Naturlige dreperceller kjennetegn og funksjonelle egenskaper

Transkript

1 Naturlige dreperceller kjennetegn og funksjonelle egenskaper Av Andrea Gras Navarro, M.Sc., forsker, Brain Tumor Immunology and Therapy Group, ( Institutt for biomedisin, Universitetet i Bergen Martha Chekenya, ph.d., dr. philos, Brain Tumor Immunology and Therapy Group, ( Institutt for biomedisin, Universitetet i Bergen Kreft er et samlebegrep for en gruppe av mer enn 100 sykdommer med felles grunntrekk 1 ervervet i løpet av den klonale evolusjon. 2 Kreft kjennetegnes ved sin evne til å etablere tumorfremmende inflammasjon og til å unngå å bli ødelagt av immunsystemet. Dette skjer på cellenivå og skyldes mutasjoner som destabiliserer genomet, 3 men på organismenivå hen - ger disse trekkene sammen med atferds- og livsstilsrelaterte risikofaktorer som forhøyet kroppsmasseindeks, lavt innslag av frukt og grønnsaker i kosten, mangel på fysisk aktivitet samt tobakksrøyking og overdrevent alkoholforbruk. Alder er en risikofaktor som dramatisk øker insidensen av kreft, i likhet med infeksjoner med helicobacter pylori, hepatitt B-, C- og papillomavirus. Kreft er blitt en betydelig helsemessig og økonomisk belastning i verden. I 2012 ble 14,1 millioner nye tilfeller diagnostisert, 4 og om lag en av tre får en kreftdiagnose i løpet av sin levetid. Det er stort behov for effektiv behandling, og nye former for immunterapi har vært vellykket for utvalgte krefttyper. Etterhvert som metodene for rensing og karakterisering av naturlige dreperceller (NK-celler) har blitt forbedret og vi har fått en økt forståelse for deres tumorimmunologiske rolle, har også interessen tiltatt for å anvende dreperceller i immunterapi mot kreft. Naturlige dreperceller er lymfocytter som har et immunterapeutisk potensial for flere kreftformer. I denne artikkelen går vi gjennom eksisterende kunnskap som belyser hvorfor NK-celler er gode effektorer mot kreft og hvordan de gjenkjenner og dreper kreftceller samtidig som normale friske celler blir spart. Vi ser på hvordan NK-celler, så snart målet er identifisert, dreper, og eksperimentelle data som gir håp om at NK-celler kan brukes til effektiv kreftbehandling. Fenotyper og undergrupper av NK-celler Naturlige dreperceller (NK-celler) har sin opprinnelse i CD34+ udifferensierte lymfoide progenitorceller som har utviklet seg fra hematopoietiske stamceller i beinmargen. De er avhengige av transkripsjonsfaktorer E4Bp4, Ets1, T-bet, Eomes og ID2 for å differensiere 5,6 og av interleukin-15 (IL-15)7 for å overleve. Etter endelig differensiering migrerer de til sekundært lymfevev og til perifert blod, der de utgjør 10-15% av lymfocyttpopulasjonen. NK-celler skiller seg fra B- og 3 0 B e s t P r a c t i c e d e s e m b e r

2 T-lymfocytter ved størrelse, granularitet og evnen til å bryte ned virusinfiserte eller transformerte celler direkte, uten forutgående sensibilisering eller kostimulering. 1,2 De uttrykker ikke rearrangerte T-cellereseptorer, men kjennetegnes av overflatemarkøren CD56. Til sammen gjør disse trekkene at de fenotypisk karakteriseres som CD3-CD56+ naturlige drepeceller. Ut fra tettheten av CD56 på celleoverflaten kan de videre klassifiseres som immunregulerende CD56 bright - eller cytotoksiske CD56 dim -celler. CD56 bright -celler er dominerende i sekundært lymfevev og karakteriseres av rikelig utsondring av cytokiner og kjemokiner, herunder IFNγ, TNFα, IL-5, IL-10, IL-13, granulocyttkolonistimulerende faktor (G-CSF) og granulocyttmakrofagkolonistimulerende faktor (GM-CSF). 8,9 IFNγ fremmer særlig T-hjelpertype 1 (T h 1) -respons, som forsterker effektorfunksjonene til både NK-celler og cytotoksiske T-lymfocytter (CTL) 9 og oppregulerer hovedhistokompatibilitetskompleks (MHC) klasse I og II 10 og ko-stimulerende molekyler på makrofager. 