PTU - Polskie Towarzystwo Urologiczne

Podstawy patogenetyczne działania BCG-terapii powierzchownego raka pęcherza moczowego
Artykuł opublikowany w Urologii Polskiej 2005/58/2.

autorzy

Tomasz Demkow
Klinika Nowotworów Układu Moczowego, Centrum Onkologii - Instytut im. M. Skłodowskiej-Curie w Warszawie
Kierownik kliniki: dr hab. Tomasz Demkow

słowa kluczowe

pęcherz moczowy, powierzchowny rak pęcherza, BCG-terapia, mechanizm działania, zapalenie, cytotoksyczność

streszczenie

wstęp
BCG-terapia powierzchownego raka pęcherza moczowego jest najskuteczniejszą spośród wszystkich znanych metod immunoterapii nowotworów. Mechanizm przeciwnowotworowego działania BCG, jakkolwiek nie do końca wyjaśniony, wiąże się z indukcją swoistej odpowiedzi immunologicznej. Skuteczność immunoterapii BCG jest wyższa niż skuteczność miejscowej chemioterapii.
materiał i metody
Dokonano retrospektywnej analizy piśmiennictwa przy wykorzystaniu bazy danych MEDLINE, poszukując danych dotyczących różnych aspektów odpowiedzi immunologicznej na szczepionkę BCG in vivo i in vitro zarówno na modelu ludzkim, jak i zwierzęcym.
wyniki
Pierwszym etapem swoistej reakcji zapalnej jest inwazja nabłonka pęcherza przez komórki bakterii zależna od fibronektyny. Prezentacja antygenów prątka oraz produkcja pozapalnych cytokin (IL1, IL6, TNFa, INFg) w sposób kaskadowy nasila proliferację, rekrutację i aktywację licznych komórek zapalnych w ścianie pęcherza. Najistotniejszym jednak mechanizmem działania BCG jest uruchomienie bezpośredniego mechanizmu cytotoksycznego w stosunku do komórek nowotworowych. Zabijania komórek nowotworowych dokonują swoiste komórki cytotoksyczne aktywowane BCG (BAK ? BCG activated killers). Komórki BAK działają cytotoksycznie poprzez produkcję perforyn uszkadzających błonę komórki docelowej.
wnioski
Skuteczność BCG warunkuje zachowanie całego ciągu zjawisk immunologicznych prowadzącego do rozwoju ziarniniakowatego zapalenia w ścianie pęcherza.

BCG terapia powierzchownego raka pęcherza moczowego polega na dopęcherzowym podawaniu serii wlewek szczepionki BCG chorym po elektroresekcji przezcewkowej guza. Do zabiegu kwalifikuje się chorych z nowotworem z nabłonka przejściowego w stopniu Cis (rak śródnabłonkowy), T1 (szczególnie G3) lub w przypadku częstych mnogich nawrotów powierzchownego raka [1,2,3].

BCG terapia raka pęcherza jest najskuteczniejszą spośród wszystkich znanych metod immunoterapii nowotworów [1,2,4]. Skuteczność immunoterapii BCG w zapobieganiu wznowie jest oceniana na 70-99% i jest wyższa niż miejscowej chemioterapii [2,5,6,7,8].

Idea BCG-terapii nowotworów wywodzi się z dwóch słynnych obserwacji sprzed około 100 lat [9,10]. Już w ostatniej dekadzie XIX w. Coley ustalił empirycznie pewne zasady leczenia nowotworów, opierając się na obserwacji zjawiska regresji guzów nowotworowych pod wpływem produktów bakteryjnych (tak zwana toksyna Coleya) [9]. W 1929 r. Pearl, bazując na wynikach badań sekcyjnych, odnotował znacząco niższą zapadalność na nowotwory złośliwe u osób chorych na gruźlicę w porównaniu z osobami bez cech tej choroby [10].

