Adheesiomolekyyleistäkö apua?

Transkriptio

1 ÄYRÄPÄÄN LUENTO 2008 Sirpa Jalkanen 1746 Hyvän säätelyn ohjaama lymfosyyttien kiertokulku veren, imukudosten ja muiden elinten välillä on perusedellytys immuunivasteen synnylle. Lymfosyyttien ja muiden valkosolujen kulku tulehduspaikalle on puolestaan välttämätöntä tulehduksen aiheuttajan nopealle eliminoimiselle. Valkosolujen invaasio tulehduspaikalle voi jatkua kuitenkin tarkoituksettomasti ja johtaa lopulta kudostuhoon. Myös syöpäsolujen metastasointi on haitallista soluliikennettä. Käsittelen tässä solujen keskeisiä liikennemekanismeja ja mahdollisuuksia niiden hallintaan haitallisissa tulehduksissa ja syövissä. Lymfosyyttien kiertokulku veren ja kudosten välillä sallii lymfosyyttien jatkuvan partioinnin elimistön kaikissa osissa ja niiden kypsymisen aktiivisiksi toimijoiksi imusolmukkeissa antigeenin kohtaamisen jälkeen (von Andrian ja Mempel 2003). Perifeerisistä kudoksista vartijaimusolmukkeisiin imuteitä pitkin tulevat dendriittisolut tuovat esiteltävät antigeenit mukanaan imusolmukkeisiin, joissa esittelyn seurauksena verenkierrosta tulleet B-solut kypsyvät muistisoluiksi tai vasta-aineita tuottaviksi plasmasoluiksi ja T-solut auttajiksi tai säätelijöiksi tai tappajiksi. Kypsyttään ne sitten poistuvat imusolmukkeista imuteiden kautta verenkiertoon ja sieltä edelleen niihin kudoksiin, joissa immuunivastetta tarvitaan taudinaiheuttajan torjumiseksi (kuva 1). Harhautuneet valkosolut sairastuttavat ja liikkuvat syöpäsolut tappavat Tulehdustilanteessa normaali verisuonisto aktivoituu ja endoteelisolujen pinnalle ilmestyy adheesiomolekyylejä, jotka nappaavat tehokkaasti verenkierron valkosoluja tulehduspaikalle (Ley ym. 2007). Normaalisti tulehdus rauhoittuu taudinaiheuttajan eliminoimisen jälkeen ja verisuonisto palautuu viettämään hiljaiseloa. Näin ei kuitenkaan käy autoimmuunitaudeissa. Immuunireaktio elimistön omia rakenteita kohtaan pitää tulehdusta yllä, ja paikalle vaeltavat lymfosyytit tuhoavat lopulta haiman insuliinia tuottavat beetasolut, suolen villukset, aivot tai nivelen normaalin rakenteen. Nykyinen liuotushoito sydän- tai aivoinfarktin jälkeen pelastaa monta potilasta. Vielä parempia tuloksia saataisiin, jos infarktinjälkeistä reperfuusiovauriota voitaisiin pienentää tai estää se kokonaan. Verenvirtauksen palattua infarktialueelle verenkierron neutrofiilit ja muutamaa tuntia myöhemmin myös monosyytit tunnistavat hapenpuutteesta kärsineen alueen ja siirtyvät verenkierrosta kudokseen. Tulehdusreaktion seurauksena hapen puutteesta kärsinyt alue korvautuu pääasiassa sidekudoksella. Primaarikasvaimesta irtoavat syöpäsolut ovat vaarallisia, jos niillä sattuu olemaan valkosoluille ominaisia kotiutumismolekyylejä pinnallaan. Näiden molekyylien avulla ne voivat helposti siirtyä joko imuteihin tai verisuonistoon ja kulkeutua niitä pitkin muihin Duodecim 2008;124:

