盡管我們對癌癥生物學和癌癥治療的許多方面有了最新的理解， 癌癥治療的成功率為仍然微乎其微。癌癥的免疫治療可能調動人體自身免疫系統根除局部乃至全身的腫瘤，因此長期以來就是令癌癥研究者興奮的領域。自細胞因子被初次發現以來，基于細胞因子的腫瘤免疫治療研究一直深入廣泛的開展，因為它是相對容易純化的注射型的癌癥治療試劑。但到目前為止，大多數細胞因子的治療試驗都低于預期，主要困難之一是細胞因子很難在病人體內達到治療劑量而又不產生過度的細胞毒性。 新出現的基因治療方法可能只在腫瘤局部持續產生的高濃度的治療性的免疫刺激性細胞因子，而不刺激細胞因子整體水平的提高，不造成明顯可見的細胞毒性，因此引起人們極大的興趣。本文試圖在這方面做一綜述，并討論與細胞因子免疫基因治療有關的問題和可能的解決辦法。
作為可能治療癌癥方法，免疫療法在19世紀被紐約外科醫生威廉Coley最初嘗試。他觀察到對極個別的自發性腫瘤自愈患者，病人常伴有偶發的感染(1)。何況，Coley企圖通過注入細菌提取物來調動機體免疫系統的試驗只獲得了很有限的效果。
腫瘤免疫學的一個基本問題是機體免疫系統是否可以識別腫瘤細胞，因為它們大部分是來自機體自身的正常細胞。1909年，Paul Erlich 最先提出一種理論，認為機體免疫系統有對抗癌細胞的潛能(2)。但在隨后的幾年內，由于缺乏對免疫系統的分子和細胞水平的認識，不可能通過實驗驗證他的理論。因此，腫瘤免疫學領域的研究進展緩慢。
直到50年后，托馬斯(3)和Burnet (4)提出了所謂的癌癥免疫監視理論(5)。 這個理論是基于對器官移植生物學(6、7)和化學誘發腫瘤免疫(8-10)的進一步了解而提出，認為淋巴細胞能監視和清除機體內不斷出現的新的腫瘤發生細胞，只有當免疫系統監視失敗時才形成腫瘤。
70年代出現的一些關鍵實驗似乎反駁了免疫監視理論(11)。在這些實驗中，胸腺萎縮、T細胞嚴重缺陷的裸小鼠并沒有出現腫瘤發病率的上升。特別明確的是CBA/H基因缺陷的裸小鼠并沒有出現化學誘導或自發的腫瘤發病率的升高，也沒有潛在發展腫瘤的明顯減少。這些實驗使腫瘤免疫監視理論顯得過時(12)，然而后來了解到，從裸小鼠實驗得到的體數據是不全面的。
首先,裸小鼠仍擁有少量的能夠檢測到的T細胞(13，14)。其次，裸小鼠有正常的數量的自然殺傷細胞(NK)(15)，能極大地影響腫瘤地生長；殘余的T細胞和完好無損的先天免疫系統仍可以控制自發的或人工誘導的腫瘤。特定效應細胞或特定基因缺陷的轉基因敲除小鼠的應用使人們有可能得到更確信的準確的實驗結果以重新審查腫瘤免疫監視理論的正確性。這些研究極大地證實免疫監視理論(16)。例如，RAG-2基因(重組激活基因)缺損的小鼠，缺少淋巴細胞抗體基因的重排，T、B淋巴細胞和NK細胞聯合缺陷，因此與野生型小鼠相比化學誘導的和自發的腫瘤發生率均升高(16)。
腫瘤免疫監視理論的重新審定極大的增強了從事腫瘤免疫治療研究的工作者的信心，它重新肯定了動員機體自身免疫系統根除惡性腫瘤在體內生長的可行性。除了腫瘤免疫監視理論之外，腫瘤免疫學領域還有一些劃時代意義的重要事件，包括：1)識別和純化免疫刺激的細胞因子 (1918年至1923年)，它們在腫瘤實驗模型中能提高機體對癌細胞的免疫反應(24-28)；2)有能力選擇性擴增特定的免疫效應細胞如腫瘤特異性殺傷T細胞或NK細胞(29-37)；3) 各種腫瘤特異性抗原分子特性的鑒定，如neu (38, 39)，CEA (40-43)， PSA (44-46)，MUC (47-50)等；4)確定樹突狀細胞(DCs)為主要的抗原提呈細胞（APCs）(51-53)；5)認識到腫瘤細胞通過各種方法躲避免疫系統(54、55)。換句話說，免疫系統在"編輯刪除"具有免疫刺激抗原的腫瘤細胞而選擇對免疫系統"沉默"的腫瘤細胞過程中發揮重要作用(16、56、57)。 目前大多數腫瘤免疫學者認為，免疫系統毫無疑問在腫瘤的發展過程中起著關鍵作用，并且在未來的癌癥治療中可能發揮中樞作用。我們已經清楚，腫瘤細胞表達特異性的抗原被免疫系統識別，同時又通過各種途徑逃避免疫系統的攻擊。腫瘤免疫學家們面臨的挑戰是理解腫瘤細胞和免疫系統相互作用分子的復雜性，并設計新的方法打破平衡，使免疫系統攻擊腫瘤細胞。
細胞因子的發現預示著免疫學和癌癥免疫治療新時代的到來
