13.2.1 Introducción

A comienzos del milenio, un documento histórico detalló seis características del cáncer, todas las cuales se centraron en la célula cancerosa [14]. Una década después, una revisión identificó evitar la destrucción inmune como un sello distintivo emergente [15]. Dirigirse al sistema inmunológico terapéuticamente ahora se ha convertido en un foco importante de la investigación académica y la industria farmacéutica, con muchos agentes que ya se encuentran en el uso clínico de rutina o en desarrollo. Estos tratamientos están cambiando fundamentalmente el pronóstico de muchos cánceres que anteriormente tenían resultados terribles una vez que se había desarrollado la metástasis. El melanoma es un ejemplo de ello. La introducción de ipilimumab, un anticuerpo contra el antígeno-4 de linfocitos T citotóxicos (CTLA-4), vio algunas respuestas notables [16], pero incluso al principio de su desarrollo clínico desafió la forma en que se evaluó la eficacia de tales agentes debido a patrones de respuesta atípicos [17]. El desarrollo de agentes que bloquearon el punto de control inmunitario de muerte-1 y ligando de muerte programado 1 (PD1/PD-L1) avanzó más las opciones terapéuticas para varios cánceres con resultados tradicionalmente pobres [18]. Aunque más ampliamente establecido en el tratamiento del melanoma, tanto los agentes anti-PD-1 como los anti-PD-L1 pueden producir respuestas anticancerígenas en una lista creciente de neoplasias malignas, incluyendo cáncer de pulmón, carcinoma renal, cáncer de mama triple negativo y linfoma. Sin embargo, dentro de estos tipos de cáncer solo responde una proporción de individuos, y no todos los que responden continúan haciéndolo indefinidamente.

La traducción clínica de los agentes inmunomoduladores se basó en décadas de investigación sobre el papel de los sistemas inmunitarios innatos y adaptativos en el cáncer. Es importante destacar que ha habido un cambio progresivo en nuestra comprensión del cáncer en el último cuarto de siglo o más, con un reconocimiento creciente de que los cánceres implican una simbiosis entre las células cancerosas transformadas y un microambiente tumoral complejo (TME) que involucra a muchas otras células no malignas y una diafonía química que apoya el crecimiento, la invasión y la metástasis de las células malignas [19]. En particular, la señalización paracrina entre las células de la TME, que implica citoquinas tales como el factor de crecimiento transformante beta (TGFb) y los puntos de control inmunitarios, que permiten a las células cancerosas evadir la destrucción inmunitaria mediada por células T, se reconocen como impulsores clave de la progresión del cáncer [20].

En paralelo a esta explosión en el conocimiento sobre la biología del cáncer, la imagen molecular con tomografía por emisión de positrones (PET) se ha adaptado a este panorama terapéutico en evolución mediante el establecimiento de nuevas metodologías para evaluar la respuesta a la inmunoterapia y la imagen del microambiente inmunológico. Esto ha implicado tanto el trazador oncológico convencional, [18F]fluorodesoxiglucosa (FDG), como los nuevos trazadores de PET [21-24]. En esta revisión, se discutirá el papel del PET en la evaluación de la TME inmune.

 

13.2.2 Componentes clave del TME

Como antecedentes, es importante comprender los componentes clave de la TME que afectan la capacidad del sistema inmunitario para reconocer y luego matar las células cancerosas (Figura 1).

Existen múltiples tipos de células que son importantes para apoyar el crecimiento de los tumores primarios y metastásicos. En primer lugar, son los que crean la arquitectura estructural y nutritiva que se requiere para el establecimiento de agregados celulares de más de un pequeño grupo de células cancerosas. Estos incluyen la elaboración de la matriz extracelular (ECM) y la vascularización. Los fibroblastos asociados al cáncer (CAF) y las células y pericitos endoteliales, respectivamente, son importantes en estos procesos.

