Prognostic Features of Immune Response in Colorectal Cancer

Abstract

Kolorektaalisyöpä on yksi maailman yleisimmistä syövistä. TNM-luokitus on yleisimmin käytetty menetelmä kolorektaalisyövän levinneisyyden luokittelussa, mutta taudin ennuste voi vaihdella huomattavasti jopa saman TNM-luokan sisällä. Immuuniympäristön merkitys syövän ennusteelle on tunnistettu tärkeäksi tekijäksi. Kasvainta infiltroivat lymfosyytit ovat merkittäviä tuumorikasvun hillitsijöitä ja erityisesti CD3+ ja CD8+ sytotoksiset T-lymfosyytit ja tertiääriset imukudokset, joita kolorektaalisyövän yhteydessä kutsutaan Crohnin kaltaiseksi reaktioksi (englanniksi Crohn’s like reaction, CLR), liittyvät suotuisampaan tautiennusteeseen niin kolorektaalisyövässä kuin monissa muissakin syöpätaudeissa.

Merkkinä yrityksestä väistää vihamielistä immuuniympäristöä, osa kasvaimista tuottaa suuria määriä inhiboivia tarkastuspisteen proteiineja kuten PD-1 ja PD-L1. Uudet immunoterapiat immuuniaktivaation vapauttajilla ovatkin osoittautuneet tehokkaiksi monissa syöpätaudeissa kuten yhteensopimattomien nukleotidien korjausproteiinien (mismatch repair, MMR) puutoksen seurauksena syntyneessä kolorektaalisyövässä. Tämä väitöskirja pyrkii selventämään kolorektaalisyövän immuuniympäristön immunohistokemiallisen analyysin ennusteellista hyötyä.

Ensimmäisessä tutkimuksessa kasvainta infiltroivista CD3+ ja CD8+ T-lymfosyyteistä yhdistetty immuunisolupisteytys osoittautui itsenäiseksi selviytymistä ennustavaksi tekijäksi 510 paksusuolisyöpäpotilaan joukossa riippumatta kasvaimen MMR-statuksesta tai TNM-luokituksesta.

Toisessa tutkimuksessa 94 MMR-puutteista kolorektaalisyöpää yhdessä 100 iän ja TNM-luokituksen suhteen yhtenevän MMR-ilmentävän kasvaimen ja 48 Lynchin syndroomaan liittyvän kasvaimen kanssa analysoitiin ja vertailtiin keskenään. CD3+, CD8+ ja PD-1+ lymfosyyttimäärät ja PD-L1-ekspressio immuunisoluissa yhdistettiin yhdeksi pisteytysjärjestelmäksi, immuuniprofiiliksi, joka osoittautui itsenäiseksi ja tarkemmaksi ennusteelliseksi työkaluksi kuin yksikään sen osatekijöistä.

Kolmannessa osatyössä 346 peräsuolisyöpäpotilasta (joista 95 oli saanut leikkausta edeltävän lyhyen sädehoidon, 97 pitkän kemosädehoidon ja 154 leikattiin ilman esihoitoja) arvioitiin histopatologisten tekijöiden, kuten CLR:n, suhteen kokoleikkeistä. T-lymfosyyttien määrät olivat vähentyneet lyhyen sädehoidon jälkeen, mutta CLR oli harvinaisempaa pitkän kemosädehoidon saaneilla. T-solujen etäisyyspisteytys ja CLR tiheys olivat ennusteellisia tekijöitä kasvaimissa, jotka eivät saaneet esihoitoa ja ne voitiin yhdistää ennusteelliselta kyvyltään yksittäisiä muuttujia tehokkaammaksi immuuniluokaksi. Sädetetyissä kasvaimissa T-solujen määrä menetti itsenäisen ennustearvonsa, vaikka CLR tiheys säilyi merkittävänä. Tekijöiden yhdistelmä myös sädetettyjen ryhmässä kuitenkin paransi molempien ennustevaikutusta.