細胞因子是一個細胞間信號轉導多肽家族，由160多名成員組成。許多的細胞因子如白介素，具有調節癌癥免疫應答功能，因此被深入研究以治療癌癥。1976年發現白細胞介素-2(18)標志著癌癥細胞因子免疫治療的開始。二十世紀八十年代純化的足夠數量的IL-2基因使細胞因子在癌癥治療中的應用獲得了發展動力。更令人興奮的是人們認識到IL-2是一種T細胞及自然殺傷細胞(NK)的生長因子及活化劑，而這兩種細胞在機體對抗腫瘤細胞中有重要作用。最初的努力大多集中在使用細胞因子擴增所謂的淋巴因子激活的殺傷細胞(LAK)上(29、58)，它們主要是被誘導處于極度活化狀態的NK細胞。注入LAK細胞具有很大的感染性，盡管對小鼠腫瘤有療效(59、60)。 然而，這正是所謂的過繼免疫治療的開始，此法通常要注射同源的或同種異體的體內激活的免疫效應細胞以根除腫瘤，其優點是可以獲取大量的體外擴增的免疫效應細胞。這種方法后來的模型就是輸注體外擴增的腫瘤浸潤淋巴細胞(TILS)(34、36)。在黑色素瘤和腎細胞癌患者中使用TILS導致顯著的早期反應，然而，隨機臨床試驗效果并不優于IL-2的單獨應用 (61)。TILs和LAKs都是美國國立癌癥研究所Steven Rosenberg和他的同事提倡的。
除了過繼免疫療法外，IL-2的到來激發了人們把它作為藥理學試劑直接用于病人治療的廣泛興趣，此法即被稱為自動免疫治療。最初的努力主要集中在全身性地注入IL-2激發體內廣泛的對抗癌細胞的免疫。此法是基于鼠類動物腫瘤模型實驗，該實驗中直接注入IL-2有明顯的抗腫瘤效應(62-65)。目前，IL-2在美國、加拿大和歐盟已經被批準用于臨床上腎細胞癌的治療，這是根據小規模臨床試驗反應率統計(1966年至1970年)而批準的。系統性毒性問題已嚴重限制了許多細胞因子在人類中的廣泛應用。盡管發現IL-2帶來了初期的研究熱情以及很多臨床前的數據都暗示了它潛在的抗腫瘤功效，但是明顯的臨床效果只見于有限的幾例腎細胞癌和惡性黑色素瘤患者。除了缺乏功效外，另一個限制IL-2應用的主要因素是全身性的毒性問題，這些毒性包括低血壓、血管滲漏、呼吸功能不全 (71、72)， 不太嚴重但限制應用的副作用包括惡心、嘔吐、腹瀉、肌痛、關節痛、皮膚紅斑、瘙癢癥。此外不常見的毒性包括心肌梗死、心肌炎、感染、腎衰竭、腸胃梗塞、死亡。腫瘤壞死因子α (TNF-α)是另一個用于全身性抗癌治療的細胞因子。它在70年代初因其具有強大的殺滅鼠類腫瘤活性而被確定(73)，在80年代(74、75)被克隆出來，自此以后進行了多項真對各種人類腫瘤功效的一期和二期臨床試驗(76-78)。腫瘤壞死因子α至少通過三種機制以消除腫瘤(79)：首先，它對腫瘤細胞有直接的溶細胞活性；第二，它可以選擇性破壞腫瘤新血管系統導致腫瘤組織出血壞死從而殺死腫瘤(80、81)；第三，可以促進T細胞介導的腫瘤細胞免疫能力。因此，它具有強大的殺傷腫瘤活性甚至是對于TNF-α直接毒性不敏感的腫瘤。
大多數臨床實驗都由于TNF-α帶來的嚴重的全身性毒性而告失敗。由于副作用，如低血壓、血管滲漏、發熱和神經毒性，多數情況下都不能達到有效的抗腫瘤劑量(82)。 事實上，人類只能忍受2%/公斤的劑量，此劑量對抑制小鼠腫瘤是必須的(82,83)。然而，如果能集中到身體特定器官或器室并且達到有效的濃度，肯定能殺滅人類腫瘤(84，85)，利用肢體灌注TNF-α治療骨肉瘤和轉移性黑素瘤就是一個很好的例子(86)。
上述兩個例子表明，基于細胞因子的免疫療法是成功的，但其毒性/副作用必須得到解決。
除了毒性的副作用外，全身性注射細胞因子抗腫瘤療法還有其固有的問題。這些問題是多方面的：有問題的系統注入新的激素治療癌癥的方法. 這些問題是多方面的：1)往往導致人為的高濃度的細胞因子，比系統水平高幾個數量級，因此在大多數情況下，造成不必要的副作用，如前一節提到的毒性甚至致死問題；2)雖然全身性的細胞因子濃度，是機體正常情況的數量級倍，但在免疫系統需要激活的部位如腫瘤組織，細胞因子濃度遠低于所需；3)大劑量注射細胞因子通常只引起濃度的短時的升高，然后迅速被機體的肝臟或腎臟清除。
因此，沒有足夠的時間來調動免疫系統對抗腫瘤細胞。要想用細胞因子激活免疫系統對抗腫瘤細胞，就必須重新認識機體自身的免疫系統是如何被激活來抵抗像細菌或病毒這樣的外來抗原的。通常這些抗原進入人體各個特定部位，免疫系統通過其各種成分如巨噬細胞、樹突狀細胞、NK細胞等識別這些抗原，產生局部的危險信號，然后高濃度的細胞因子提供旁分泌信號使各種免疫效應細胞向該部位聚集。局部細胞因子水平升高和免疫效應細胞聚集形成放大回路，，有利于清除入侵之敵，并在許多情況下產生記憶T細胞，當具有相同抗原的有機體再次侵入機體時，免疫系統可以展開迅速而有效的攻擊。
從人體自身的免疫系統如何對入侵的外來有機體發起攻擊，我們可以得到重要啟示：局部的持續高濃度的細胞因子是激活免疫系統所需的。全身性注射，甚至是對宿主有致命毒性的濃度，也很難獲得局部所需的高濃度細胞因子。