2 Kuva 1. Lymfosyyttien kiertokulku elimistössä. Antigeenia esittelevät dendriittisolut ja pieni osa lymfosyyteistä tulevat imusolmukkeisiin tuovia imuteitä pitkin. Pääosa lymfosyyteistä saapuu verenkierrosta pienten laskimoiden kautta. Vain lymfosyytit pystyvät poistumaan imusolmukkeista vievien imuteiden kautta takaisin verenkiertoon ja sieltä edelleen kohdekudoksiin eliminoimaan taudinaiheuttajia tai syntyneitä syöpäsoluja tai uudelleen imusolmukkeisiin. kudoksiin. Jos reitin varrelta löytyy otollinen kasvuympäristö, syöpäsolu perustaa sinne etäpesäkkeen (kuva 2). Mikä soluja kuljettaa? Ensimmäinen valkosolujen pinnan liikennemolekyyli löydettiin vuonna 1983 hiireltä (Gallatin ym. 1983). Tämän jälkeen alan tutkimus laajeni räjähdysmäisesti ja sen seurauksena on löydetty yhteensä kolmisenkymmentä valkosolun ja endoteelisolun molekyyliä, jotka välittävät valkosoluliikennettä verestä kudoksiin. Ensimmäiset löydetyt molekyylit ovat luonteeltaan tarttujia, ja sen takia liikennemolekyylejä kutsutaan usein adheesiomolekyyleiksi. Uudemmat löydöt ovat kuitenkin osoittaneet, että joukossa on hyvin erilaisia molekyylejä kuten entsyymejä ja signalointimolekyylejä (van Buul ja Hordijk 2004, Salmi ja Jalkanen 2005). Näitä kaikkia tarvitaan, jotta valkosolu pääsee siirtymään verestä kudoksiin. Valkosolujen vuorovaikutus verisuonen seinämän kanssa on monivaiheinen tapahtuma, jossa tarvitaan rakenteeltaan ja toiminnaltaan erilaisia molekyylipareja. Tapahtumaa voidaan monimuotoisuudessaan verrata veren hyytymiseen tai komplementtisysteemin välittämään tappoon. Kuvassa 3 on esitetty valkosolun siirtymisvaiheet verestä kudokseen ja niitä säätelevät molekyyliperheet. Liikennemolekyylien merkitystä tulehdusten synnyssä on tutkittu useissa eläinmalleissa käyttämällä toiminnan estäviä vasta-aineita tai inhibiittoreita. Lisäksi poistogeeniset hiiret ovat olleet hyvin arvokkaita avustajia useiden molekyylien tehtävien selvittelyssä. Tiettyjen liikennemolekyylien osittaista tai täydellistä puuttumista on todettu myös immuunipuutteisilla potilailla (Etzioni 2007). Tunnetuin on valkosoluintegriinien puutos. Näiltä potilailta puuttuu valkosoluintegriinien beetaketju (CD18) tai se on inaktiivinen. Koska CD18 pariutuu neljän erilaisen alfaketjun 1747

3 ÄYRÄPÄÄN LUENTO (CD11a, b, c ja d) kanssa, puutos aiheuttaa kaikkien valkosoluintegriinin puuttumisen. Näistä tärkein on CD11a/CD18, joka tunnettaneen paremmin nimellä LFA-1 (lymphocyte function associated antigen). Potilaat kärsivät vaikeista bakteeri-infektioista, koska neutrofiilit eivät pääse tulehdusalueille. Täydellinen puutos johtaa varhain kuolemaan, mutta osittaista puutosta sairastavat elävät nuoreen aikuisikään. Toinen, erittäin harvinainen puutos on fukoosinkuljetushäiriö, jonka seurauksena selektiinien vastinmolekyylit eivät sokeroidu oikein eivätkä valkosolut näin ollen pysty kontaktiin endoteelisolujen kanssa. Näiden potilaiden infektio-ongelmat helpottuvat fukoosin oraalisella annolla, mutta sikiökehityksen aikana tullutta aivovauriota ei annettava fukoosi enää korjaa. Ensimmäiset imuteiden liikennemolekyylit tunnistettu Immuunipuolustuksen säätelyn keskeinen piirre on tasapaino imutie- ja verisuoniliikenteen välillä. Jos saapuva lymfosyyttiliikenne imusolmukkeisiin ei ole tasapainossa lähtevän liikenteen kanssa, imusolmukkeet eittämättä paisuvat ja päinvastaisessa tapauksessa surkastuvat. Sen lisäksi imusonisto on syöpäsolujen tärkeä etenemisreitti (Saharinen ym. 2004). Erityisesti pään ja kaulan syövät sekä rintasyöpä suosivat leviämisessään imusuonistoa. Vasta aivan viime vuosina on löydetty imusuoniston liikennemolekyylejä. Niistä monet säätelevät nimenomaan