NO, Immunosuppression and Tumor Immmunotherapy

Abstract

This study aims at clarifying the role of NO in the immunosuppression induced by in vivo tumor growth and by tumor immunotherapy, and determining whether the inhibition of NO production can be used as an adjuvant in tumor immunotherapy. We have shown previously that tumor cells, glioma (N32) and colon carcinoma (H1D2), when genetically engineered to express such immune stimulatory cytokines as IFN-g and IL-18, induce strong anti-tumor immune response, in immunized tumor-free rats, whereas only a limited therapeutic effect is achieved in rats in which a tumor has already become established. This led us to our studying whether immmunosuppression induced in rats by a subcutaneously growing malignant glioma and in rats with an intrahepatic growing colon carcinaoma would attenuate anti-tumor immune responses. Anti-tumor cytolytic responses, proliferative responses and cytokine production were found to all be strongly suppressed in the spleen cells of these tumor-bearing rats. The suppression was also shown to be partially dependent on the production of nitric oxide (NO) by the suppressor cells found in the plastic adherent fraction of the spleen cells. Since during inflammatory responses the major part of NO is derived from the IFN-g induced expression of inducible nitric oxide synthase (iNOS), it was of interest to investigate whether the expression of iNOS is induced after immunization by IFN-g-secreting glioma cells (N32 IFN-g) and whether the inhibition of NO generated by iNOS in immunized rats would enhance anti-tumor immune responses. The expression of iNOS was found to be elevated, both at the immunization site and in the brain tumors. The selective inhibition of iNOS was shown to enhance anti-tumor immune responses. In conclusion, our results demonstrate that in immunized rats both growing tumors and immunotherapeutic intervention by use of IFN-g secreting tumor cells tends to induce NO-dependent suppressor cell activity that inhibits anti-tumor immune responses. It appear then that the selective inhibition of iNOS can be used as an adjuvant for enhancing type 1 anti tumor T-cell responses during anti-tumor immunotherapy.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tumörimmunologisk grundkurs:



En tumörcell har en gång i tiden varit en vanlig laglydig cell i någon av kroppens vävnader men på grund av arv eller dålig uppväxtmiljö så har denna cell upphört att följa de tillväxt begränsande regler som normala celler rättar sig efter. Förutom att kontrollen av celldelningen upphört så kan tumörcellen uppvisa ett mer eller mindre asocialt beteende. De tumörer som fortfarande är lyhörda för en del av kroppens tillväxt begränsande regler och signaler och därför inte invaderar omgivande vävnad brukar benämnas benign tumör. Medan den värre sorten som är helt okänslig för vad omgivningen tycker ger sig på att invadera omgivande vävnad. Denna tumörform är alltså malign och brukar benämnas cancer. När cancer invaderar annan vävnad kallas detta för metastasering.



Immunförsvaret liknas ofta vid vårt militära försvar och i grova drag så kan tre olika försvarslinjer urskiljas. Första försvarslinjen består av anatomiska, fysiologiska och kemiska barriärer dvs. hud, pH, temperatur och kemiska substanser. Den andra försvarslinjen består av så kallade fagocyterande celler (monocyter, makrofager, och neutrofiler) som ?patrullerar blod och vävnader? för att snabbt vara på plats för att döda och äta upp hela eller delar av invaderande mikroorgamismer. De fagocyterande cellerna och andra celler i det ospecifika immunförsvaret, som t.ex. NK celler, håller fienden stången till dess att den tredje försvarslinjen bestående av det specifika immunförsvaret alarmerats och aktiverats. Det specifika immunförsvaret består av högt specialiserade B och T lymphocyter där varje enskild cell är utbildad till att känna igen en specifik molekylstruktur eller antigen på ytan av till exempel infekterade celler eller ?fria? främmande agens i kroppsvätskor och vävnader. Samtidigt med denna specialisering så är detta immunförsvar oerhört diversifierat och kan aktiveras till att känna igen praktiskt taget vilken främmande molekyl struktur som helst. Dessa celler har också lärt sig att skilja kroppsegna ämnen från främmande. En annan viktig egenskap är att det specifika immunförsvaret har ett immunologiskt minne, vilket gör att immunförsvaret vid en andra infektionen av identiskt virus eller bakterie reagerar mycket snabbt och därigenom undviker att individen insjuknar i samma infektion en gång till. Man är immun.



