Millimetergolf en medicijntoepassing bij kankerimmunotherapie

Millimetergolven en door geneesmiddelen geïnduceerde modulatie van het immuunsysteem - Toepassing bij immunotherapie tegen kanker

Abstract

De afgelopen jaren zijn er verschillende benaderingen gebruikt voor de behandeling van kanker. Deze omvatten chirurgie, chemotherapie, radiotherapie en immunotherapie. Immunotherapie omvat systemische toediening van cytokines, adaptieve overdracht van geactiveerde T-cellen, NK-cellen, dendritische cellen en macrofagen. Immunotherapie wordt gebruikt om het immuunsysteem van de patiënt te stimuleren en te trainen in de strijd tegen kanker. Deze aanpak alleen is echter niet voldoende. Daarom wordt voor de behandeling van kanker vaak een combinatie van immunotherapie met conventionele chemo- en bestralingstherapie gebruikt. Maar systemische toediening van cytokinen, zoals interferonen en interleukinen, die gewoonlijk worden gebruikt voor immunotherapie, hebben hun eigen toxische bijwerkingen die voor veel patiënten levensbedreigend kunnen zijn. In dit artikel hebben we de huidige kennis over de effecten van millimetergolftherapie (MMWT) op het immuunsysteem besproken. MMWT, een alternatieve en complementaire behandelwijze, wordt op grote schaal gebruikt voor de behandeling van kanker en vele andere ziekten in Rusland en verschillende Oost-Europese landen. Het is echter vrijwel onbekend bij westerse artsen. Onze experimentele onderzoeken hebben aangetoond dat MMWT, wanneer het in combinatie met chemotherapie wordt gebruikt, het immuunsysteem beschermt tegen de toxiciteit van chemotherapie, zonder dat er zelf extra toxiciteit ontstaat. Bovendien hebben onze onderzoeken aangetoond dat de gecombineerde millimetergolf- en chemotherapie de tumormetastase en de tumorresistentie tegen chemotherapeutische geneesmiddelen kunnen verminderen. Gecombineerde therapie met behulp van MMWT biedt dus een veelbelovende nieuwe strategie voor de behandeling van kanker.

Invoering

Millimeter elektromagnetische golven (MMW’s) worden op grote schaal gebruikt voor de behandeling van vele ziekten in Rusland, China en veel Oost-Europese landen [1-6]. De drie meest gebruikte frequenties zijn 42,2, 53,6 en 61,2 GHz. Deze zijn goedgekeurd door het Russische ministerie van Volksgezondheid voor medische behandeling. Er zijn uitstekende klinische resultaten gerapporteerd bij de behandeling van verschillende ziekten, waaronder maagzweren, pijnverlichting, hart- en vaatziekten, wondgenezing, bronchiale astma, infantiele hersenverlamming, huidaandoeningen, chronisch alcoholisme, diabetische angioneuropathieën en kanker. Op basis van sommige schattingen zijn er alleen al in Rusland meer dan 1000 medische faciliteiten waar MMW-therapie wordt gebruikt, en het aantal patiënten dat een medische behandeling ondergaat bedraagt ​​meer dan 250.000 per jaar [1]. Ondanks het grote aantal patiënten dat in de voormalige Sovjet-Unie met MMW-therapie (MMWT) wordt behandeld, is deze behandelingsmodaliteit vrijwel onbekend bij westerse artsen en wetenschappers. MMW's kunnen worden gebruikt als monotherapie of in combinatie met andere behandelmethoden. Als aanvullende therapie worden ze veel gebruikt om het immuunsysteem te beschermen tegen de toxische effecten van chemo- en bestralingstherapie bij de behandeling van kanker [3,7].