antigeeneja esittelevien dendriittisolujen migraatiota vartijaimusolmukkeisiin ja vaikuttavat näin epäsuorasti immuunivasteen syntyyn. Löydetyt molekyylit ovat osittain samoja kuin verisuonipuolella ( Johnson ym. 2006). Esimerkiksi solut, joiden pinnalla on CCR7-kemokiinireseptori, ohjautuvat kudoksessa sen ligandia eli CCL21-kemokiinia ilmentäviin lähteviin imusuoniin (kuva 3). Osa taas on imusuonispesifisiä siten, että niitä ei esiinny verisuonten pinnalla lainkaan. Näistä esimerkkinä mainittakoon mannoosireseptori, joka välittää sekä lymfosyyttien että syöpäsolujen kulkua vartijaimusolmukkeisiin Kuva 2. Syövän leviämisen eri vaiheet. Yksittäiset syöpäsolut pystyvät tunkeutumaan primaarikasvaimesta veri- tai imusuonistoon, jossa ne kulkeutuvat eri puolille elimistöä. Siirtyäkseen suonistosta kudokseen ne tarvitsevat valkosoluille ominaisia liikennemolekyylejä. (Marttila-Ichihara ym. 2008). Kliinisesti mielenkiintoista on se, että rintasyöpäpotilailla kainalometastaasien esiintyminen näyttää korreloivan mannoosireseptoripositiivisten imusuonten määrään primaarikasvaimessa (Irjala ym. 2003). Näiden tulosten pohjalta olisi ainakin teoriassa mahdollista salvata mannoosireseptori ja estää syöpäsolujen leviäminen imuteitse. Hoito tulisi aloittaa heti diagnoosin varmistuttua ja sitä tulisi jatkaa jonkin aikaa leikkauksen jälkeen kasvainsolukylvön aiheuttaman leviämisen minimoimiseksi. Ihminen ei ole hiiri Vuosien varrella on tehty useita epäonnistuneita kliinisiä kokeita, jotka ovat perustuneet adheesiomolekyylien menestyksekkääseen salpaukseen erilaisissa eläinmalleissa. Uuden alan pioneerityölle on ominaista se, että laajasti käytössä oleville koe-eläinmalleille annetaan liian suuri painoarvo eikä ymmärretä biologian monimuotoisuutta ja lajien välisiä eroja riittävän hyvin. On aiheellista miettiä, kuinka hyvin käytössä olevat tulehdussairausmallit todella vastaavat ihmisten tautien patogeneesiä. S. Jalkanen

4 Verisuoni Endoteeli Endoteeli Kuva 3. Lymfosyyttien siirtyminen verenkierrosta imukudokseen ja sieltä edelleen lähteviin imuteihin on monivaiheinen tapahtuma, jossa tarvitaan useita rakenteeltaan erityyppisiä molekyylejä. Kuvassa on esitetty lymfosyytin matkan eri vaiheet ja niissä tarpeelliset molekyylityypit. Hiiret ja muutkin koe-eläimet elävät tarkoin säädellyissä ja patogeenittomissa olosuhteissa. Hiirikokeet tehdään lähes poikkeuksetta sisäsiittoisilla kannoilla, jolloin yksilöiden väliset erot minimoidaan. Lisäksi hoito aloitetaan usein samanaikaisesti taudin indusoinnin kanssa tai ainakin hyvin kontrolloidusti. Potilaat puolestaan ovat heterogeeninen joukko, jonka yksilöt hakeutuvat lääkäriin oman sietokynnyksensä perusteella hyvin vaihtelevasti. Usein taudin aiheuttamat haitat ovat tässä vaiheessa jo hyvin vaikeita. Se toimii sittenkin Viime vuosina adeheesion tutkijat ovat voineet helpottuneina lopultakin huudahtaa: se toimii sittenkin!»very late activation antigen-4» integriinin (VLA-4-integriinin) toimintaa estävä vasta-aine on hiljattain tullut markkinoille MS-taudin hoitoon, ja sillä on saatu erittäin hyviä tuloksia. Senkin tie Yednockin ym. Nature-lehdessä vuonna 1992 raportoimasta löydöksestä klinikkaan on ollut pitkä ja mutkikas. Yednockin työryhmä havaitsi, että lymfosyytit tarttuvat aivokudoksen