Antynowotworowe działanie BCG po raz pierwszy wykazane zostało na modelu zwierzęcym ortotopowego raka wątroby u świnek morskich przez Zbara i wsp. [11]. Autorzy ci określili również warunki skuteczności tej metody immunoterapii [11]. Efektywność terapii adjuwantowej za pomocą BCG warunkuje:

- mała masa guza,

- bezpośredni kontakt między komórkami guza a BCG,

- odpowiednio wysoka dawka szczepionki,

- guz nie przekraczający granic zajętego narządu.

Warunki powyższe są spełnione w przypadku powierzchownego raka pęcherza. Dodatkowo istotnym czynnikiem pozostaje fakt, iż powierzchowne guzy pęcherza często nie są ograniczone do pojedynczych ognisk, lecz choroba rozszerza się poza widoczne zmiany brodawczakowate (cis), stąd logiczne wydaje się zastosowanie leków wpływających na cały nabłonek przejściowokomórkowy pęcherza moczowego.

Mathe` i wsp. po raz pierwszy zastosowali i opisali immunoterapię BCG w leczeniu nowotworów u ludzi [12]. W 1969 roku autorzy ci zastosowali BCG u chorych na ostrą białaczkę limfoblastyczną [12]. Obiecujące wyniki tej pracy zachęciły do przeprowadzenia szeregu badań klinicznych u chorych na różne nowotwory złośliwe. W 1976 roku Morales i wsp. jako pierwsi potwierdzili skuteczność BCG w leczeniu powierzchownego raka pęcherza [13].

BCG-terapia raka pęcherza moczowego uważana jest za najskuteczniejszą metodę immunoterapii nowotworów [4]. Obecnie dostępnych jest wiele immunoterapeutyków drugiej i trzeciej generacji: cytokin, produktów rekombinacji DNA, ale BCG pozostaje najważniejszym modyfikatorem odpowiedzi biologicznej w raku pęcherza [14,15,16,17,18,19,20,21]. Mechanizm przeciwnowotworowego działania BCG, jakkolwiek nie do końca wyjaśniony, wiąże się z indukcją miejscowej i prawdopodobnie także układowej odpowiedzi immunologicznej [14,15,16]. Skuteczność BCG warunkuje cały ciąg zjawisk immunologicznych, obejmujący zarówno nieswoiste, jak i swoiste reakcje zapalne [14,15,16]. Badania na liniach komórek nowotworowych wykluczyły bezpośrednie cytotoksyczne działanie BCG [14,15,16]. Odpowiedź przeciwnowotworowa jest ?ubocznym efektem? rozwoju swoistej, przewlekłej reakcji zapalnej [14,15,16]. Po dopęcherzowym wprowadzeniu zawiesiny prątków BCG rozwija się swoista odpowiedź immunologiczna [14,15,16]. Kolejne etapy tej odpowiedzi, to:

- inwazja komórek nabłonka pęcherza moczowego przez prątki BCG,

- pobudzenie komórek nabłonka i inicjacja reakcji zapalnej,

- rekrutacja, proliferacja i akumulacja aktywowanych komórek zapalnych w błonie śluzowej,

- formacja ziarniniaków,

- zmiana fenotypu komórek nowotworowych w środowisku zapalnych cytokin,

- odpowiedź cytotoksyczna w stosunku do komórek raka,

- regresja guza i regeneracja nabłonka.

Inwazja komórek nabłonka pęcherza moczowego przez prątki BCG

Pierwszym etapem swoistej reakcji zapalnej jest inwazja nabłonka pęcherza przez komórki bakterii [21,22,23]. Istotnym czynnikiem umożliwiającym inwazję jest fibronektyna [24,25,26]. Fibronektyna jest glikoproteiną obecną na powierzchni wielu komórek, w tym również na powierzchni nabłonka przejściowego [25,26,27]. Pozwala ona na zakotwiczanie komórek w otaczających strukturach, a także ułatwia przyleganie różnych czynników do powierzchni komórek. Można więc uznać fibronektynę za rodzaj cząsteczki przylegania (adhezyjny) [26,27]. Prątki BCG mają receptory dla fibronektyny [25,27,28]. Połączenie tych receptorów z fibronektyną, obecną na powierzchni komórek nabłonka, umożliwia inwazję wewnątrzkomórkową bakterii [21,22,25,29]. Zablokowanie przylegania prątków do fibronektyny uniemożliwia powstanie swoistego nacieku zapalnego [27]. Po adhezji komórek bakteryjnych następuje ich internalizacja do wnętrza komórek (zarówno nowotworowych, jak i prawidłowych), (ryc. 1). [25,26,27,29].

