PD-1

PD-1 (programed cell death 1, CD279) je receptor na povrchu buněk, který řadí se mezi tzv. kontrolní body (checkpoints) imunitního systému.

Signalizace přes PD-1 je jedním z mechanismů indukce a udržení periferní tolerance.^[1] Má za následek zabránění proliferace a funkce efektorových T-lymfocytů kvůli indukci apoptózy T-buněk a zabránění apoptózy regulačních T-lymfocytů (Treg).^[2] Avšak signalizace přes tento receptor mohou zneužít nádorové buňky pro únik před imunitním systémem, což vede k toleranci nádoru.^[3] Terapeutické cílení této dráhy (inhibitory PD-1) mělo za následek zlepšení T-buněčné odpovědi proti virovým a nádorovým onemocněním.^[4]

U člověka je PD-1 kódován genem PDCD1, který se nachází na chromozomu 2 a obsahuje 5 exonů.^[5] Je exprimován zejména na aktivovaných T-lymfocytech, B-lymfocytech, NK buňkách, aktivovaných monocytech a dendritických buňkách.^[6] Funkce receptoru PD-1 je pravděpodobně nejdůležitější pro T-lymfocyty, u ostatních typů buněk není jeho funkce plně objasněna.

PD-1 není exprimován na klidových buňkách, po aktivaci byl detekován od 2 h (s maximem po asi 48 h), přičemž funkční efekty jsou pozorovány již po několika hodinách.^[7] Zvýšená aktivace PD-1 dráhy během chronických virových infekcí a nádorových onemocnění může u T-lymfocytů vést k tzv. "vyčerpanému" fenotypu. U vyčerpaných buněk je dramaticky zvýšena exprese PD-1 (a dalších inhibičních receptorů) a dochází ke ztrátě proliferační kapacity a efektorových funkcí (produkce cytokinů, cytotoxická odpověď)^[8].

Struktura

Protein PD-1 je 288 aminokyselin dlouhý^[9] a řadí se do rodiny imunoglobulinových molekul CD28/CTLA-4/ICOS. Oproti ostatním členům této rodiny se PD-1 vyskytuje v monomerní formě. PD-1 se skládá z jedné N-koncové IgV domény, asi 20 aminokyselin dlouhého linkeru, transmembránové domény a C-koncové intracelulární domény.^[10] Tato intracelulární doména na rozdíl od ostatních členů CD28 rodiny neobsahuje SH2 a SH3 (nebo Grb2 u CD28) vazebné motivy. Zato je podobná proteinům rodiny CD33-Siglec, obsahuje 2 tyrozinové motivy – ITIM (immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif) a ITSM (immunoreceptor tyrosine-based switch motif).^[11] Mutační analýzou bylo zjištěno, že motiv ITIM (V ⁄ I ⁄ LxYxxL, sekvence VDYGEL) nemá na inhibiční funkci vliv,^[12] nicméně může sloužit jako vazebné místo pro fosfatázy obsahující SH2 domény.^[13] Naopak motiv ITSM (TxYxxL, sekvence TEYATI) je esenciální pro inhibiční funkci tohoto receptoru.^[11][12]

Ligandy

Receptor PD-1 má dva ligandy, proteiny PD-L1 (jinak B7-H1, CD274) a PD-L2 (jinak B7-DC, CD273). Oba mají koinhibiční funkci. Patří do imunoglobulinové rodiny B7, jejich extracelulární části obsahují domény IgV a IgC.^[14]

Jejich exprese se výrazně liší. Exprese PD-L2 se omezuje zejména na profesionální antigen prezentující buňky (dendritické buňky a makrofágy) a též žírné buňky odvozené z kostní dřeně a periotneální B1 buňky.^[15][16]

