MISE AU POINT Progrès en Urologie (1998), 8, 415-421 Etat actuel des connaissances sur les mécanismes d’action du B.C.G. Jean-Jacques PATARD (1), François GUILLÉ (1), Bernard LOBEL (1), Clément Claude ABBOU (2), Dominique CHOPIN (2) (1) Service d’Urologie, Hôpital Pontchaillou, Rennes, France (2) Centre de Recherche Chirurgicale, Hôpital Henri Mondor, Créteil, France De nombreuses études ont été faites afin d’élucider les mécanismes d’action anti-tumorale du B.C.G. Elles ont concerné essentiellement : les infiltrats inflammatoires vésicaux après traitement [7, 20, 40, 56], les cytokines urinaires [5, 8, 17, 23, 49, 52] et plus récemment les mécanismes de cytotoxicité induits in vitro par le B.C.G. [9, 63, 64]. En l’état actuel des connaissances on ne peut cependant toujours pas dire si la cytotoxicité induite par le B.C.G. est une cytotoxicité spécifique dirigée contre des antigènes bactériens ou des antigènes tumoraux ou complètement aspécifique du fait d’une réponse immunitaire large. RESUME La connaisance de l’immunité anti-tumorale a permis de progresser dans la compréhension des mécanismes d’action du B.C.G. Il existe trois phases dans la réponse immunitaire au B.C.G. Tout d’abord, le B.C.G. adhère puis est phagocyté par les cellules présentatrices d’antigènes mais aussi par les cellules urothéliales. A cette phase correspond la libération précoce de cytokines dites inflammatoires (l’IL-1, l’IL-6, l’IL-8). Ces cytokines pourraient être en cause dans certains effets indésirables mais elles pourraient également participer au phénomène cytotoxique. On sait cependant qu’il existe schématiquement trois phases à la mise en action des mécanismes anti-tumoraux du B.C.G. : une phase d’adhésion et d’internalisation, une phase de présentation antigénique, et enfin une phase de cytotoxicité. La deuxième phase est la reconnaissance des antigènes bactériens par les lymphocytes CD4, qui libèrent principalement de l’IL-2 et de l’IFN-γ (réponse TH1). Cette activation cellulaire va aboutir à la troisième phase qui est l’amplification de populations cytotoxiques: CD8, Lymphocytes γδ, macrophages, NK, LAK, BAK. Toutes ces cellules larguent elles aussi des cytokines qui vont réguler la réponse. La connaissance de ces modulations rend possible la rationalisation des protocoles d’instillations, mais l’identification des éléments réellement cytotoxiques permettrait de proposer des protocoles d’immunisation plus efficaces. Le but de cet article est de faire le point sur l’état des connaissances des mécanismes d’action anti-tumoraux du B.C.G. au travers de ces trois phases et de suggérer les implications de la connaissance de ces mécanismes dans le cadre de l’immunothérapie anti-tumorale. ADHESION ET INTERNALISATION BACTERIENNE Le B.C.G. adhère aux cellules urothéliales et la fibronectine semble être le principal agent liguant du B.C.G. sur les cellules épithéliales [1, 53, 54]. Il a été démontré que l’adhésion à la fibronectine était nécessaire à l’activité anti-tumorale du B.C.G. et que l’augmentation de la liaison à la fibronectine pouvait également augmenter l’effet anti-tumoral du B.C.G. [29, 53]. Ce site est situé sur la chaîne carboxyterminale de la fibronectine [12]. Les glycosaminoglycanes pourraient également être un autre site de fixation [60]. Mots clés : Cancer de vessie, vaccin B.C.G. Progrès en Urologie (1998), 8, 415-421. Les tumeurs superficielles de vessie sont caractérisées par leur fort potentiel de récidive et de progression [41]. Cependant le terme «superficiel» englobe un spectre biologique de tumeurs très large. En effet, certaines tumeurs peuvent récidiver mais progressent rarement. Ainsi une tumeur TaG1 a un risque de progression évalué à 2% [27]. En revanche, une tumeur T1G3 a au moins 40% de risque de progresser [28] et un carcinome in situ (CIS) a de 60 à 80% de risque de progression [30]. Il a été montré que des cellules autres que les macrophages et les cellules présentatrices pouvaient présenter des antigènes aux cellules lymphocytaires T. Par exemple les cellules urothéliales activées qui expriment les molécules du complexe majeur d’histocompa- Le B.C.G. est à la fois un traitement préventif de la récidive et de la progression des tumeurs superficielles à haut risque [14] mais aussi un traitement curatif hautement efficace du carcinome in situ [30]. Manuscrit reçu : janvier 1998, accepté : mars 1998. Adresse pour correspondance : Dr. J.J. Pata rd, Service d’Urologie , Hôpital Pontchaillou, 2, rue Le Guilloux, 35000 Rennes. 