Pobudzenie komórek nabłonka

Zakażone komórki nabłonka rozpoczynają produkcję chemokin, takich jak interleukina 8 (IL8), monocyte chemotactic peptide 1 (MCP ?1), MIP-a [30,31]. Gradient chemokin przyciąga komórki zapalne do miejsca rozwoju odpowiedzi immunologicznej i inicjuje powstanie nacieku zapalnego [30,31,32]. Kilka godzin po dopęcherzowym podaniu zawiesiny bakterii w błonie śluzowej gromadzą się granulocyty obojętnochłonne, a w ciągu kilku dni formują się nacieki aktywowanych monocytów i limfocytów [14,16]. Cytokiny wydzielane przez pobudzone komórki zapalne aktywują podśluzówkowe komórki prezentujące antygen (rezydujące komórki dendrytyczne i makrofagi nacieku zapalnego) [32,33] (ryc. 2).

Rekrutacja, proliferacja i akumulacja aktywowanych komórek zapalnych w błonie śluzowej

Prezentacja antygenów prątka oraz produkcja pozapalnych cytokin (IL1, IL6, TNFa, INFg) w sposób kaskadowy nasila proliferację, rekrutację i aktywację licznych swoiście uczulonych komórek zapalnych w ścianie pęcherza [14,16,30,32,33]. Profil produkowanych cytokin wskazuje na przewagę limfocytów o fenotypie Th1 [32,34,35]. Zmienia się również stosunek limfocytów CD4/CD8, który w warunkach prawidłowych wynosi 1:2, natomiast po podaniu BCG 2:1 [36].

Formacja ziarniniaków

Końcowym etapem odpowiedzi immunologicznej jest formacja swoistych ziarniniaków ze skłonnością do martwicy w ścianie pęcherza moczowego [14,16,37]. Swoiste zapalenie błony śluzowej pęcherza różni się histopatologicznie od nieswoistej reakcji zapalnej w odpowiedzi na klasyczną chemioterapię [37] (ryc. 3, 4).

Zmiana fenotypu komórek nowotworowych w środowisku zapalnych cytokin

W swoistym mikrośrodowisku i przy udziale charakterystycznego profilu cytokin dochodzi do zmiany fenotypu komórek raka [2,14,34]. Obserwowany jest wzrost ekspresji antygenów zgodności tkankowej (MHC) klasy I i klasy II oraz wzrost ekspresji molekuły Fas (odpowiedzialnej za uruchomienie apoptozy, czyli programowanej śmierci komórki) i ICAM-1 (jednej z najważniejszych cząstek przylegania, warunkującej rozwój odpowiedzi zapalnej) na komórkach nowotworowo zmienionego nabłonka przejściowego [2,14,34]. Produkowane cytokiny, a zwłaszcza INFg, TNFa i IP?10, działają antyproliferacyjnie oraz hamują angiogenezę nowotworową [30,31,32,33].