El papel fundamental que desempeñan los CAF en la progresión del cáncer ahora es bien reconocido [25]. Los CAF impactan la invasión del cáncer al remodelar la ECM, modificar la función de los macrófagos y el endotelio mediante la secreción de factores solubles, apoyar el crecimiento del tumor a través de efectos metabólicos como el transporte de lactato y, lo que es más importante, para esta discusión, interferir con la función de las células T a través de la diafonía inmune [26,27]. La proporción de CAF varía en diferentes tipos de cáncer, e incluso dentro de grupos específicos de cáncer. Por ejemplo, una subclasificación temprana del cáncer de ovario [28] describió un subgrupo C1 que estaba enriquecido para genes asociados con elementos estromales, particularmente miofibroblastos que expresan proteína de activación de fibroblastos (FAP). Este subtipo demostró niveles significativamente más altos de desmoplasia dentro de la ECM, baja infiltración tumoral de linfocitos y la supervivencia más pobre de todas las firmas genómicas de cáncer de ovario de alto grado, proporcionando información importante sobre la interacción de los CAF con el sistema inmunitario. Los CAF altos en FAP están particularmente asociados con la inmunosupresión mediada por células T (T reg).

El proceso de neovascularización es igualmente vital para la progresión del cáncer [29]. Las células endoteliales y los pericitos de apoyo cooperan para permitir la angiogénesis, que es un sello distintivo del cáncer (1). La angiogénesis se produce de una manera dependiente de la etapa y dependiente del tipo [30]. A diferencia de la vasculatura normal, la neovascularización en los tumores está estructuralmente desorganizada, lo que lleva a un flujo sanguíneo aberrante que limita el suministro de oxígeno. Por lo tanto, la hipoxia es común dentro de los depósitos de cáncer y está involucrada en un bucle de retroalimentación pro-angiogénica, así como en los cambios mutacionales y epigenéticos en las propias células cancerosas [31]. Mientras que el aumento de las mutaciones tendería a generar inmunogenicidad, la hipoxia impacta simultáneamente la respuesta inmune al atraer y reprogramar metabólicamente diversas células inmunosupresoras en la TME, incluyendo células supresoras derivadas de mieloides (MDSC) y polarización de macrófagos del fenotipo M1 a M2. Los vasos sanguíneos tumorales expresan el ligando FAS (FASL), que está implicado en la señalización de muerte celular, y PDL1, que inhibe la infiltración de linfocitos en los tumores. Las células endoteliales germinativas (EC) secretan altos niveles de factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF), aumentando adicionalmente la angiogénesis y la inmunosupresión a través del reclutamiento y diferenciación de las MDSC. La mala cobertura de los pericitos conduce a la fuga de fluido en el espacio extracelular con un aumento concomitante de la presión intersticial. Estos factores tienen efectos importantes en el número, los tipos y la función de las células inmunes que se infiltran en el TME [32].

Si bien el crecimiento, la invasión y la metástasis son importantes para establecer los múltiples sitios de propagación del cáncer que reducen la duración y la calidad de vida de millones de personas en todo el mundo [33], la interacción compleja de varios tipos de células inmunes también está directamente involucrada en la supervivencia de las células cancerosas. Conceptualmente, el ciclo de inmunidad al cáncer proporciona una secuencia de fases críticas que deben superarse para permitir que las células cancerosas eviten la destrucción de células T. En términos generales, estos se pueden dividir en eventos de inicio que activan y reclutan células T, el tráfico y la infiltración de esas células en sitios tumorales, y el proceso de destrucción celular a través del reconocimiento y el ataque de células especializadas [34]. A un nivel más granular, este ciclo implica la liberación de antígenos de células cancerosas y la presentación de esos antígenos a las células que activan y ceban las células T, que luego trafican e infiltran depósitos tumorales donde se producen el reconocimiento y la destrucción de células cancerosas. El fracaso puede ocurrir en cualquiera de estos pasos, y las estrategias para superar los factores inmunosupresores forman la base de los enfoques inmuno-oncológicos modernos para el cáncer. Los agentes anti-CTLA-4 afectan principalmente a las fases anteriores del ciclo de inmunidad al cáncer, mientras que los agentes anti-PD1/PD-L1 potencian el reconocimiento y la destrucción de las células cancerosas.