基因治療方法大大改善了癌癥細胞因子免疫療法的應用前景
基因療法出現于90年代早期，為細胞因子注入機體治療腫瘤開辟了新的方法和機會。各種基因療法的關鍵特點是利用基因治療"載體"將治療性基因轉入局部(87-89)。這些載體包括病毒載體和通過重組DNA技術設計的非病毒載體，它們可以通過局部注射將基因運送到病灶，通常是腫瘤生長的地方(90)。腫瘤基因治療的原理是這些地方會產生局部的細胞毒性(由于細胞毒性基因)或激發對腫瘤細胞的免疫。
使用局部基因注入的方法產生免疫刺激細胞因子的直接優點是：1)能夠產生局部高濃度細胞因子，類似于人體自身對抗外來抗原的反應；2)能夠以旁分泌效應方式提供持續高水平的細胞因子來激活免疫系統。
很多不同的基因治療載體已被用于腫瘤的細胞因子治療。種類繁多的病毒及非病毒載體已用于基因治療的實驗，其中有用于鼠類的反轉錄病毒載體，人類和貓的慢病毒載體、腺病毒載體、腺伴隨病毒載體、單純皰疹病毒載體、痘苗病毒載體、雞痘病毒、塞姆利基森林病毒、裸質粒DNA病毒載體和用基因槍融合的質粒DNA載體。
由于每種載體都有其優缺點，目前對癌癥基因療法的最理想載體還沒有達成共識。然而，在上述載體中，鼠類反轉錄病毒載體、腺病毒載體、皰疹病毒載體、質粒DNA病毒載體是最常用于試驗研究的載體，因為它們比較容易操作和制備。他們亦是首批被評估用于人類臨床治療的載體。
Figure 1. (A) Systemic dissemination of adenovirus after intratumoral injection. About 3 × 108 pfu (plaque forming units) AdGFP/tumor was injected into the center of tumors through syringes with 30-gauge needles. Twenty-four hours later, the tumors and organs of injected mice were harvested, cut, and mounted in aqueous solution for fluorescence microscopy. Expression of green fluorescence protein (GFP) in tumors and organs of tumor bearing C57BL/6 mice after intratumoral injection of adenovirus constitutively encoding GFP (AdGFP) as compared to non-injected control animals (magnification 20 ×). (B) Intratumoral and systemic expression of murine interleukin 12 (mIL-12) after intratumoral vector injection. About 1 × 108 pfu of AdmIL-12 was injected into the center of tumors. Intratumoral and systemic expression of murine interleukin 12 (mIL-12) after intratumoral injection of either control adenovirus (AdGFP used as control in this experiment), adenovirus constitutively expressing mIL-12 (AdCMVIL-12) or adenovirus expressing mIL-12 controlled by a heat inducible promoter (AdhspIL-12) combined with heat treatment in subcutaneous B16.F10 melanomas. Animals were sacrificed 24 hours after heating. The results are plotted as mean ± range of two to four animals per data point (reproduced from reference 124 with permission from AACR).