Odpowiedź cytotoksyczna w stosunku do komórek raka

Najistotniejszym jednak mechanizmem działania BCG jest uruchomienie bezpośredniego mechanizmu cytotoksycznego w stosunku do komórek nowotworowych [14,15,16,38,39]. Zabijania komórek nowotworowych dokonują swoiste komórki cytotoksyczne aktywowane BCG (BAK ? BCG activated killers) [14,38]. Fenotyp komórek BAK oraz ich właściwości różnią się od klasycznych komórek cytotoksycznych dla nowotworów (LAK). Fenotyp komórek BAK charakteryzuje obecność markerów CD8+ i CD56+ oraz brak markera CD3- [38,39]. Taki fenotyp zalicza je do komórek nie-T, zbliżonych funkcjonalnie do komórek NK (Natural Killers ? głównej subpopulacji nieswoistych komórek cytotoksycznych) [14,38,39]. Indukcja komórek BAK jest bardzo złożona i wymaga obecności limfocytów CD4, CD8 i makrofagów w ścianie pęcherza [14,39]. Komórki BAK działają cytotoksycznie podobnie do komórek NK poprzez produkcję perforyn uszkadzających błonę komórki docelowej [38,39]. Poza mechanizmem powiązanym z indukcją komórek BAK istnieją również inne mechanizmy cytotoksyczne w stosunku do nowotworowo zmienionego nabłonka pęcherza. W nacieku zapalnym pojawiają się klasyczne komórki LAK (Lymphokine Activated Killers) indukowane przy obecności wysokiego stężenia IL2 i INFg. Cytotoksycznie działają również produkty pobudzonych makrofagów (tlenek azotu ? NO, TNFa oraz wolne rodniki tlenowe) (ryc. 5).

Regresja guza i regeneracja nabłonka

Naciek uczulonych komórek zapalnych i obecność ziarniniaków w ścianie pęcherza ustępuje po okresie około 12 miesięcy, jakkolwiek w niektórych przypadkach obecność ziarniniaków stwierdzano po wielu latach od zakończenia terapii [37]. Po tym czasie następuje odnowa nabłonka przejściowego. Powtórne podawanie wlewki podtrzymuje przewlekłą reakcję zapalną [37].

Miejscowej odpowiedzi immunologicznej towarzyszy reakcja ogólnoustrojowa [40]. W surowicy stwierdza się podwyższony poziom cytokin pozapalnych [29,30,32,33]. Może wystąpić odczyn gorączkowy, który jest dodatnim czynnikiem rokowniczym [40,41].

Warunkiem skuteczności dopęcherzowej immunoterapii BCG jest zachowanie całego ciągu zjawisk immunologicznych następujących po podaniu BCG do pęcherza moczowego, prowadzący do rozwoju zapalenia ziarniniakowego w ścianie pęcherza [14,15,16,37]. Działanie antynowotworowe jest ?efektem ubocznym? swoistej nekrotycznej reakcji zapalnej [14,37]. Próby zastosowania poszczególnych mediatorów tej reakcji (INFg, IL2) były znacznie mniej skuteczne w leczeniu powierzchownego raka pęcherza [17,18,19,20,21].