Las mutaciones y los cambios epigenéticos implicados en la transformación de una célula en un fenotipo maligno son una parte central del proceso oncogénico. Al crear neoantígenos, la carga mutacional tumoral contribuye ampliamente a la inmunogenicidad. Estos neoantígenos, que surgen de mutaciones no sinónimas, se liberan típicamente de células necróticas y luego son absorbidos por células presentadoras de antígeno (APC), particularmente incluyendo células dendríticas (DC), en la TME. A través de la secreción de factores reguladores, la maduración de las DC se inhibe por las células inmunosupresoras dentro de la TME. regLas células T reg son un subconjunto de linfocitos caracterizados por la expresión de FOXP3, con MDSC importantes entre estos. Una vez activados, los linfocitos T reg excretan diversas señales, incluyendo las citoquinas IL-10, IL-35 y TGFβ, que inhiben la presentación de antígenos por APC y suprimen la proliferación y función de células T CD8 + [35]. Los macrófagos asociados a tumores (TAM) también pueden suprimir la actividad de las células T a través de la secreción de factores, incluyendo diversas interleucinas (IL-1, IL-4, IL-6, IL-10), TGFβ y factor de necrosis tumoral (TNF) [36]. También impactan la vascularización a través de la secreción de VEGF. El fracaso de la maduración de las DC afecta la expansión y diferenciación de células T, está mediado por múltiples factores solubles, y está particularmente regulado por CTLA-4. Los agentes anti-CTLA-4 tales como ipilimumab, por otro lado, inducen la expansión de las células T y aumentan el reconocimiento de células T periféricas de los neoantígenos [37].

Después de la captación de antígenos, las DC migran a los ganglios linfáticos de drenaje, donde, en el contexto de las moléculas principales del complejo de histocompatibilidad de clase I (MCH-1), interactúan para cebar las células T CD8+. Estos linfocitos luego trafican a sitios de cáncer, donde pueden acumularse o ser excluidos. Este es un proceso complejo que implica la unión de linfocitos al endotelio a través de la activación mediada por quimiocinas de integrinas y la adhesión dependiente de integrina, seguido de la transmigración a la TME. La ECM puede inhibir directamente la transmigración de linfocitos [38] y, adicionalmente, los CAF secretan el ligando 12 de quimiocinas del motivo C-X-C (CXCL12), que inhibe la infiltración de T en tumores. Los cánceres se definen cada vez más por el número de linfocitos infiltrantes de tumores (TIL) (35,39). Los tumores inflamados incluyen un infiltrado de células T CD8+ ricas, mientras que el fenotipo del desierto inmune se caracteriza por una escasez de tales células. La abundancia de TIL, el estado funcional, la especificidad de antígeno y la distribución espacial son relevantes para el control tumoral mediado por el sistema inmunitario. La respuesta a los inhibidores del punto de control inmunitario anti-PD1/PD-L1 se potencia en tumores inflamados que además tienen un perfil de quimiocinas amplio, una firma de interferón tipo 1 (IFN) y una expresión elevada de genes inducidos por IFN-γ [40]. Una vez dentro de la TME, las células T CD8+ necesitan reconocer y destruir las células cancerosas, lo que requiere el reconocimiento del receptor de células T (TCR) de los complejos de péptido afín-MHC-I en las células cancerosas y la posterior activación de la vía de la exocitosis de gránulos, que está mediada por perforina y granzimas [41], y las interacciones entre el receptor de muerte y el ligando [20]. El punto de control inmunitario PD1/PD-L1 es un regulador clave de estas etapas efectoras en la supresión inmune de cánceres y se dirige terapéuticamente por una amplia gama de agentes anti-PD1 y anti-PD-L1 [42]. Sin embargo, la derogación de la PD1/PD-L1, incluso en presencia de abundantes linfocitos T CD8+, puede superarse mediante el agotamiento de linfocitos T. Las células asesinas naturales (NK) también son un componente importante del aparato de destrucción de células cancerosas.