9 Kjemokiner som utsondres fra NK-celler, som monocyttkjemotaktisk protein-1α (MCP-1, CCL2), makrofaginflammatorisk protein 1-β (MIP1-α, CCL3), makrofaginflammatorisk protein 1-β (MIP1-β, CCL4) og RANTES (CCL5), 8 får også andre immunceller til å migrere til inflammasjonsstedene. I perifert blod er de fleste NK-celler CD56 dim (ca. 90%) og viser høy cytotoksisitet mot målcellene. Både CD56 bright - og CD56 dim -NK-celler kan uttrykke CD16, en lavaffinitetsreseptor (FcγRIII) som binder de konstante domenene i Fc-regionen av antistoff, slik at antistoffavhengig cellemediert cytotoksisitet (ADCC) aktiveres og at celler som er dekket av antistoff drepes. Molekylære mekanismer bak NK-cellenes målgjenkjenning T-celler gjenkjenner peptider fra kreftceller gjennom sine rearrangerte T-cellereseptorer. NK-celler derimot, uttrykker såkalte immunoglobulinlignende dreperreseptorer (KIR). Disse gjenkjenner alleliske varianter av humant leucocyttantigen klasse I (HLA)-A, HLA-B og HLA-C som uttrykkes på alle celler med cellekjerne. Når KIR-reseptorene på NK-cellene binder seg til beslektede HLA-ligander på andre celler, gjenkjenner NK-cellene dette som friske kroppsegne celler (se figur 1A) som igjen vil forhindre aktivering av NK-cellene. Celler som mangler HLA-ligander og uttrykker B e s t P r a c t i c e d e s e m b e r

3 Figur 1 Aktivering av NK-celler og målgjenkjennelse A. NK-celler uttrykker hemmende og aktiverende reseptorer på overflaten. Når deres interaksjon med ligander er innbyrdes balansert, beholder NK-cellene sin toleranse overfor cellene og er ute av stand til å drepe dem. Dette gjelder f.eks. normale egne, ustressede celler som uttrykker klasse I HLA-ligander for overveiende inhiberende reseptorer. B. En ondartet eller endret celle kan nedregulere klasse I HLA, men uttrykker samtidig stressinduserte ligander. Disse gjenkjennes av reseptorer som aktiverer NK-cellene. Det skaper et dominant aktiverende signal som overstyrer de hemmende signalene. Dermed blir NK-cellen aktivert og målcellen destrueres. Disse cellene gjenkjennes av NK-celler som missing-self. C. Enkelte krefttyper uttrykker normale nivåer av klasse I HLA men uttrykker stressinduserte ligander, f.eks. GBM. Aktiveringssignalet som overføres når stressligander binder aktiverende reseptorer, utligner det hemmende signalet slik at NK-cellen aktiveres og målcellen brytes ned. Dette kalles stress-induced self. stressligander (figur 1B, f.eks virusinfiserte celler eller kreftceller) vil derimot gjenkjennes som fremmede. Dette fører til immunaktivering av NK-cellene som dermed blir cytotoksiske. Endrede egne celler som uttrykker normale nivåer av HLA, men høye nivåer av stressligander (se figur 1C) kan også aktivere NKcellene. Mennesket har inntil 15 KIR-gener som er kodet på kromosom 19q13.4. KIR-reseptorer klassifiseres som hemmende eller aktiverende avhengig av deres intracellulære domener. 11 Genklyngen er svært polymorf, og hver NK-celle uttrykker bare noen av KIR-reseptorene. De fleste NK-celler uttrykker imidlertid minst én hemmende KIR-reseptor. Det har nylig 3 2 B e s t P r a c t i c e d e s e m b e r

4 Figur 2 NK-cellemediert celledød (1) Når NK-cellene danner synapser med målcellene frigir de proteolytiske enzymer, granzym A, B og perforiner som fører til nekrotisk celledød. (2) Ved binding av FasL til Fas/CD95-reseptoren, (3) og binding av TNFα-cytokiner til dødsreseptorene induseres apoptose i tumorcellen. (4) Når FcγIII-reseptoren (CD16) på NK-cellen gjenkjenner de konstante domenene i Fc-regionen av antistoffkjeden, utløses utsondring av cytokin og NK-cellemediert ADCC. De cytokinene det utsondres mest av, er TNFα og IFNγ. blitt anslått at hvert menneske kan ha inntil forskjellige undergrupper av NK-celler 12 i perifert blod. Disse