piśmiennictwo

  1. Broghammer EL, and Ratliff TL: Immunotherapy of Urologic Tumors: Principles and Progress. Urologic Oncology 2002; 7; 45-56.
  2. Catalona WJ, Ratliff TL: Bacillus Calmette-Guerin & superficial bladder cancer. Clinical experience & mechanism of action. Surgery Annual 1990; 22; 363-378.
  3. Hillyard RW Jr, Ladaga L, and Schellhammer PF: Superficial Transitional
  4. Cell Carcinoma of the Bladder Associated With Mucosa Involvement of the
  5. Prostatic Urethra: Results of Treatment With Intravesical Bacillus
  6. Calmette-Guérin. J Urol 1988; 139; 290-293.
  7. Chapmann PB, Houghton C: Non-antibody immunotherapy of cancer. Curry Opin Immunol, 1993; 5; 726-773.
  8. Lamm DL, van der Meijden AP, Akaza H, Brendler C, Hedlund PO, Mizutani Y, Ratliff TL, Robinson MR, and Shinka T: Intravesical chemotherapy and immunotherapy: How do we assess their effectiveness and what are their limitations and uses? Intl J Urol 1995; 2; 23-35.
  9. Shapiro A, Ratliff TL, Oakley DM, Catalona WJ: Comparison of the efficacy of intravesical bacillus calmette-guerin with thiotepa, mitomycin C, poly I: C/Poly-L-Lysine and Cis platinum in murine bladder cancer. J Urol 1984; 131; 139-141.
  10. Krege S, Giani G Meyer R et al: A randomized multicentre trial of adjuvant therapy in superficial bladder cancer: transurethal resection only versus transurethal resection plus mitomycin C versus transurethal resection plus Bacillus Calmette- Guerin. J Urol 1996; 156; 962-696.
  11. Lamm DL, Blumenstein BA, Crawford ED, et al: A randomized trial of
  12. intravesical doxorubicin and immunotherapy with Bacille Calmette-Guérin
  13. for transitional-cell carcinoma of the bladder. N Engl J Med
  14. ; 25; 205-1210.
  15. Nauts HC, Fowler GA, Bogatko FH: A review of the influence of bacterial infection and of bacterial products (Coley?s toxins) on malignant tumors in man. Acta Med Scand Suppl 1953; 276; 1-103.
  16. Pearl R: Cancer and tuberculosis. Am J Hyg 1929; 9; 97-159.
  17. B. Zbar ID, Bernstein, GL Bartlett et al: Immunotherapy of cancer: regression of intradermal tumors and prevention of growth of lymph node metastases after intralesional injection of living Mycobacterium bovis. J Natl Cancer Inst 1972; 49: 119.
  18. Mathe G, Amiel JL, Schwarzenberg L et al: Active immunotherapy for acute lymphoblastic leukaemia. Lancet 1969 5; 1; 697-699.
  19. Morales A, Eidinger D, Bruce AW: Intracavity BCG in the treatment of superficial bladder tumors. J Urol 1976; 116; 180-183.
  20. Ratliff TL: BCG: Mechanism of action in superficial bladder cancer. Urology 1991; 37; 8-11.
  21. Schamahart DHJ, Kurth KHK, de Rejke TM, Vleeming R: BCG treatment and the importance of an inflammatory response. Urol Res 1992; 20; 199-203.
  22. Van der Meijden AP, Steerenberg PA, van Hoogstraaten IM et al: Immune reactions in patients with superficial bladder cancer after intradermal and intravesical treatment with Bacillus Calmette- Guerin. Cancer Immunol Immunother 1989; 28; 287-295.
  23. Glashan RW: A randomized controlled study of intravesical alpha-2b
  24. interferon in carcinoma in situ of the bladder. J Urol 1990; 144; 658.
  25. Bahnson RR, and Ratliff TL: In vitro and in vivo anti-tumor activity of recombinant mouse tumor necrosis factor (TNF) in a mouse bladder tumor (MBT-2). J Urol 1990; 144; 172-175.
  26. Hudson MA, Ratliff TL: Failure of intravesical interferon-alpha-2b for the treatment of patients with superficial bladder cancer previously failing intravesical BCG therapy. Urol Oncol 1995; 1; 115-118.
  27. Belldegrun AS, Franklin JR, O?Donnell MA, Gomella LG, Klein E, Neir Rudolph, Nseyo UO, Ratliff TL, Williams RD, and Kellihan M: Superficial bladder cancer: The role of interferon-g. J Urol 1998; 159; 1793-1801.
  28. Belldegrun AS, Franklin JR, O?Donnell MA et al: Superficial bladder cancer: The role of interferon-alpha. J Urol 1998; 160; 1444.