Redan för mer än hundra år sedan så började en del läkare ana att immunförsvaret kunde aktiveras till att bekämpa tumörer. Man hade nämligen sett att en del tumörer minskade då patienter insjuknade i vissa bakterie infektioner. Under en stor del av 1900 talet så debatterades huruvida immunreaktioner kunde aktiveras mot tumörceller som uppstått från kroppens egna celler. Det dröjde till senare delen av 1900-talet innan man i djurmodeller lyckades visa att immunförsvaret utan att skada annan vävnad kunde känna igen och avstöta kroppsegna tumörer. Under det senaste decenniet så har ett flertal tumörspecifika proteiner identifierats. Paradoxen inom tumörimmunologi är att tumörer, trots att immunreaktioner kan aktiveras till att stöta bort dessa, kan växa ut hos individer med väl fungerande immunfunktioner. Tumörer har alltså utvecklat strategier för att undfly immunförsvarets attacker. Många tumörer undviker att upptäckas av immunförsvaret genom att inte visa upp sina tumörspecifika proteiner på cellytan. Ett annan strategi är att aktivt ge sig på immunförsvaret och neutralisera dess förmåga till att attackera tumören. Hos patienter med cancer så har det observerats att immunförsvarsreaktioner försämras i takt med att tumören växer till.



Många olika strategier har använts för att aktivera immunförsvarsreaktioner mot tumörer, vid så kallad tumör vaccinering. En av de viktigaste cellerna i immunförsvarets attack mot tumörer anses av många vara de cytolytiska T-cellerna, men även andra inflammatoriska celler såsom NK-celler och makrofager kan understödja i attacken mot tumören. I våra vaccinationer så använder vi oss därför av tumörceller som har manipulerats (genetiskt) till att uttrycka molekyler som skall förstärka dessa immunreaktioner mot tumören.



Denna studie:



I denna studie så har vi arbetat med två olika rått-tumörmodeller, en gliom och en koloncancer. Hos råttor med etablerad hjärntumör så har vi tidigare visat att vaccinering med gliom-celler som manipulerats till att producera den immunstimulerande molekylen IFN-g leder till tumöravstötning och långtidsöverlevnad hos över 40% av råttorna. I kolon-tumörmodellen så har vi vaccinerat med tumörceller som producerar IL-18. Vaccinering med den senare leder till skydd mot nyetablering av tumör men inte till avstötning av redan etablerad tumör. En av förklaringarna till utebliven bot i dessa båda modeller (60% i gliom och 100% i kolon) kan vara att tumören lyckats avväpna eller passivisera immunförsvaret. För att ta reda på om detta var fallet i vår tumörmodell så undersöktes immunfunktionen hos immunceller från tumörbärande djur. Det visade sig då att immunceller från djur med växande gliom eller kolontumör hade kraftigt försämrad förmåga till att attackera tumörceller. Dessutom så kunde vi se att funktionen hos dessa immunceller försämrades i takt med att tumörerna växte.



Tumörer kan neutralisera immunförsvaret genom att utsöndra faktorer som direkt neutraliserar immunförsvaret eller genom att aktivera andra celler i immunförsvaret till att producera immunhämmande faktorer. En överreaktion eller okontrollerad immunreaktion är direkt livsfarlig för den enskilde individen (jämför med en armé som vänder sig mot den egna staten), därför är immunförsvaret konstruerat så att en immunaktivering automatiskt skall stängas av då faran är över. En del av de faktorer som produceras av aktiverade immunceller bidrar till att dämpa eller nedreglera immunreaktioner. I många fall så tycks det som om tumörer lyckats med konststycket att aktivera immunceller till att producera immmunhämmande substanser. Detta undersöktes därför i våra tumörmodeller och vi kunde konstatera att i mjälten på våra råttor så fanns det immunceller som verkade hämmade på immunreaktionerna mot tumören. Dessa celler visade sig också producera onormalt höga nivåer av kväveoxid.