er ikke alle like cytotoksiske, f.eks har vi nylig vist at NK-celler som uttrykker KIR2DS2 reseptoren var mer potente mot GBM kreftceller 3 enn NK-celler som uttrykker andre KIR-reseptorer. Dette store mangfoldet gjør at NK-cellene har stor fleksibilitet til å skille normale celler fra endrede egne celler og syke celler. som igjen hemmer aktiveringen av NK-cellene. Denne hemmende signaleringen gjør at NK-cellene opprettholder sin toleranse for egne normale celler. Imidlertid arves KIR-reseptorer uavhengig av HLA-gener på kromosom 6, og ettersom både KIR- og HLA-gener er svært polymorfe, uttrykker cirka 10-20% av NKcellene hemmende KIR-reseptorer som ikke gjenkjenner alle egne HLA-alleler (HLA-C1, HLA-C2 og HLA- Bw4). NK-celletoleranse, hypotesen om Missing self og induced self HLA-ligander på kroppens egne celler binder hemmende KIR-reseptorer på NK cellene. Disse reseptorene inneholder immunreseptor tyrosin inhiberingsmotiv (ITIM), som dermed fosforyleres, hvorpå proteintyrosinfosfatasene SHP-1 og SHP-2 13 rekrutteres. Proteinene som er involvert i aktiveringen av signaleringen nedstrøms blir dermed defosforylert, Disse NK-cellene er uautoriserte og forblir funksjonelt tolerante overfor egne celler, 8,14 sannsynligvis på grunn av konstitutivt uttrykk av NKG2A-reseptor som hemmer NK-celleaktivering, og slik forhindrer at de blir autoreaktive. Disse uautoriserte NK-cellene kan imidlertid aktiveres av endogene eller eksogent tilførte cytokiner, eller celler dekket med antistoff. 15 Tumorcellene nedregulerer i varierende grad klasse I HLA-molekyler for å unngå å bli oppdaget B e s t P r a c t i c e d e s e m b e r

5 og ødelagt av CTL. Ondartede celler som fremviser tap av HLA, gjenkjennes som fremmede av autoriserte NK-celler som dermed aktiveres og blir cytotoksiske16 (se figur 1B). Vi har vist at selv om kreftceller fra aggressive hjernesvulster som glioblastom (GBM) uttrykker normale nivåer av klasse I HLA17 kan de likevel bli angrepet gjennom stress-induced self -mekanismen 8,9,18 (se figur 1C). Dette er fordi tumorcellene også overuttrykker stressinduserte ligander som gjenkjennes av aktiverende NKG2D-reseptorer. 19 Når korresponderende ligander binder aktiverende KIR-reseptorer, fører dette til fosforylering av immunreseptor tyrosin aktiveringsmotiv (ITAM). Dette motivet tilhører Srcfamilien av proteintyrosinkinaser (PTK). 20 og dens fosforylering aktiverer viktige signalveier, herunder fosfatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Akt og mitogenaktivert proteinkinase (MAPK). Aktiveringssignalet som dermed utløses, kan overkjøre hemmende signaler og bidra til at NK-cellen blir cytotoksisk. 13 Dette er bakgrunnen for at manglende gjenkjennelse av egne HLA ( missing self ) utnyttes klinisk ved transplantasjon av hematopoietiske stamceller (HSCT) i behandlingen av leukemi. 21 Når HLA-matchende beslektede eller ubeslektede donorer har undergrupper av NK-celler som uttrykker KIR-reseptorer med spesifisitet for bestemte klasse I HLAligander som mangler hos mottakeren, oppstår et misforhold mellom donorens hemmende KIR og mottakerens HLA (såkalt KIR-HLA mismatch) (se figur 1B). Det er vist at denne mekanismen medfører kraftig alloreaktivitet i NK-cellen og medierer en transplantat-mot-leukemi-effekt 21,22 ved visse typer leukemi. Ettersom NK-celler er den første undergruppen av lymfocytter som restitueres etter transplantasjon, er det sannsynlig at de spiller en rolle i de første transplantat-mot-leukemi-effektene. 