Het gebruikelijke behandelingsregime bestaat uit dagelijkse toepassingen van MMW-straling met laag vermogen gedurende 15 tot 30 minuten gedurende 5 tot 15 dagen. Het MW-apparaat is doorgaans een instrument van “boekformaat” dat in nauw contact met het huidoppervlak wordt gebracht. De plaats van toediening varieert afhankelijk van de ziekte die wordt behandeld. Oppervlaktewonden en huidziekten worden meestal op de plaats van de laesie behandeld. Bij de behandeling van artritis bevindt de toedieningsplaats zich in het aangetaste gewricht. Bij de behandeling van inwendige ziekten kan de aanbevolen toedieningsplaats zich op een van een aantal anatomische of acupunctuurpunten bevinden. Een gebruikelijke toepassingsplaats is het onderste uiteinde van het borstbeen [6].

De afgelopen jaren zijn er verschillende artikelen gepubliceerd over het biologische effect van millimetergolven, waaruit een toenemende belangstelling blijkt voor de toepassing ervan en voor het begrijpen van de mechanismen die betrokken zijn bij MMWT [8-13]. Over het algemeen kan het effect van MMWT bij klinische toepassingen worden onderverdeeld in drie brede klassen: (a) sedatieve en analgetische effecten, (b) ontstekingsremmende en reparatiestimulerende werking en (c) normalisatie van het immuunsysteem. Er zijn veel rapporten, voornamelijk in de Russische literatuur, dat MMWT zowel niet-specifieke als specifieke versterking van het immuunsysteem veroorzaakt [14,15]. De veranderingen omvatten een toename in fagocytische activiteit van macrofagen [16], verbeterde proliferatie en normalisatie van de verhouding CD4+/CD8+ T-lymfocyten [17,18], en een verhoogd aantal B-lymfocyten en genormaliseerde productie van immunoglobulinen [17-19 ]. Algemeen wordt aangenomen dat de gunstige effecten van MMWT bij veel ziekten te danken zijn aan een versterking van de immuunrespons. Bij de behandeling van kanker wordt MMWT gebruikt als monotherapie of in combinatie met chemo- en radiotherapie om de immuniteit te verhogen en de toxische bijwerkingen van bovengenoemde therapieën te verminderen [3,7,20]. Onze experimentele onderzoeken hebben aangetoond dat MMWT de verspreiding van melanoommetastasen kan verminderen [21]. In dit korte artikel geven we een overzicht van de huidige kennis van de effecten en moleculaire mechanismen van MMW-therapie bij het beschermen van de immuunfuncties tegen de toxische effecten van chemotherapie. Specifiek zullen we het effect van MMWT op T-cellen, NK-cellen en macrofaagfuncties bespreken, die de belangrijkste cellen vormen in de strijd tegen kanker.

Effect van MMWT op de T-celfuncties

Onze onderzoeken hebben aangetoond dat MMWT de door T-cellen gemedieerde immuniteit verbetert. Om dit effect te meten werd een vertraagde type overgevoeligheidstest (DTH) in muizenhuid gebruikt [22]. Er is aangetoond dat de ontwikkeling van de DTH-reactie in de huid van muizen of mensen gepaard gaat met antigeenspecifieke, T-cel-gemedieerde, geheugenafhankelijke immuniteit [23,24]. Bovendien hebben we onderzocht of MMWT het herstel van T-cellen kan moduleren na onderdrukking met cyclofosfamide (CPA), een medicijn tegen kanker [25,26]. CPA is een alkyleringsmiddel dat celdeling kan voorkomen door DNA te verknopen, wat leidt tot een vermindering van de tumorgroei [27,28]. Naast het cytotoxische effect op tumorcellen is het bekend dat CPA meerdere effecten heeft op het immuunsysteem, resulterend in een algemene uitputting van immunocompetente cellen [29]. Een belangrijke bijwerking van dit medicijn bij chemotherapie is onderdrukking van de humorale en T-cel-gemedieerde immuniteit [30,31]. Onder de problemen die verband houden met chemotherapie is het herstel van de immunocompetentie een cruciale kwestie om patiënten te beschermen tegen secundaire infecties [30]. T-cellen hebben invloed op vrijwel alle aspecten van immuniteit vanwege hun vermogen om specifieke immuunreacties in zowel T- als B-cellen te induceren. Ook spelen T-cellen een belangrijke rol in het herstelproces.