verisuonistoon VLA-4- molekyylin avulla. Lisäksi rotan kokeellista autoimmuunienkefaliittia, joka on laajasti käytetty koe-eläinmalli, voidaan hoitaa salpaamalla VLA-4-molekyylin toiminta eli sitoutuminen verisuonen pinnalla olevaan vastinmolekyyliinsä VCAM-1:een (vascular cell adhesion molecule-1). Löytöä seurasi kiivas lääkekehitystyö, jonka tuloksena ihmisen VLA-4-molekyylin salpaava vasta-aine humanisoitiin geeniteknisesti täysin samanlaiseksi kuin ihmisen omat vasta-aineet. Tätä natalitsumabiksi nimettyä vasta-ainetta pystyttiin antamaan vain kerran kuukaudessa ja ilman immuunipuolustuksen hyökkäystä 1749

5 ÄYRÄPÄÄN LUENTO 2008 Beeta-interferoni, statiinit Kuva 4. Kaavio beetainterferonin ja statiininen CD73-välitteisestä vaikutusmekanismista verisuonivaurion korjausprosessissa vierasta proteiinia kohtaan. Tällainen hyökkäys tapahtuisi, jos potilaisiin ruiskutettaisiin muokkaamattomia hiiren monoklonaalisia vasta-aineita. Kliiniset kokeet edistyivät loistavasti: tulokset olivat huomattavasti parempia kuin esimerkiksi laajasti käytettävässä beetainterferonihoidossa, sillä noin 80 % potilaista vastasi suotuisasti natalitsumabilääkitykseen (Polman ym. 2006). Vuonna 2004 lääke tuli markkinoille Yhdysvalloissa ja meillä pari vuotta myöhemmin. Sitä ei ehditty kauan markkinoida, kun kolmella sitä saaneella potilaalla todettiin JCviruksen aktivoitumisen aiheuttama etenevä multifokaalinen leukoenkefalopatia. Lääke vedettiin helmikuussa 2005 pois markkinoilta. Siihen mennessä oli hoidettu noin potilasta erinomaisin tuloksin. Koska hoidosta saadut hyödyt olivat kuitenkin osoittautuneet erinomaisiksi eikä uusia leukoenkefalopatiatapauksia ilmaantunut, lääke sai uudelleen myyntiluvan tarkan turvallisuusarvioinnin jälkeen vuonna Tammikuussa 2008 käyttöaiheita laajennettiin Yhdysvalloissa Crohnin tautiin (Bjorn 2008). Euroopassa toistaiseksi ainoa käyttöaihe on MS-tauti. Edellä kuvatut ongelmat ovat ymmärrettäviä ja jopa odotettavissa olevia, kun hoito kohdennetaan normaalin immuunipuolustuksemme mekanismeihin. Itse asiassa VLA-4:n salpaushoidot ovat aiheuttaneet yllättävän vähän vakavia haittavaikutuksia niiden tehoon nähden. Toinen markkinoilla oleva adheesiomolekyylin salpaaja estää CD11a/CD18- eli LFA- 1-molekyylin toiminnan. LFA-1:tä esiintyy lähes kaikkien valkosolujen pinnalla, ja se on keskeinen molekyyli tulehdusten synnyssä. Eri lääkeyhtiöt ovat omilla CD11a- ja CD18-vasta-aineillaan tehneet useita epäonnistuneita kliinisiä kokeita erilaisten sairauksien hoitamiseksi. Lopulta psoriaasi osoittautui otolliseksi kohteeksi vasta-ainehoidolle, joka salpaa CD11a:n toiminnan ja lymfosyyttien kulun ihoon. Markkinoilla oleva vasta-aine (efalitsumabi) on humanisoitu, ja sitä annetaan kerran viikossa ihon alle. Teho on osoittautunut kohtalaiseksi, ja haittavaikutukset ovat olleet yllättävän vähäisiä, kun otetaan huomioon LFA-1-molekyylin tärkeys soluliikenteessä ja adheesiomolekyylinä antigeenin esittelyssä. Infektioriski kasvaa vain jonkin verran lumelääkitykseen verrattuna (Lebwohl ym. 2003). Merkittävä seikka tehokkaan vasta-ainehoidon kehittämisessä kohdemolekyylin ja sairausryhmän lisäksi ovat vasta-aineen omat ominaisuudet. Kun kohdemolekyylinä on tulehtuneen verisuonen pintamolekyyli, halutaan ehdottomasti