Entre los factores solubles implicados en el ciclo de inmunidad, la señalización del factor de crecimiento transformante-β (TGFβ), secretada por células cancerosas y CAF, es un inductor prominente del programa de transición epitelial-mesenquimal en las células cancerosas, que es importante para la invasión y la metástasis. TGFβ también regula negativamente las moléculas de MCH-1, limitando así el reconocimiento de células T, regula positivamente el ligando de punto de control inmunitario inhibidor PD-L1, y potencia la secreción de la enzima extracelular CD73, que genera adenosina inmunosupresora en la TME. Junto con la prostaglandina E 2 (PGE 22) y otras citoquinas secretadas por células tumorales, TGFβ está implicado en la inducción de fenotipos inmunosupresores en células mieloides, CAF y neovascularización. Esta interacción paracrina entre las células cancerosas y los elementos estromales actúa así a múltiples niveles diferentes para suprimir la destrucción inmune de los depósitos de cáncer.

 

13.2.3 Imaging of the Immune TME

The biological systems discussed above provide many potential imaging targets, both generic and specific. Generic targets that influence but do not directly reflect the immune TME include alterations in metabolism, neovascularization, and the presence of hypoxia. More specific targets are immune checkpoints, various immune-modulating cell types such as CAFs and MDSCs, and those cells directly involved in immune killing, particularly CD8+ cells as well as their biological products.

Aunque ha habido mucho enfoque en el papel de la reprogramación metabólica de las células cancerosas para usar preferentemente glucosa debido al efecto Warburg [43], también se reconoce cada vez más que varias células inmunes dentro de la TME son altamente dependientes del metabolismo glucolítico. Por ejemplo, un cambio hacia la glucólisis en las TAM conduce a un aumento de la producción de lactato con una reducción en el pH extracelular, que se asocia con una reducción de la abundancia y función de células T CD8 +, promoviendo de este modo un entorno inmunosupresor [44]. Por el contrario, los procesos de expansión de linfocitos T como parte del proceso de cebado y posterior destrucción celular también son dependientes de la energía, siendo un aumento en el metabolismo glicolítico una manifestación del fenómeno de pseudoprogresión, que es más común con los agentes anti-CTLA-4 pero también se puede ver con agentes anti-PD-1/PD-L1 [24, 45] (Figura 2).

Como factor modulador de la función inmune, es factible la obtención de imágenes de la neovascularización. Los objetivos angiogénicos que se pueden obtener en la imagen usando trazadores de PET incluyen integrinas αVβ3 o αVβ5 [46] y el eje del factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) [47]. Como se ha discutido anteriormente, la arquitectura de vasos aberrantes en depósitos de cáncer conduce a la hipoxia. La estabilización de factores inducibles por hipoxia (HIF) permite la expresión de una amplia gama de genes que permiten la adaptación de las células a la hipoxia [31]. Estos incluyen el transportador de glucosa 1 (GLUT1), que regula el transporte de glucosa a las células. La alta absorción de FDG, medida más simplemente por el valor de absorción estandarizado (SUV), puede reflejar no solo el estado proliferativo de los cánceres y la infiltración de células inmunes, sino también la hipoxia. La presencia de una hipoxia se puede obtener en la imagen usando diversos trazadores, particularmente incluyendo [18F]fluoro-misonidazol [48] y [18F]fluoroazomicina arabinósido [49], aunque el valor predictivo de los agentes de obtención de imágenes de hipoxia para la respuesta a los inhibidores del punto de control inmunitario aún no se ha evaluado. Sin embargo, estos son medios indirectos para evaluar el TME inmune en virtud de su papel en la modulación de la función de las células inmunitarias.