Het functioneren van T-cellen kan worden onderverdeeld in een activeringsfase waarin T-cellen zich delen en differentiëren; en een effectorfase, waarin hun functie tot uitdrukking komt. Er zijn verschillende basiseffectorfuncties gedefinieerd voor T-cellen: cytotoxische CD8+ T-cellen doden geïnfecteerde cellen direct, terwijl CD4+-helper-T (Th)-cellen B-cellen of macrofagen kunnen activeren op manieren die worden bepaald door de cytokines die ze produceren. Pro-inflammatoire cytokinen, geproduceerd door Th1-cellen, zoals IFN-y, activeren macrofagen en cytotoxische T-cellen; ontstekingsremmende cytokinen zoals IL-10 geproduceerd door Th2-cellen activeren B-cellen. Onze onderzoeken hebben aangetoond dat MMW's de productie van IFN-γ en de proliferatie van T-cellen, onderdrukt door CPA-behandeling, kunnen herstellen. Omgekeerd werden er geen significante veranderingen waargenomen in het niveau van IL-10 en de proliferatie van B-cellen. Deze resultaten suggereren dat MMW’s het herstelproces selectief versnellen via een T-cel-gemedieerde immuunrespons [25,26].

T-cellen spelen een belangrijke rol bij de verdediging tegen tumorcellen. Tumorcellen kunnen functies van dendritische cellen en macrofagen onderdrukken, waardoor ze niet in staat zijn T-cellen voldoende te stimuleren en te activeren [32]. Gezien het belang van deze cellen zijn klinische onderzoeken gerelateerd aan immunotherapie met geactiveerde T-cellen uitgevoerd voor verschillende tumortypen met veelbelovende resultaten [33-35]. In het licht van onze onderzoeken dat MMW's de functies kunnen herstellen van T-cellen die onderdrukt zijn door chemotherapie, zou gecombineerde therapie zeer nuttig moeten zijn bij de behandeling van kanker.

Effect van millimetergolfstraling op Natural Killer-cellen

Het is bekend dat NK-cellen een grote verscheidenheid aan tumorcellen doden terwijl ze normale cellen sparen [36,37]. NK-cellen vertegenwoordigen een aparte populatie lymfocyten in termen van zowel fenotype als functie [38]. Ze hebben een grote granulaire lymfocytmorfologie en brengen karakteristieke celoppervlakreceptoren tot expressie, zoals het NK-celreceptoreiwit-1 (genaamd NK1.1). NK-cellen bemiddelen in de resistentie tegen virale infecties en de ontwikkeling van kanker en vertonen cytotoxische activiteit, die niet beperkt is tot MHC (major histocompatibility complex) [39,40]. NK-cellen vertegenwoordigen dus belangrijke effectorcellen van aangeboren immuniteit. Bovendien bezitten NK-cellen een verscheidenheid aan andere functies, waaronder het vermogen om een ​​aantal cytokines te produceren, die betrokken zijn bij de modulatie van hematopoëse, immuunresponsen en bij de regulering van hun eigen activiteiten [41-43].

Onze onderzoeken [44] hebben aangetoond dat behandeling van muizen met CPA, een geneesmiddel tegen kanker, resulteerde in een significante onderdrukking van de cytolytische activiteit van NK-cellen. Het was interessant om waar te nemen dat bestraling van met CPA behandelde muizen met MMW's het herstel van NK-celactiviteit versnelde. Verder werd aangetoond dat MMW-bestraling de productie van TNF-a door NK-cellen die worden onderdrukt door CPA-toediening aanzienlijk verhoogt. Deze waarneming ondersteunt het idee dat het immunomodulerende effect van MMW-bestraling gunstig zou kunnen zijn bij gebruik in combinatie met chemotherapie. Soortgelijke resultaten over het effect van MMW's op NK-celactiviteit werden gerapporteerd door Novoselova et al. [15] die het effect van MMW's op het immuunsysteem bij muizen met experimentele tumoren bestudeerden. MMW-bestraling veroorzaakte een significante toename van de productie van TNF-α, stikstofmonoxide en NK-celactiviteit in het vroege stadium van de tumorontwikkeling. Er is ook aangetoond dat MMW-bestraling de NK-celactiviteit in de milt herstelt, onderdrukt door pijnlijke elektrische stimulatie van de achterpoten bij ratten [45].