Neljännessä tutkimuksessa analysoimme kasvaimen mikroympäristöä ja kävimme läpi kliinisen datan ja toteutuneet hoidot kaikkien Keski-Suomen keskussairaalassa vuosina 2000–2015 hoidettujen MMR-puutteisten kolorektaalisyöpäpotilaiden osalta tarkoituksena arvioida immuuniaktivaation vapauttajahoidon mahdollisuuksia suuressa 1343 kolorektaalisyöpäpotilaan joukossa. Kaikkiaan 171 MMR-puutteista kolorektaalisyöpäpotilasta tunnistettiin, joista 35:llä tauti metastasoi. Koska MMR-puutteiset potilaat olivat yleisesti ottaen vanhempia ja sairaampia, vain osa levinnyttä tautia sairastavista päätyi koskaan syöpälääkehoitoihin. Monet kasvaimista ilmensivät piirteitä, jotka olisivat voineet heikentää vastetta immuuniterapialle PD-1 estäjillä.

Johtopäätöksenä kasvaimen mikroympäristön analyysillä on ennusteellista merkitystä kolorektaalisyövässä huolimatta laajasti vaihtelevien kliinispatologisten piirteiden esiintyvyydestä ja mahdollisesti annetuista esihoidoista.

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common cancers worldwide. Although TNM staging is the most widely applied method to classify the spread of CRC, the prognosis may vary substantially even between patients in the same stage. The immune environment has been recognized as an important factor in the prognosis of CRC. Tumor-infiltrating lymphocytes seem to have great significance in suppressing tumor growth; in particular, the high intratumoral infiltration of CD3+ and CD8+ cytotoxic T lymphocytes and adjacent tertiary lymphoid structures, called the Crohn’s- like lymphoid reaction (CLR) in CRC, are associated with favorable prognosis in many different malignant tumors, including CRC.

As a sign of striving for immune evasion in a hostile microenvironment, some tumors express high levels of inhibitory checkpoint proteins including PD-1 (programmed cell death protein-1) and PD-L1 (programmed cell death ligand-1). Consequently, new therapeutic approaches through cancer immunotherapy with checkpoint blockade have proven effective in numerous cancers, including mismatch repair (MMR)-deficient CRC. This dissertation aimed to clarify the prognostic utility of immunohistochemical analysis of the tumor immune environment in CRC.

In Study I, tumor-infiltrating CD3+ and CD8+ T lymphocytes as a combined immune cell score proved to be an independent prognostic factor for survival in a cohort of 510 colon cancer patients regardless of tumor mismatch repair (MMR) status or TNM stage.

In the second study, 94 MMR-deficient CRCs, together with 100 age-and-stage matched MMR-proficient tumors and 48 Lynch syndrome-associated tumors, were analyzed and compared. The combination of CD3+, CD8+, and PD-1+ lymphocyte densities and the PD-L1 expression rate of intratumoral immune cells into a single score called an “immunoprofile” proved to be an independent and more accurate prognostic tool than all the components separately.

In Study III, 346 rectal cancers [95 with short-course radiotherapy (SRT), 97 with long-course chemoradiotherapy (CRT), and 154 without preoperative treatments] were evaluated from whole-slide samples of surgical specimens for histopathologic features, including CLR density. T lymphocyte densities were diminished after SRT, but CLRs were scarcer after CRT. The T cell proximity score and CLR density were prognostic for rectal cancer without preoperative treatments and could be combined into an enhanced prognostic score (immune grade). In the irradiated tumors, the impact of T cell infiltration was insufficient alone, although CLR density remained prognostic. However, their combination improved the performance of both.

In the fourth study, to evaluate the potential for PD-1 blockade therapy in a large population-based cohort of 1343 CRC patients, we analyzed the tumor microenvironment and reviewed the clinical data and actualized treatment modalities of all MMR-deficient CRCs in Central Finland Central Hospital during 2000–2015. A total of 171 MMR-deficient CRC patients were identified, with 35 of these having a metastasized disease. As MMR-deficient CRC patients were generally older with significant comorbidities, only a limited number of patients with metastatic disease ended up undergoing oncological treatments. Many metastatic tumors presented features that could impair the response to PD-1 blockade therapy.

In conclusion, analysis of the tumor microenvironment can be helpful in the prognostic evaluation of CRC despite widely variable clinicopathological tumor features or different preoperative treatment modalities.