來生產嘌呤註6的基因,並將將改造後的沙門氏菌屬和腫瘤細胞一起培養後,此時,因為沙門氏菌屬極度缺乏嘌呤,一起培養後,牠就會因此產生對腫瘤組織的依賴性。

最後,科學家們成功篩選出一隻對腫瘤組織有高度依賴性的沙門氏菌-VNP200094

動物實驗結果

沙門氏菌-VNP20009 在動物實驗上有不錯的成果。

注射沙門氏菌-VNP20009 到小鼠體內後,牠會在腫瘤組織內大量生長,免疫細胞也會被牠活化而攻擊腫瘤,讓腫瘤組織快速壞死與消退5

臨床試驗結果

但沙門氏菌-VNP20009 在臨床試驗上卻不甚理想。

首先不知道是不是減毒力道太猛,沙門氏菌-VNP20009 在注射到病患體內後,很難引起免疫反應,而且牠也「沒有」展現對腫瘤組織的依賴性,注射牠到 24 位病患體內之後,只有 3 個病患的腫瘤組織內有觀察到沙門氏菌-VNP20009 的生長,所有注射沙門氏菌-VNP20009的病患,腫瘤組織都沒有消退6

不過慶幸的是,沙門氏菌-VNP20009 並沒有在人體的其他組織中生長,並未出現對人體健康造成負面影響的跡象。

沙門氏菌-A1-R

雖然沙門氏菌-VNP20009 在臨床上沒有理想的結果,但這是第一支用於治療癌症的沙門氏菌,科學家們認為這至少是個開始,因此後續他們又用類似的方法,篩選出另一支有潛力的沙門氏菌-A1-R

A1-R 在動物實驗上,有著比 VNP20009 更好的腫瘤組織依賴性,而且能對應更多種類的腫瘤組織,同時 A1-R 活化免疫細胞的能力也不錯,A1-R 合併化療和標靶藥物的結果,也比 VNP20009 更好7

注射 A1-R 到裸鼠體內,腫瘤的消退情形。圖/Targeted therapy with a Salmonella typhimurium leucine-arginine auxotroph cures orthotopic human breast tumors in nude mice. Cancer Res. 2006 Aug 1;66(15):7647-52

但 A1-R 至今仍沒有進行臨床試驗,不確定在臨床上是否能比 VNP20009 表現更好。

如果只把細菌當作一種「交通工具」?

雖然沙門氏菌屬在臨床上沒有展現治療效果,但沙門氏菌屬提供科學家們一個新的思路:

如果細菌對腫瘤組織有專一性,那就把細菌當成治療手段的「載體」吧!

就像是把細菌當作通往腫瘤組織的直達車一樣,目前有團隊將抗癌物質的基因,放入沙門氏菌屬中,當沙門氏菌屬專一的到腫瘤組織中,就能分泌抗癌物質到組織中。

如此一來,不僅可以提高抗癌物質的效力,也能減少該物質對生物體的傷害8,而下一篇文章所介紹的第三種研究上常見的細菌療法「李斯特菌」某種程度上就是受到載體想法的啟發……

接著閱讀:不只能夠「以毒攻毒」,當細菌從攻癌武器變成交通工具!細菌療法的今生(下)

註釋

  1. 內孢子:某些細菌特有的一種構造,是對惡劣環境具有高度抗性的特殊休眠體。內孢子對抗生素、熱、酸鹼、輻射等具有強耐受性,待環境變成適合生存時,內孢子會打破睡眠狀態甦醒發芽繁殖。
  2. 敗血症:由於感染所引起的全身性發炎的嚴重疾病。常見的臨床症狀包括發燒、呼吸頻率和心跳加速,以及意識不清。
  3. 脂多醣 (Lipopolysaccharide,LPS) :是油脂和多醣由共價鍵相連組成的大型分子。LPS 是革蘭氏陰性細菌外膜的主要組成部分,提供並保持細菌結構的完整性,保護細菌的細胞膜抵抗某些化學物質的攻擊。LPS 也是內毒素,LPS 在人體內,會結合到細胞膜上的脂多醣受體複合體上,促進細胞發炎,並讓發炎細胞分泌多種細胞因子,產生強烈的免疫反應。
  4. 內毒素:存在於細菌內的天然化合物,具有潛在的毒性。內毒素不同於外毒素,活的細菌是不會分泌可溶性的內毒素的。內毒素是細菌的結構成分,當細菌被溶解時而被細菌釋放出來。
  5. 嘌呤:新陳代謝過程中的一種代謝物,它是核酸中最重要的組成部分。
  6. 癌細胞因生長快速,在細胞複製時需要大量的核酸,這表示也需要大量的嘌呤,因此腫瘤組織內部的嘌呤量,比人體其他組織都高很多。

參考資料

  1. Jin, MZ., Jin, WL. The updated landscape of tumor microenvironment and drug repurposing. Sig Transduct Target Ther 5, 166 (2020)
  2. Long H. Dang, Chetan Bettegowda, David L. Huso, Kenneth W. Kinzler, and Bert Vogelstein. Combination bacteriolytic therapy for the treatment of experimental tumors. Proc Natl Acad Sci U S A December 18, 2001 98 (26) 15155-15160
  3. Bacterial therapy tolerable, shows early promise in patients with advanced solid tumors
  4. C. Clairmont et al. Biodistribution and Genetic Stability of the Novel Antitumor Agent VNP20009, a Genetically Modified Strain of Salmonella typhimuvium. The Journal of Infectious Diseases, Volume 181, Issue 6, June 2000, Pages 1996–2002
  5. Luo X, Li Z, Lin S, Le T, Ittensohn M, Bermudes D, Runyab JD, Shen SY, Chen J, King IC, Zheng LM. Antitumor effect of VNP20009, an attenuated Salmonella, in murine tumor models. Oncol Res. 2001;12(11-12):501-8
  6. Toso JF, Gill VJ, Hwu P, et al. Phase I study of the intravenous administration of attenuated Salmonella typhimurium to patients with metastatic melanoma. J Clin Oncol. 2002;20(1):142-152.
  7. Aghi M, Hochberg F, Breakefield XO. Prodrug activation enzymes in cancer gene therapy. J Gene Med. 2000 May-Jun;2(3):148-64
  8. Quispe-Tintaya W, Chandra D, Jahangir A, Harris M, Casadevall A, Dadachova E, Gravekamp C. Nontoxic radioactive Listeria(at) is a highly effective therapy against metastatic pancreatic cancer. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 May 21;110(21):8668-73
  9. Audrito, V., Managò, A., Gaudino, F., Sorci, L., Messana, V. G., Raffaelli, N., & Deaglio, S. (2019). NAD-biosynthetic and consuming enzymes as central players of metabolic regulation of innate and adaptive immune responses in cancerFrontiers in immunology10, 1720.
  10. Dang, L. H., Bettegowda, C., Huso, D. L., Kinzler, K. W., & Vogelstein, B. (2001). Combination bacteriolytic therapy for the treatment of experimental tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences98(26), 15155-15160.
  11. Zhao, M., Yang, M., Ma, H., Li, X., Tan, X., Li, S., … & Hoffman, R. M. (2006). Targeted therapy with a Salmonella typhimurium leucine-arginine auxotroph cures orthotopic human breast tumors in nude mice. Cancer research66(15), 7647-7652.

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