Er zijn de afgelopen jaren verschillende op NK-cellen gebaseerde immuuntherapieën ontwikkeld [46]. Deze omvatten de activering van de NK-cellen van een patiënt door verschillende cytokines te injecteren, zoals IL-1, IL-2, IL-12, IL 15 en IL-18 enz. De meeste gewoonlijk wordt IL-2 gebruikt voor immunotherapie. Het verbetert de door NK-cellen gemedieerde IFN-γ-productie. Het antitumoreffect van IL-12 en IL-18 is ook geassocieerd met opregulatie van IFN-y-productie door T-cellen en NK-cellen. Er is aangetoond dat IFN-γ tumorangiogenese onderdrukt en apoptose induceert in een verscheidenheid aan tumorcellen door doodsreceptoren van de TNF-superfamilie te activeren. Deze omvatten voornamelijk FAS-ligandreceptoren en TRAIL-receptoren [46]. Er zijn echter verschillende beperkingen bij het gebruik van cytokinen die exogeen worden toegediend voor de behandeling van kanker. Toxiciteit van systemische cytokinetoediening en cytokine-geactiveerde apoptose van NK-cellen zijn twee belangrijke beperkingen van cytokine-gemedieerde immuuntherapieën. Studies door ons en anderen hebben aangetoond dat bestraling met millimetergolven de productie van IFN-γ, TNF-α, IL-2 verhoogt en de cytotoxische activiteit van NK-cellen in vivo verhoogt [44]. Daarom zou immunotherapie door MMW een voordeel moeten bieden boven de systemisch gegeven cytokinetherapie. Er zijn echter verdere experimentele en klinische onderzoeken nodig om deze bevinding te bevestigen.

Effect van millimetergolven op macrofaagfuncties

Macrofagen zijn grote mononucleaire fagocytische cellen die belangrijk zijn bij zowel aangeboren als celgemedieerde immuniteit. Macrofagen spelen een cruciale rol bij de verdediging van de gastheer tegen microbiële invasie en tumorcellen. Macrofaagactivering is belangrijk bij het beheersen van veel sleutelprocessen van het immuunsysteem. Het is bekend dat macrofagen, wanneer ze worden geactiveerd, reactieve zuurstof- en stikstofsoorten, vrije radicalen en TNF-α produceren. TNF-a werd voor het eerst beschreven als een door endotoxine geïnduceerde en door macrofagen uitgescheiden factor die hemorragische necrose van tumorcellen veroorzaakte. TNF-α wordt nu erkend als een cruciaal cytokine dat celdifferentiatie, activering, proliferatie en overleving orkestreert [47-50].

Onze onderzoeken hebben aangetoond dat CPA-behandeling van muizen een sterke afname veroorzaakt in de spontane afgifte van TNF-α door peritoneale macrofagen, die werd hersteld tot een normaal niveau toen dieren werden bestraald met MMW's [26]. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat millimetergolven macrofagen kunnen activeren [51]. De rol van geactiveerde macrofagen in de verdediging tegen tumorcellen en bij de behandeling van kanker is uitgebreid bestudeerd [52]. Er is gerapporteerd dat macrofagen betrokken kunnen zijn bij het doden van tumorcellen, evenals bij het stimuleren van tumorontwikkeling en metastase [53]. Geactiveerde macrofagen kunnen tumorcellen herkennen, binden en vervolgens doden. Ze kunnen onderscheid maken tussen tumor- en normale cellen op basis van verschillen in celsamenstelling. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat een hogere concentratie van de hoeveelheid fosfatidylserine (PS) in het buitenmembraan van tumorcellen één van de factoren is die verantwoordelijk is voor specifieke tumorcelherkenning en lyse of fagocytose van tumorcellen [52]. Er is aangetoond dat MMW-bestraling externalisatie van PS in de buitenste membraanlaag kan veroorzaken, wat tot apoptose kan leiden [54]. Omdat de snelheid van apoptose afhangt van de concentratie van PS in de buitenste laag van het celmembraan [55], heeft MMWT een groot potentieel om bij voorkeur tumorcellen te doden vanwege de grotere accumulatie van PS in hun celmembraan.