PD-L1 je exprimován konstitutivně na T a B-lymfocytech, dendritických buňkách, makrofázích, mesenchymálních kmenových buňkách a žírných buňkách odvozených z kostní dřeně.^[17] Dále se nachází i na buňkách nepocházejících z hematopoetické řady – buňky pankreatu, plic, jater, endotelu, neuronech, keratinocytech atd.^[18], což může přispívat k ustanovení periferní tolerance. PD-L1 se vyskytuje na mnoha typech nádorů, kdy je jeho zvýšená exprese asociována s nepříznivou prognózou a zvýšenou invazivitou.^[19]

Exprese PD-L1 je indukována pomocí interferonů (IFN) typu I i typu II^[20][21] Promotor genu PD-L1 je regulován pomocí dvou vazebných míst pro transkripční faktor IRF-1.^[22] Exprese je též závislá na MyD88, TRAF6, MEK a JAK2, jejich inhibice snižovala produkci PD-L1.^[23] Dále je exprese indukována transkripčním faktorem STAT3, hyperaktivací PI3K/Akt dráhy^[24] (mutace fosfatázy PTEN) a hypoxií^[25] (faktor HIF-1α (hypoxia induced factor), přímá vazba na promotor).

Zpětná signalizace přes PD-L1 slouží jako signál přežití. Redukuje cytotoxicitu zprostředkovanou IFN typu I díky inhibici fosforylace proteinu STAT3.^[26] Intracelulární část PD-L1 obsahuje 3 nekonvenční signalizační motivy ("RMLDVEKC”, “DTSSK” a “QFEET”). Motiv "RMLDVEKC” je zodpovědný za inhibici interferonové signalizace, “DTSSK” slouží jako jeho negativní regulátor.^[26]

Funkce

Hlavní funkcí receptoru PD-1 je negativní regulace imunitní odpovědi. Na rozdíl od ostatních členů rodiny CD28 přenáší signál jedině když je zároveň propojen s T-buněčným (TCR) nebo B-buněčným receptorem. Po vazbě PD-1/PD-L1 dochází k fosforylaci ITIM a ITSM motivů (pomocí kinázy Lck^[27]), což umožní navázání fosfatáz SHP-1 a SHP-2, které defosforylují signální molekuly TCR (CD3 a Zap70), a též PKCtheta účastnící se následné signalizace.^[28] Rovněž dochází k defosforylaci kostimulačního receptoru CD28, což se jeví jako primární cíl inhibice, místo TCR komponent. Hlavní roli hraje pravděpodobně fosfatáza SHP-2.^[27]

PD1 signalizace inhibuje PI3K/Akt dráhu (aktivována CD28 signalizací) a MAP-kinázovou dráhu (Ras/MEK/Erk; inhibicí proteinu Ras). Hlavní důsledek inhibice těchto signálních drah je zastavení buněčného cyklu. Jednak dochází k utlumení exprese a degradaci Cdc25A, aktivační tyrozin fosfatázy pro cyklin-dependentní kinázy (Cdk).^[29] Dále se zvyšuje koncentrace inhibitorů Cdk, proteinů p27^kip1 a p15^INK4. Je snížena exprese podjednotky ubikvitin-ligázy SCF^Skp2, která je normálně zodpovědná za degradaci p27^kip1_.^[29] Inhibicí Cdk nedochází k fosforylaci transkripčního faktoru Smad3^[30] (mediátor signalizace z TGFβ receptoru), čímž dochází ke zvýšení jeho aktivity a blokaci progrese buněčného cyklu z G1 do S fáze (zvýšení exprese inhibitoru Cdk p15^INK4).^[29]

Inhibice PI3K dráhy vede ke stimulaci apoptózy.^[31] Dochází ke snížení exprese inhibitoru apoptózy Bcl-xL, který je jinak exprimován při kostimulační signalizaci přes CD28.^[32][33] Blokování PI3K dráhy má dále za následek aktivaci (absenci inhibiční fosforylace) transkripčního faktoru FoxO1, což vede k zvýšení exprese PD-1 pozitivní zpětnou vazbou. Toto přispívá k vyčerpanému fenotypu T-buněk.^[34]