Los CAF están más directamente implicados en la modulación de la TME inmune [50]. Una característica clave de los CAF es la expresión de la proteína de activación de fibroblastos (FAP), y varios trazadores de FAP están entrando en la práctica clínica [51]. Si bien la alta absorción de estos trazadores en los depósitos tumorales puede indicar una menor probabilidad de respuesta a la terapia con puntos de control inmunitario, los efectos de los CAF en el entorno inmunológico son muy probablemente multifactoriales [52]. La medida en que los trazadores de las PAF complementarán o reemplazarán a los FDG sigue sin estar clara [53]. Sin embargo, al igual que FDG, estos agentes tienen la ventaja de integrar muchos procesos que tienen implicaciones pronósticas adversas. Mediante la formación de imágenes tanto de CAF como de neovascularización, un radiotrazador heterodimérico biespecífico dirigido tanto a FAP como a αvβ3, ([68Ga]-LNC1007), que consiste en FAPI-02 y un péptido RGD cíclico [54], puede identificar la presencia de una TME más inmunosupresora. Las MDSC, que desempeñan un papel importante en la evasión inmune de células cancerosas, expresan CD11, para la cual se ha desarrollado un anticuerpo monoclonal marcado con circonio [55].

As the most important effectors of cell killing, imaging of CD8+ T cells themselves has been performed using radiolabelled minibodies [56]. Despite the promise of this approach, demonstration of the presence of CD8+ in the TME does not provide evidence of their functional status since both activated and exhausted T lymphocytes have expression of this target. The nucleoside salvage pathway, which is mediated by deoxycytidine and deoxyguanosine kinases, is up-regulated in activated T cells. A substrate for this pathway, 2’-deoxy-2’[18F]fluoro-9-b-D-arabinofuranosylguanine (AraG), is consequently preferentially taken up by these cells and can potentially differentiate between activated an exhausted T cells [57]. Similarly, agents that target lymphocyte activation gene 3 (LAG-3) have also been evaluated in preclinical models, with both peptide [58] and monoclonal antibody agents being developed [59]. A cyclic peptide against LAG-3 has also been tested in a small number of patients with non-small cell lung cancer [60]. A further target on activated T cells is T cell immunoreceptor with immunoglobulin and ITIM domain (TIGIT) [37]. A monoclonal antibody against TIGIT has been described, although uptake was not significantly higher than in a non-specific monoclonal antibody, suggesting that uptake may mainly have been related to disruption of the blood-brain barrier in the preclinical model used [61].

Los receptores de superficie celular expresados en linfocitos o células cancerosas que están directamente implicados en el reconocimiento y la destrucción de la inmunidad representan objetivos de formación de imágenes atractivos, ya que permanecen asociados a la superficie celular y pueden expresarse en altas concentraciones. Los anticuerpos anti-CTLA-4, anti-PD1 y anti-PD-L1 se han radiomarcado, principalmente usando circonio-89 para permitir una formación de imágenes suficientemente tardía para permitir el aclaramiento de la sangre y la acumulación de tumores [62, 63]. Los agentes evaluados tanto en entornos preclínicos como clínicos han sido revisados recientemente en detalle [64]. El desarrollo de anticuerpos multiespecíficos es una estrategia terapéutica emergente, y en paralelo a esto, se han desarrollado trazadores de PET para evaluar la biodistribución de estos agentes, como se ha revisado recientemente en detalle [65]. Una pequeña adnectina que se dirige a PD-L1 también se ha utilizado clínicamente [66], con adaptaciones adicionales de este enfoque probadas en modelos preclínicos [67]. Al estar etiquetados con flúor-18, estos tienen ventajas prácticas para el uso diagnóstico.