Remming van resistentie tegen geneesmiddelen door MMW's

Een groot probleem bij kankertherapie is de ontwikkeling van tumorresistentie tegen chemotherapeutische geneesmiddelen. De belangrijkste boosdoener die betrokken is bij de ontwikkeling van resistentie tegen geneesmiddelen is de nucleaire factor NF-KB, een transcriptiefactor, die betrokken is bij de regulatie van verschillende genen. Veel onderzoeken hebben aangetoond dat antineoplastische middelen zelf deze resistentie kunnen versterken door inductie van NF-KB. Er is voldoende bewijs dat aangeeft dat zowel constitutieve als induceerbare activering van NF-KB tumorcellen kan beschermen tegen apoptose en zo de chemoresistentie kan vergroten [56-58]. De bovenstaande rapporten suggereren dat middelen die de activering van NF-KB door chemotherapeutische geneesmiddelen remmen, ook de tumorresistentie tegen chemotherapie kunnen remmen. Ter ondersteuning van de bovenstaande hypothese werd aangetoond dat remming van induceerbare NF-KB-activiteit de tumorresistentie tegen chemotherapie vermindert [59,60].

Onze onderzoeken hebben aangetoond dat MMW-bestraling de activering kan remmen van NF-KB geïnduceerd door CPA, een geneesmiddel tegen kanker [61]. Deze resultaten suggereren dat MMW-therapie, indien toegepast in combinatie met chemotherapie, de tumorresistentie tegen de antineoplastische middelen kan verminderen. De mechanismen waardoor MMW's door geneesmiddelen geïnduceerde activering van NF-KB remmen, moeten nog worden opgehelderd.

Remming van tumormetastasen

Een van de belangrijkste bijwerkingen van chemotherapie is dat hoewel kankerbestrijdende middelen de groei van primaire tumoren kunnen verminderen, ze paradoxaal genoeg ook de uitzaaiing van tumoren kunnen bevorderen. Bij de algemeen gebruikte doses zijn de meeste kankerbestrijdende middelen immunosuppressief en daarom kunnen secundaire neoplasieën het gevolg zijn. Er is bijvoorbeeld gerapporteerd dat CPA tumormetastasen kan bevorderen [62,63]. Een recente studie suggereert dat paclitexal, een medicijn dat momenteel voor vele vormen van kanker wordt gebruikt, ook de metastase zou kunnen verhogen [64]. Er is ook aangetoond dat veel antineoplastische middelen, waaronder CPA, de NK-celactiviteit kunnen verminderen [65,66]. Bovendien is aangetoond dat een vermindering van de NK-celactiviteit resulteert in een versterking van de tumormetastase [67-69]. Omdat onze onderzoeken hebben aangetoond dat de door CPA geïnduceerde onderdrukking van NK-celactiviteit kan worden hersteld door MMW-therapie [44], hebben we verder onderzocht of MMW's ook de versterkte tumormetastase als gevolg van CPA-voorbehandeling kunnen remmen. Om dit verder te testen, gebruikten we een 'experimenteel metastase'-model waarin B16-melanoomcellen intraveneus werden geïnjecteerd in C57BL/6-syngene muizen en de tumorontwikkeling in de longen werd geëvalueerd. Het resultaat van onze onderzoeken toonde aan dat MMW-bestraling op 42,2 GHz de metastase kan verminderen die wordt versterkt door CPA-behandeling, wat suggereert dat een combinatie van MMW- en chemotherapie een veelbelovende nieuwe strategie kan bieden om metastase bij de behandeling van kanker te verminderen.