vasta-aine, joka ei sido komplementtia eikä näin tuhoa verisuonistoa. Jo pitkällä kliinisissä kokeissa ollut LFA-1:n vastinmolekyylin ICAM-1:n (intercellular adhesion molecule-1) salpaushoito kaatui mitä luultavammin vasta-aineen komplementtia sitovaan ominaisuuteen, joka aiheutti runsaasti haittavaikutuksia (Vuorte ym. 1999). Komplementtia sitova vasta-aine puolestaan on tehokas ja haluttava silloin, kun pyritään eliminoimaan kohdesolut, esimerkiksi tulehdukseen tunkeutuva tietty solupopulaatio tai metastasoivat kasvainsolut. S. Jalkanen

6 Taulukko. Esimerkkejä liikennemolekyylipareista, joiden toimintaa estetään kliinisissä kokeissa oleville tai jo markkinoitavilla lääkeaineilla. Valkosolu Verisuonen endoteelisolu Elinspesifisyys Integriinit Immunoglobuliinien superperhe LFA-1 ICAM-1 ei VLA-4 VCAM-1 ei a4/b7 MAdCAM-1 suoli Musiinit Selektiinit PSGL-1 P-selektiini ei Kemokiinireseptorit Kemokiinit CCR9 CCL25 suoli ICAM1 = intracellular adhesion molecule-1 MAdCAM-1 = mucosal addressin cell adhesion molecule-1 PSGL-1 = P-selectin ligand-1 VCAM-1 = vascular cell adhesion molecule-1 VLA-4 = very late antigen-4 Vanhassako vara parempi? Useat kauan käytössä olleet anti-inflammatoriset lääkkeet vaikuttavat myös kotiutumismolekyyleihin monien muiden vaikutuskohteittensa ohella. Tällaisia ovat esimerkiksi asetyylisalisyylihappo (ASA), kortikosteroidit ja metotreksaatti ja uudempina tulokkaina beetainterferoni ja statiinit. ASA vähentää L- selektiinin ilmentymistä valkosoluissa ja kortikosteroidit vähentävät ICAM-1:n ekspressiota verisuonistossa (Cronstein ym. 1992, Díaz-González ym. 1995). Metotreksaatti, beetainterferoni ja statiinit puolestaan lisäävät endoteelisolun tuottaman adenosiinin määrää indusoimalla sitä tuottavaa kotiutumismolekyyliä CD73:a, joka on entsyymi (Montesinos ym. 2007, Jalkanen ja Salmi 2008). Adenosiinipitoisuus määrää endoteelisolujen läpäisevyyden ja samalla sen, kuinka tehokkaasti solut pääsevät verenkierrosta kudoksiin. Vaikka adenosiini on luonteeltaan vahvasti anti-inflammatorinen, sen antaminen ei lyhyen puoliintumisajan (alle 10 s) takia ole käytännössä mahdollista. Senpä vuoksi tulehdusta ja valkosolujen kulkua voidaan estää esimerkiksi beetainterferonilla ja statiineilla CD73-välitteisesti (kuva 4). Onkin todennäköistä, että beetainterferonin suotuisat vaikutukset MS-taudissa ja statiinien ateroskleroosissa välittyvät ainakin osittain CD73-molekyylin kautta ( Jalkanen ja Salmi 2008). Tulevaisuus on toivoa täynnä Kliinisissä kokeissa on parhaillaan useita eri vasta-aineita ja pienimolekyylisiä yhdisteitä, joilla pyritään salpaamaan kotiutumismolekyylejä (taulukko). Näiden joukossa on myös kemokiinireseptorien salpaajia. Lupaavia tuloksia on saatu mm. pienimolekyylisellä suun kautta annettavalla yhdisteellä, joka estää CCR9:n toiminnan ja sitä kautta vaikuttaa anti-inflammatorisesti estämällä soluliikenteen tulehduksellisissa suolistosairauksissa ja mahdollisesti myös keliakiassa ( On hyvin todennäköistä, että piakkoin käytössä on huomattavasti nykyistä laajempi valikoima kotiutumismolekyylien salpaajia, joilla voidaan hoitaa haitallisia tulehduksia ja estää syövän leviämistä. SIRPA JALKANEN, immunologian professori MediCity/Turun yliopisto Tykistökatu Turku 1751