Una alternativa a la obtención de imágenes de linfocitos T es apuntar a sus productos secretores implicados en la destrucción celular. Por ejemplo, la granzima B es una serina proteasa que es liberada por células T CD8 positivas activadas y células asesinas naturales para inducir apoptosis en células cancerosas. La formación de imágenes del eje de la granzima se ha demostrado preclínicamente [68] y también clínicamente [69].

De manera similar, IFN-g es una citoquina liberada por una miríada de células, incluyendo linfocitos T citotóxicos y células asesinas naturales, que pueden promover o inhibir la inflamación. Se ha desarrollado un anticuerpo monoclonal radiomarcado con circonio-89 contra IFN-g y se ha propuesto como una herramienta predictiva para monitorizar la respuesta a la inmunoterapia tumoral basándose en estudios preclínicos [70]. La IL-2 es una citoquina que es esencial para la proliferación y función efectora de las células T CD8+, así como para el desarrollo de la memoria inmunológica [71]. Para la formación de imágenes de PET del receptor afín de IL-2, IL-2R, el trazador N-(4-[18F]-fluorobenzoil)IL-2 ([18F]-FB-IL2) se ha evaluado en un ensayo en humano por primera vez [72].

 

13.2.4 Conclusión

Por lo tanto, hay muchos enfoques potenciales de formación de imágenes específicas para la obtención de imágenes del sistema inmunitario (Tabla 1). Algunos solo se han evaluado en modelos preclínicos, pero también se está produciendo la traducción clínica de otros agentes. Dada la complejidad de la TME inmune y las vías terapéuticas en evolución, sigue sin estar claro cómo estos agentes podrían integrarse en la evaluación diagnóstica de los cánceres. Sin embargo, es probable que desempeñen un papel complementario a una evaluación más genérica de la TME por parte de los agentes de la FDG o de la FAPI. Diferentes agentes pueden desempeñar un papel en el diagnóstico primario y para la evaluación de la respuesta terapéutica [23]. En la actualidad, muchos de los agentes son anticuerpos monoclonales marcados con circonio-89, que plantean un desafío logístico en el entorno de diagnóstico debido a las bajas actividades administradas ordenadas por la larga vida media del radionúclido y la necesidad de imágenes retardadas. Mientras que los escáneres de campo de visión axiales largos han permitido una formación de imágenes más rápida y de mayor calidad de tales agentes [73], es probable que se prefieran en el entorno de diagnóstico los agentes basados en moléculas pequeñas y péptidos marcados con flúor-18 o galio-68. A medida que las terapias inmunomoduladoras se incrustan cada vez más en la atención oncológica, es probable que las imágenes moleculares con PET desempeñen un papel importante en la selección, planificación y monitoreo de estos tratamientos.

Leyendas de la figura

Cuadro 1

Radiofármacos para imágenes PET del sistema inmunológico

Ejemplos de radiofármacos de Target

Gen 3 de activación de linfocitos LAG3; interleucina 2 de IL-2; interferón gamma de IFN-g; proteína 4 asociada a linfocitos T citotóxicos CTLA-4; inhibidor de la proteína de activación de fibroblastos FAPI; células supresoras derivadas de mieloides de MDSC

Figura 1. El ciclo de inmunidad al cáncer tiene componentes clave que implican la presentación de antígenos, cebado de células inmunitarias, tráfico de linfocitos T al tumor y destrucción celular. En cada etapa del proceso, los factores inhibidores pueden suprimir la respuesta inmunitaria, siendo CTLA-4 el punto de control dominante en las etapas anteriores y PD1/PD-L1 para la posterior destrucción celular. Las células estromales que incluyen CAF, T reg y MDSC (no mostradas) también actúan para apoyar la evasión inmune, al igual que los efectos fisicoquímicos de la neovascularización, incluyendo hipoxia, pH bajo y aumento de la presión intersticial.