Moleculaire mechanismen van MMW-behandeling

Wij zijn van mening dat de biologische effecten van MMW’s (penetratiediepte minder dan 1 mm in de huid) worden geïnitieerd door activering van vrije zenuwuiteinden in de huid [70-73]. Vervolgens wordt het signaal naar het centrale neurale systeem gestuurd, waar het de neurale activiteit moduleert, wat resulteert in de ontwikkeling van verschillende biologische effecten, zoals de afgifte van endogene opioïden. Ter ondersteuning hiervan werd aangetoond dat de hypoalgetische effecten van MMW's teniet werden gedaan wanneer dieren werden behandeld met naloxon, een niet-specifieke blokker van opioïdereceptoren, voorafgaand aan de bestraling van MMW's [74]. Bovendien is ook de betrokkenheid van endogene opioïden bij de onderdrukking van de melanoomgroei door MMW's gemeld [75].

In verschillende onderzoeken uit onze groep is aangetoond dat MMW-bestraling de afgifte van endogene opioïden kan induceren [76]. Er is voldoende bewijs dat opioïde peptiden het immuunsysteem kunnen moduleren. Het doelwit van het effect van endogene opioïden zouden NK-cellen [77], cytolytische functies van cytotoxische T-cellen en de balans van Th1- en Th2-cytokinen [78] kunnen zijn. De verstoring van een normaal Th1/Th2-evenwicht komt voor bij verschillende immunologische ziekten [79,80]. In een recente studie hebben we gerapporteerd dat immunomodulatie van T-cellen door millimetergolven wordt gemedieerd door endogene opioïden [81]. Er zijn echter verdere onderzoeken nodig om te bepalen of endogene opioïden betrokken zijn bij de waargenomen effecten van MMW's op de andere componenten van het immuunsysteem die door medicamenteuze behandeling worden onderdrukt. Een systematisch onderzoek naar het gecombineerde effect van CPA en MMW op de afgifte van cytokine in de aanwezigheid of afwezigheid van naloxon en selectieve opioïdereceptorantagonisten zou nuttig zijn bij het afbakenen van de mechanismen die betrokken zijn bij de bescherming van immuunfuncties door MMW's.

Conclusies en perspectieven

De hierboven besproken onderzoeken suggereren dat MMW-therapie kan dienen als aanvullende therapie om aangeboren en adaptieve immuunfuncties te beschermen tegen de nadelige effecten van chemotherapie bij de behandeling van kanker. Verdere diepgaande mechanistische studies in dierproeven en klinische onderzoeken zijn nodig om de waarde van millimetergolftherapie in combinatietherapie van menselijke kankers volledig te kunnen waarderen. Concreet moeten er meer preklinische onderzoeken worden uitgevoerd om het effect van MMWT op regulerende T-cellen, tumorcelgroei, tumorapoptose, tumormicro-omgeving en tumorangiogenese te onderzoeken. Bovendien moet het effect van MMW's op ontstekingsenzymen waarvan is aangetoond dat ze de tumorgroei en metastase bevorderen (bijvoorbeeld cyclo-oxygenase 2 en metalloproteïne-9) verder worden onderzocht. De resultaten van deze onderzoeken zullen westerse artsen een wetenschappelijke basis bieden om klinische onderzoeken uit te voeren bij kankerpatiënten.

Dankbetuigingen

Steun verlenen

Het National Center for Complementary and Alternative Medicine/NIH Grant-nummers PO1-AT2002025 en RO1-AT00492.

Referentie:

Mahendra K. Logani*, Mahendra K. Bhopale en Marvin C. Ziskin

Centrum voor Biomedische Fysica, Temple University School of Medicine, VS

Millimetergolven en door geneesmiddelen geïnduceerde modulatie van het immuunsysteem - Toepassing bij immunotherapie tegen kanker