7 Kirjallisuutta Von Andrian UH, Mempel TR. Homing and cellular traffic in lymph nodes. Nat Rev Immunol 2003;3: Bjorn G. Despite potential side effects, two drugs make a comeback. Nat Med 2008;14:226. Van Buul J D, Hordijk P L. Signaling in leukocyte transendothelial migration. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2004;24: Cronstein BN, Kimmel SC, Levin RI, Martiniuk F, Weissmann G. A mechanism for the antiinflammatory effects of corticosteroids: the glucocorticoid receptor regulates leukocyte adhesion to endothelial cells and expression of endothelial-leukocyte adhesion molecule 1 and intercellular adhesion molecule 1. Proc Natl Acad Sci U S A 1992;89: Díaz-González F, González-Alvaro I, Campanero MR, ym. Prevention of in vitro neutrophil-endothelial attachment through shedding of L-selectin by nonsteroidal antiinflammatory drugs. J Clin Invest 1995;95: Etzioni A. Leukocyte adhesion deficiencies: molecular basis, clinical findings, and therapeutic options. Adv Exp Med Biol 2007;601: Gallatin WM, Weissman IL, Butcher EC. A cell-surface molecule involved in organspesific homing of lymphocytes. Nature 1983;304:30 4. Irjala H, Alanen K, Grenman R, Heikkilä P, Joensuu H, Jalkanen S. Mannose receptor (MR) and common lymphatic endothelial and vascular endothelial receptor (CLEV ER)-1 direct the binding of cancer cells to the lymph vessel endothelium. Cancer Res 2003;63: Jalkanen S, Salmi M. VAP-1 and CD73, endothelial cell surface enzymes in leukocyte extravasation. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2008;28: Johnson LA, Clasper S, Holt A P, Lalor PF, Baban D, Jackson DG. An inflammationinduced mechanism for leukocyte transmigration across lymphatic vessel endothelium. J Exp Med 2006;203: Lebwohl M, Tyring SK, Hamilton TK, ym. A novel targeted T-cell modulator, efalizumab, for plaque psoriasis. N Engl J Med 2003;349: Ley K, Laudanna C, Cybulsky MI, Nourshargh S. Getting to the site of inflammation: the leukocyte adhesion cascade updated. Nat Rev Immunol 2007;7: Marttila-Ichihara F, Turja R, Miiluniemi M, ym. Macrophage mannose receptor on lymphatics controls cell trafficking. Blood 2008; painossa. Montesinos MC, Takedachi M, Thompson LF, Wilder TF, Fernandez P, Cronstein BN. The antiinflammatory mechanism of methotrexate depends on extracellular conversion of adenine nucleotides to adenosine by ecto-5 -nucleotidase: findings in a study of ecto-5 -nucleotidase gene-deficient mice. Arthritis Rheum 2007;56: Polman CH, O Connor PW, Havrdova E, ym. A randomized, placebo-controlled trial of natalizumab for relapsing multiple sclerosis. N Engl J Med 2006;354: Saharinen P, Tammela T, Karkkainen MJ, Alitalo K. Lymphatic vasculature: development, molecular regulation and role in tumor metastasis and inflammation. Trends Immunol 2004;25: Salmi M, Jalkanen S. Cell-surface enzymes in control of leukocyte trafficking. Nat Rev Immunol 2005;5: Vuorte J, Lindsberg PJ, Kaste M, ym. Anti-ICAM-1 monoclonal antibody R6.5 (Enlimomab) promotes activation of neutrophils in whole blood. J Immunol 1999;162: Yednock TA, Cannon C, Fritz LC, Sánchez-Madrid F, Steinman L, Karin N. Prevention of experimental autoimmune encephalomyelitis by antibodies against a4b1 integrin. Nature 1992;356:63 6. Sidonnaisuudet: Ei ilmoitusta sidonnaisuuksista