415 J.J. Patard, Progrès en Urologie (1998), 8, 415-421 tibilité (CMH) de classe II peuvent présenter des antigènes mycobactériens aux cellules CD4. LATTIME a montré dans un modèle de tumeur de vessie murin que les cellules urothéliales tumorales étaient capables de présenter des antigènes du B.C.G. à des cellules T CD4 spécifiques dans le cadre d’une restriction du CMH de classe II [38]. D’ailleurs les cellules urothéliales comme les cellules présentatrices peuvent libérer des cytokines telles que l’IL-1, l’IL-6 [22, 26]. Par ailleurs l’expression des molécules d’histocompatibilité de classe I et de classe II sur les cellules urothéliales est augmentée après BCGthérapie augmentant par là même la capacité des cellules urothéliales à présenter l’antigène [48, 57]. Les antigènes mycobactériens Durant une infection mycobactérienne les macrophages apprêtent les antigènes mycobactériens et libèrent des cytokines: IL-1, IL-6, IL-8, IL-l0, IL- 12, TNF-α, IFN-α , IFN-γ . Les antigènes mycobactériens sont présentés à la surface de la cellule par les molécules du CMH de classe II aux lymphocytes CD4 qui sont alors activés. Les infections mycobactériennes induisent préférentiellement une réponse T Helper1 (TH1) : libération d’IL-2 et IFN-γ [24]. La réponse immunitaire induite par l’infection mycobactérienne concerne aussi bien les lymphocytes T αβ (CD4 ou CD8), γδ que des cellules effectrices non spécifiques telles que les cellules Natural Killer (NK) et les macrophages [32, 34, 43]. Les antigènes de Mycobactérium tuberculosis qui induisent une réponse immunitaire protectrice ne sont pas parfaitement caractérisés. Néanmoins on connaît un certain nombre d’antigènes de surfaces tels que les antigènes de 12, 14, 19, 35, 65 et 71 kilodaltons. Les antigènes sécrétés ont aussi été identifiés comme étant de 10, 19, 30, 38 et 85 kilodaltons [3]. ZLOTTA a montré que les lymphocytes sanguins des patients traités par B.C.G. proliféraient significativement plus qu’une population témoin en réponse à l’antigène 85 in-vitro [68]. Il a également été montré que les cellules urothéliales tumorales étaient capables d’internaliser le B.C.G. [4, 37]. D’autres cellules tumorales comme les sarcomes sont également capables de phagocyter le B.C.G. [19]. LA PRESENTATION ANTIGENIQUE Le concept de présentation antigénique Les antigènes exogènes sont habituellement présentés aux cellules T par les molécules de classe II du complexe majeur d’histocompatibilité alors que les antigènes endogènes sont présentés par les molécules d’histocompatibilité de classe I. Les molécules d’histocompatibilité de classe II sont exprimées uniquement par des cellules présentatrices d’antigènes spécialisées : macrophages, lymphocytes B, cellules dendritiques et cellules de Langerhans. Les molécules d’histocompatibilité de classe I sont exprimées par toutes les cellules. Les cellules présentatrices d’antigènes apprêtent et présentent les antigènes exogènes qui sont dégradés en petits fragments dans les lysosomes qui se lient ensuite aux molécules de classe II, avant de migrer à la surface de la cellule. Le complexe CMH de classe II-peptide est alors reconnu par les lymphocytes CD4 T Helper [2]. Les antigènes endogènes sont apprêtés dans le cytoplasme où ils sont clivés en peptides et transportés dans le réticulum endoplasmique avant d’être lié aux molécules d’histocompatibilité de classe I. Le complexe molécule d’histocompatibilité de classe 1 et peptide arrive à la surface de la cellule où il est reconnu par les lymphocytes T cytotoxiques CD8 [6, 10]. Le rôle des macrophages dans la présentation antigénique aux cellules CD4 est essentiel dans l’activité anti -tumorale induite par le B.C.G. En effet, THANHAUSER a montré que la déplétion du sang périphérique en cellules mononuclées aussi bien qu’en CD4 était capable d’abolir la cytotoxicité médiée par le B.C.G. [64]. Les antigènes tumoraux La description des antigènes de rejet des tumeurs (TRA) représente une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes de rejet des tumeurs. Classiquement ces antigènes de rejet des tumeurs sont présentés à la surface de la cellule tumorale par les antigènes de classe I du CMH et sont reconnus par des lymphocytes T cytotoxiques CD8 (Figure 1). Les gènes Figure 1. L’antigène de rejet tumoral (TRA) est présenté à la surface de la cellule par une molécule HLA de classe I. Ce complexe HLA et TRA est reconnu par un lymphocyte T CD8 cytotoxique spécifique (CTL). Ce CTL est capable de lyser la cellule tumorale. 