  29. Ratliff TL, Palmer J, McGarr J, Brown E: Intravesical bacillus calmette-guerin (BCG) therapy for murine bladder tumors: Initiation of the response by fibronectin-mediated attachment of BCG. Can Res 1987; 47; 1762-1766.
  30. Ratliff TL, McGarr JA, Abou-Zeid C et al: Attachment of mycobacteria to fibronectin coated surfaces. J Gen Microbiol 1988; 134; 1307-1313.
  31. Abou-Zeid C, Ratliff TL, Wiker HG et al: Characterization of fibronectin-binding antigens released by mycobacterium tuberculosis and mycobacterium bovis BCG. Infect and Immunity 1988; 56; 3046-3051.
  32. Zhao W, Schorey JS, Groger R et al: Characterization of the fibronectin binding motif for a unique mycobacterial fibronectin attachment protein, FAP. J Biol Chem 1999; 274; 4521-4526.
  33. Zhao W, Schorey JS, Bong-Mastek M et al: Role of a bacillus calmette-guerin fibronectin attachment protein in BCG-induced antitumor activity. Int J Cancer 2000; 86; 83-88.
  34. Kavoussi LR, Brown EJ, Ritchey JK, Ratliff TL: Fibronectin mediated bacillus-calmette guerin attachment to murine bladder mucosa: Requirement for the expression of an antitumor response. J Clin Invest 1990; 85; 62-67.
  35. Becich MJ, Carroll S, Ratliff TL: Internalization of bacille calmette-guerin by bladder tumor cells. J Urol 1991; 145; 1316-1324.
  36. Kuroda K, Brown EJ, Telle WB et al: Characterization of the internalization of bacillus-calmette-guerin by human bladder tumor cells. J Clin Invest 1993; 91; 69-76.
  37. Thalmann GN, Dewald B, Gallati H et al: Interleukin ? 4 (L-4), interleukin- 6 (IL-6), interleukin- 8 (IL-8), tumor necrosis factor- alfa, tumor necrosis factor receptors (TNFR) 55 and 75 after intravesical instillations with Bacillus Calmette- Guerin (BCG) in patients with superficial bladder cancer. J Urol 1993; 149; 337A.
  38. Ratliff TL, Haaff EO, and Catalona WJ: Interleukin 2 productin during intravesical BCG therapy for bladder cancer. Clin Immunol & Immunopathol 1986; 40; 375-379.
  39. Fleischmann JD, Toossi A, Ellner Jj et al: Urinary interleukins in patients receiving intravesical bacillus calmette-guerin therapy for superficial bladder cancer. Cancer 1989; 64; 1447-1454.
  40. Nadler R, Luo Y, Zhao W et al: Interleukin 10 induced augmentation of delayed-type hypersensitivity (DTH) enhances Mycobacterium bovis bacillus Calmette-Guérin (BCG) mediated antitumor activity. Clin Exp Immunol 2003; 131; 206-216.
  41. Saint F, Patard JJ, Maille P et al: Prognostic value of a T helper 1 urinary cytokine response after intravesical bacillus Calmette ? Guerin treatment for superficial bladder cancer. J Urol 2002; 167; 364-367.
  42. Ratliff TL, Gillen DP, Catalona WJ: Requirement of a thymus dependent immune response for BCG-mediated antitumor activity. J Urol 1987; 137; 155-158.
  43. Ratliff TL, Ritchey JK, Yuan JJJ et al: T-cell subsets required for intravesical BCG immunotherapy for bladder cancer. J Urol 1993; 150; 1018-1023.
  44. Lage JM, Bauer WC, Kelley DR et al: Histologic parameters and pitfalls in the interpretation of bladder biopsies in BCG treatment of superficial bladder cancer. J Urol 1986; 135; 916-919.
  45. Shapiro A, Ratliff TL, Oakley DM, Catalona WJ: Reduction of bladder tumor growth in mice treated with intravesical bacillus calmette-guerin and its correlation with bacillus calmette-guerin viability and natural killer cell activity. Can Res 1983; 43; 1611-1615.
  46. Brandau S, Riemensberger J, Jacobsen M et al: NK cells are essential for effective BCG Immunotherapy. Int J Cancer 2001; 92; 697-702.
  47. Taniguchi K, Koga S, Nishikido M et al: Systemic immune response after intravesicial instillation of bacille Calmette-Guerin (BCG) for superficial bladder cancer. Clin Exp Immunol 1999; 115; 131-135.
  48. Torrence RJ, Kavoussi LR, Catalona WJ, Ratliff TL: Prognostic factors in patients treated with bacillus calmette-guerin for superficial bladder cancer. J Urol 1988; 139; 941-944.

adres autorów

Tomasz Demkow
Klinika Nowotworów Układu Moczowego
02-781 Warszawa
ul. Roentgena 5
tel. (022) 546 24 62
demkow@coi.waw.pl