Det har varit känt i knappt 15 år att kväveoxid är en viktig signalsubstans för reglering av blodflöde. Denna upptäckt belönades också 1998 med nobelpriset i medicin, och har bland annat lett till utvecklandet av den kända medicinen Viagra. Intresset för kväveoxidernas funktion inom medicinsk biologi har därefter vuxit explosionsartat och kväveoxider har tillskrivits allt fler fysiologiska funktioner. För cirka 10 år sedan så kunde man visa att kväveoxider produceras från aktiverade immunceller och framförallt ifrån makrofager. Denna kväveoxid-produktion utnyttjas av immunförsvaret till att ta kål på tumörceller eller invaderande mikroorganismer men kan också leda till att immunceller och framförallt de viktiga T-cellerna inaktiveras. I vår studie så kunde vi visa att den ökade kväveoxid-produktionen var en av de bidragande orsakerna till de försämrade immunfunktionerna hos tumörbärande råttor.



Kväveoxid-produktion från aktiverade immunceller kan alltså påverka immunförsvarets attacker mot tumörer. Därför ville vi undersöka om vaccinering med våra IFN-g producerande tumörceller påverkade kväveoxid-produktionen hos våra råttor. Resultat från denna studie visar att vaccinering av råttor med dessa IFN-g producerande tumörceller leder till ökad kväveoxid produktion från makrofager såväl vid immuniseringsstället som i den växande hjärntumören. För att ta reda på vilken roll denna ökade kväveoxid-produktion kunde ha för immunförsvarsfunktionerna så behandlades vaccinerade råttor med en substans som hämmar kväveoxid-produktionen. Det visade sig att behandling med kväveoxid-hämmare ledde till förstärkta immunreaktioner mot tumören.



Våran slutsats är att behandling med kväveoxid-hämmare i kombination med tumör-vaccinering skulle kunna användas för att förbättra immunoterapi-behandling av cancer. Försök har inletts för att studera detta.

• author: Hegardt, Pontus
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Hellstrand, Kristoffer
• organization: Neurosurgery
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery; Neurology
• keywords: Immunology, serology, transplantation, Immunologi, serologi, IL-18, IFN-gamma, rat, colon carcinoma, glioma, tumor immunotherapy, immunosuppression, NO, iNOS
• pages: 162 pages
• defense location: Rune Grubb-salen, Biomedicinskt centrum, Sölvegatan 19, LUND
• defense date: 2002-02-01 10:15:00
• ISBN: 91-628-5089-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Hegardt, P., Widegren, B., and Sjögren H.O. Nitric Oxide dependent systemic immunosuppression in animals with progressively growing malignant gliomas. Cellular Immunology, 200, 116-127 (2000) Article: II. Hegardt, P., Widegren, B., Li, L., Sjögren, B., Kjellman, C., Sur, I., and Sjögren, H.O. Nitric oxide synthase inhibitor and IL-18 enhance the anti-tumor immune response of rats carrying an intrahepatic coloncarcinoma.Cancer Immunology Immunotherapy, 50, 491-501 (2001) Article: III. Johansson, A.C., Hegardt, P., Janelidze, S., Visse, E., Widegren, B., and Siesjö, P. Enhanced expression of iNOS intra tumorally and at the immunization site after immunization with IFN-g secreting rat glioma cells. Journal of Neuroimmunology, In press Article: IV. Hegardt, P., Esbjörnsson, M., Salford, L.G., and Siesjö, P. Selective inhibition of inducible nitric oxide synthase enhances anti-tumor immune responses in rats immunized with IFN-g secreting glioma cells. Submitted
• id: ac591b9a-7817-4304-a231-229104d183e3 (old id 464251)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:24:55
• date last changed: 2018-11-21 21:10:49