Sinalizace přes PD-1 má též vliv na buněčný metabolismus. Vede k inhibici glykolýzy a glutaminolýzy (metabolismus diferenciovaných efektorových buněk) a naopak ke zvýšení lipolýzy a oxidace mastných kyselin (typické pro paměťové a regulační T-lymfocyty^[35]).^[36]

Dráha přes PD-1/PD-L1 indukuje fenotyp Treg buněk. Působením SHP-1/2 fosfatáz dochází ke snížené aktivaci STAT proteinů, a tím ke zvýšené expresi transkripčního faktoru FOXP3.^[37] Dále jsou inhibovány transkripční faktory spojené s efektorovými funkcemi – GATA-3, Eomes, T-bet.^[38]

Klinický význam

Rakovina

PD-L1, ligand PD-1, je vysoce exprimován u několika typů rakoviny, a proto je role PD-1 v úniku rakoviny před imunitním systémem velmi důležitá.^[39][40][41] Pro léčbu rakoviny se vyvíjí monoklonální protilátky proti molekule PD-1, které stimulují imunitní systém.^[41][42] Mnoho nádorových buněk exprimuje PD-L1, imunosupresivní ligand PD-1. Inhibice interakce mezi PD-1 a PD-L1 může zvýšit T buněčnou odpověď a zprostředkovat tak protinádorovou odpověď.

Kombinace anti-PD-1 a anti-CTLA-4 protilátek se ukázala být efektivnější než léčba pouze jednou nebo druhou protilátkou.^{[41][43][44][45]} Terapie anti-CTLA-4 protilátkou vede k navýšení antigen specifické T buněčné imunitní reakce, zatímco pomocí terapie anti-PD-1 protilátkou se reaktivuje schopnost CD8+ T buněk lyzovat nádorové buňky.^[41][46]

V klinických studiích bylo prokázáno, že kombinovaná terapie je účinná při redukci velikosti nádorů u pacientů, kteří nereagují na jednotlivou blokaci inhibitorů, navzdory zvyšujícím se hladinám toxicity v důsledku léčby anti-CTLA4.^[47] Kombinace PD1 a CTLA4 indukovala až desetinásobně vyšší počet CD8+ T buněk, které aktivně infiltrují nádorovou tkáň.^[48]Autoři předpokládají, že vyšší hladiny infiltrace CD8 + T buněk byly způsobeny anti-CTLA-4 protilátkami, které inhibovaly konverzi CD4+ T buněk na regulační T buňky a dále snížily supresi regulačními T buňkami díky anti-PD-1 protilátkám. Tato kombinace způsobila silnější zánětlivou odpověď proti nádoru, která zmenšila velikost nádoru. V říjnu 2015 schválila FDA kombinovanou terapii anti-CTLA4 (ipilimumab) a anti-PD1 (nivolumab).^[46]

Potřebné molekulární faktory a receptory, které činí nádor reaktivní k anti-PD1, zůstávají neznámé. Exprese PD-L1 na povrchu rakovinných buněk hraje významnou roli. PD-L1 pozitivní nádory měly dvakrát větší pravděpodobnost odpovědi na kombinovanou léčbu. Nicméně pacienti s PD-L1 negativními nádory mají také určitou odezvu na anti-PD1, což dokazuje, že exprese PD-L1 není absolutní determinantou účinnosti terapie.^[46]

Vyšší mutační zátěž nádoru koreluje s větším účinkem léčby pomocí anti-PD-1. V klinických studiích měli pacienti, u kterých byla léčba anti-PD1 úspěšná, rakoviny jako je melanom, rakovina močového měchýře a rakovina žaludku, které měly vyšší průměr počtu mutací než pacienti, kteří nereagovali na léčbu. Korelace mezi vyšší mírou mutací nádoru a klinickou účinností imunitní blokády PD-1 je však stále nejistá.^[46]

Nobelovu cenu za medicínu za rok 2018 získal James P. Allison a Tasuku Honjo "Za objev rakovinové léčby inhibicí negativní imunitní regulace".