23 Kan andre reseptorer bidra til gjenkjennelse av målceller? Blant andre reseptorer som bidrar i gjenkjennelsen av målceller, er såkalte naturlige dreperceller gruppe 2 (NKG2) -reseptorer. Alle reseptorer i denne gruppen, bortsett fra NKG2D (CD314), danner heterodimerkomplekser med CD94 og gjenkjenner ikke-klassiske (HLA)-E-alleler. Ved binding av HLA-E ligander avgir NKG2A-reseptorer hemmende signaler, mens NKG2C og NKG2D avgir signaler som aktiverer NKcellene. NKG2D danner homodimerer, binder MHC klasse 1-beslektede kjeder A og B (MICA og MICB) og UL16-bindende proteiner (ULBP) (se figur 1, grønne symbol). Dette er stressinduserte ligander som uttrykkes kun av syke celler. NK-celler uttrykker også naturlige cytotoksisitetsreseptorer (NCR) som NKp30 (CD337), NKp44 (CD336) og NKp46 (CD335) som hører til superimmunoglobulinfamilien, og som også bidrar til aktivering av NK-celler. NKp30 blir konstitutivt uttrykt og gjenkjenner B7-H6-tumorantigener (uttrykkes ved leukemi, lymfom, karsinom, melanom). 24 NKp44 uttrykkes bare på aktiverte celler og binder viralt hemagglutinin (HA), HA-neuraminidase (HN) og tumorassosierte ligander. 25 Ikke alle ligander for NCR er identifisert. Det er nettobalansen mellom aktiverende og hemmende signaler som bestemmer om det er cytotoksisitet, cytokinutslipp eller toleranse mot målceller som vil bli indusert i NK-cellen. Hvordan dreper NK-cellene? Første trinn i NK-cellemediert toksisitet innledes med at det dannes en reseptor-ligand forbindelse mellom målcellen og NK-cellen, en såkalt immunologisk synapse. Deretter rearrangerer NK-cellene cytoskjelettet for å lette overføringen av lysosomer inn i målcellen. Disse inneholder lytiske granuler, (i) perforin som perforerer målcellens plasmamembran, 26 og (ii) granzym A- og B-proteaser som så kløyver kaspaser og deres substrater slik at målcellens DNA skades 27 (se figur 3 4 B e s t P r a c t i c e d e s e m b e r

6 2). Aktiverte NK-celler uttrykker også Fas Ligand (CD95L, CD178), tumornekrosefaktor (TNFα) og TNFrelatert ligand som induserer apoptose (TRAIL). 9 Binding av Fas (CD95) eller TNF-dødsreseptorer fører til apoptose i den reseptorbærende cellen 9 (se figur 2). NK-cellen gjenkjenner også Fc-regionen av antistoffkjeden og frigjører perforin, granzymer, og cytokiner som hemmer celleproliferasjon og angiogenese (se figur 2). Disse ulike mekanismene for å indusere celledød sikrer at apoptoseresistente celler elimineres. n KONKLUSJON NK-cellenes karakteriseres ved sin evne til å raskt drepe virusinfiserte og ondartede celler. Gjennom cytokinfrigjøring, påvirker de styrken og effektiviteten av den adaptive immunresponsen. Deres store repertoar av reseptorer gjør NK-celler i stand til å identifisere endrede, infiserte celler fra ondartede celler mens de samtidig skåner egne friske celler. Disse egenskapene gjør NK-celler til lovende kandidater til utvikling av cellebaserte kreftbehandling. Referanser 1. Herberman RB, Nunn ME, Lavrin DH. Natural cytotoxic reactivity of mouse lymphoid cells against syngeneic acid allogeneic tumors. Distribution of reactivity and specificity. Int J Cancer 1975;16: Kiessling R, Klein E, Wigzell H. «Natural killer cells in the mouse. Cytotoxic cells with specificity for mouse Moloney leukemia cells. Specificity and distribution according to genotype. Eur J Immunol 1975;5: Gras Navarro AK, Leiss L, Zelkowski M, Engelsen A, Bruserud Ø, Zimmer J, Enger PØ, Chekenya M. NK cells with KIR2DS2 immunogenotype have a functional activation advantage to efficiently kill glioblastoma and prolong animal survival. Journal of Immunology 2014, in press. 4. Ferlay SI, Ervik M, Dikshit R, Eser S, Mathers C, Rebelo M, Parkin DM, Forman D, Bray F. GLOBOCAN 2012 v1.0, Cancer Incidence and Mortality Worldwide: IARC CancerBase No. 11. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer Boos MD, Yokota Y, Eberl G, Kee BL. Mature natural killer cell and lymphoid tissue-inducing cell development requires Id2- mediated suppression of E protein activity. J Exp Med 2007;204: Gordon SM, Chaix J, Rupp LJ, Wu J, Madera S, et al. The transcription factors T-bet and Eomes control key checkpoints of natural killer cell maturation. Immunity 2012;36: Becknell B, Caligiuri MA. Interleukin-2, interleukin- 15, and their roles in human natural killer cells. Adv Immunol 2005;86: Vivier E, Raulet DH, Moretta A, Caligiuri MA, Zitvogel L, et al. Innate or adaptive immunity? The example of natural killer cells. Science 2011;331: Smyth MJ, Hayakawa Y, Takeda K, Yagita H. New aspects of natural-killer-cell surveillance and therapy of cancer. Nat Rev Cancer 2002;2: Reddy PG, Graham GM, Datta S, Guarini L, Moulton TA, et al. Effect of recombinant fibroblast interferon and recombinant immune interferon on growth and the antigenic phenotype of multidrug-resistant human glioblastoma multiforme cells. J Natl Cancer Inst 1991;83: Parham P, Norman PJ, Abi-Rached L, Guethlein LA. Human-specific evolution of killer cell immunoglobulin-like receptor recognition of major histocompatibility complex class I molecules. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2012;367: Horowitz A, Strauss-Albee DM, Leipold M, Kubo J, Nemat-Gorgani N, et al. Genetic and environmental determinants of human NK cell diversity revealed by mass cytometry. Sci Transl Med 2013;5:208ra Vivier E, Nunes JA, Vely F. Natural killer cell signaling pathways. Science 2004;306: Kim S, Poursine-Laurent J, Truscott SM, Lybarger L, Song YJ, et al. Licensing of natural killer cells by host major histocompatibility complex class I molecules. Nature 2005;436: Tarek N, Le Luduec JB, Gallagher MM, Zheng J, Venstrom JM, et al. Unlicensed NK cells target neuroblastoma following anti-gd2 antibody treatment. J Clin Invest 2012;122: Karre K, Ljunggren HG, Piontek G, Kiessling R. Selective rejection of H-2- deficient lymphoma variants suggests alternative immune defence strategy. Nature 1986;319: Kmiecik J, Poli A, Brons NH, Waha A, Eide GE, et al. Elevated CD3+ and CD8+ tumor-infiltrating immune cells correlate with prolonged survival in glioblastoma patients despite integrated immunosuppressive mechanisms in the tumor microenvironment and at the systemic level. J Neuroimmunol 2013;264: Ljunggren HG, Malmberg KJ. Prospects for the use of NK cells in immunotherapy of human cancer. Nat Rev Immunol 2007;7: Bauer S, Groh V, Wu J, Steinle A, Phillips JH, et al. Activation of NK cells and T cells by NKG2D, a receptor for stress-inducible MICA. Science 1999;285: Chiesa S, Tomasello E, Vivier E, Vely F. Coordination of activating and inhibitory signals in natural killer cells. Mol Immunol 2005;42: Ruggeri L, Capanni M, Urbani E, Perruccio K, Shlomchik WD, et al. Effectiveness of donor natural killer cell alloreactivity in mismatched hematopoietic transplants. Science 2002;295: Hsia JY, Chen JT, Chen CY, Hsu CP, Miaw J, et al. Prognostic significance of intratumoral natural killer cells in primary resected esophageal squamous cell carcinoma. Chang Gung Med J 2005;28: Savani BN, Mielke S, Adams S, Uribe M, Rezvani K, et al. Rapid natural killer cell recovery determines outcome after T-cell-depleted HLA-identical stem cell transplantation in patients with myeloid leukemias but not with acute lymphoblastic leukemia. Leukemia 2007;21: Brandt CS, Baratin M, Yi EC, Kennedy J, Gao Z, et al. The B7 family member B7-H6 is a tumor cell ligand for the activating natural killer cell receptor NKp30 in humans. J Exp Med 2009;206: Koch J, Steinle A, Watzl C, Mandelboim O. Activating natural cytotoxicity receptors of natural killer cells in cancer and infection. Trends Immunol 2013;34: Topham NJ, Hewitt EW. Natural killer cell cytotoxicity: how do they pull the trigger? Immunology 2009;128: Lieberman J. The ABCs of granule-mediated cytotoxicity: new weapons in the arsenal. Nat Rev Immunol 2003;3: B e s t P r a c t i c e d e s e m b e r