416 J.J. Patard, Progrès en Urologie (1998), 8, 415-421 codant pour ces antigènes ont été caractérisés et la première famille de gènes décrite a été la famille des gènes MAGE [65]. Ces gènes ne sont pas exprimés dans les tissus normaux, ils sont exprimés très fréquemment dans le mélanome mais aussi dans certains autres types de tumeurs dont les tumeurs de vessie [44]. TH1. l’IL-2 et l’IFN-γ ont été largement mis en évidence dans les urines après B.C.G. alors que l’IL-4 ne l’a jamais été [31]. MCAVENEY a étudié sur un modèle expérimental de tumeur urothéliale murin la modulation des cytokines par le B.C.G. [42]. Il a montré que l’ARN messager des cytokines après implantation d’une tumeur de type MB49 était associée à une expression d’IFN-γ et d’IL-4. Le B.C.G. augmentait significativement l’IFN-γ et réduisait l’expression de l’IL-4, si bien que le phénotype dominant correspondant à la réponse antitumorale médiée par le B.C.G. était de phénotype TH1. L’IL-10 a cependant été détectée dans les tissus et les urines de patients traités par B.C.G. [31, 39]. Compte tenu de ce que l’on connaît du rôle du phénotype TH1 dans la réponse cellulaire il serait maintenant intéressant de savoir si l’apparition d’un profil TH2 urinaire après BCGthérapie serait lié à une mauvaise réponse au traitement [58]. Le traitement par B.C.G. augmente l’expression des molécules de classe I et de classe II sur les cellules urothéliales [48, 57]. La surexpression des molécules de classe I sur les cellules urothéliales peut suggérer la reconnaissance spécifique des antigènes tumoraux à la surface de la cellule par des cellules CD8. Ceci est étayé par certains travaux qui ont montré que l’expression des molécules de classe I était corrélée à la réponse au B.C.G. [59] et qu’en immuno-histochimie et en fluorocytométrie les cellules type CD8 étaient largement présentes dans la vessie après BCGthérapie. Néanmoins aucun argument définitif expérimental n’existe à l’heure actuelle pour penser que le B.C.G. induit une reconnaissance spécifique d’antigènes tumoraux. Une manière élégante de faire la synthése des deux théories (antigène bactérien et antigène tumoral) serait d’admettre comme le suggère Z LOTTA qu’il existe des antigènes croisés entre le B.C.G. et les tumeurs vésicales [69]. Les lymphocytes T CD8 On a vu que l’expression des antigènes de classe II et le recrutement des lymphocytes CD4 étaient activés par le B.C.G. mais il a également été montré que les lymphocytes T CD8 spécifiques pouvaient reconnaître des antigènes mycobactériens. Ces lymphocytes T cytotoxiques (CTL) étaient capables de lyser des cellules infectées par la mycobactérie et produisaient de l’IFN-γ [34). On sait qu’à l’état basal le phénotype de type CD8 est prédominant dans la vessie normale et que le traitement par le B.C.G. renverse le rapport en rendant le phénotype CD4 prédominant [20]. Là encore ces lymphocytes CD8 présents dans la vessie après BCGthérapie n’ont pas été parfaitement caractérisés et on n’est pas actuellement en mesure de dire s’ils reconnaissent des antigènes bactériens plutôt que des antigènes tumoraux. CYTOTOXICITE ANTI-TUMORALE Les cellules cytotoxiques Les différentes cellules pouvant avoir un effet cytotoxique sur les cellules tumorales après activation par le B.C.G. sont les lymphocytes T αβ, γδ, les cellules NK, Lymphokine activated Killer (LAK), B.C.G. activated Killer (BAK), et enfin les macrophages. La preuve que la réponse anti-tumorale du B.C.G. est médiée par une réponse T a été fournie par une expérimentation de RATLIFF qui a démontré que la souris athymique n’était pas capable d’éliminer une tumeur après traitement par B.C.G. et que la déplétion en cellule CD4 ou en cellule CD8 chez la souris supprimait également l’effet antitumoral du B.C.G. [52, 55]. Par ailleurs de nombreux auteurs ont démontré que les lymphocytes CD4 et CD8 étaient présents dans la paroi vésicale après B.C.G. et que le phénotype de type CD4 était prédominant [7, 20, 40, 47]. Les lymphocytes T γδ Les lymphocytes T γδ sont également des lymphocytes cytotoxiques. Ils n’expriment pas habituellement le phénotype CD4 ni le phénotype CD8 et leur reconnaissance de l’antigène n’est pas restreinte par le système d’histocompatibilité. Les lymphocytes T γδ peuvent reconnaître les antigènes mycobactériens, des protéines virales et notamment des «heat-shock» protéines et des super antigènes [25, 32]. Les lymphocytes T γδ produisent des cytokines comme l’IL-2, l’IL-4 et l’IFN-γ. Nous avons étudié en immunohistochimie la cinétique des lymphocytes T γδ avant et à différents moments après traitement par le B.C.G.. L’expression des lymphocytes T γδ était très augmentée trois semaines après le traitement et était maximale à trois mois [57]. WANG a bien montré que les lymphocytes T γδ provenant d’individus sains, activés par mycobactérie in vitro, étaient capable de lyser des tumeurs de vessie, des lignées tumorales vésicales sans restriction CMH [67]. Les lymphocytes de type CD4 Les lymphocytes de type CD4 di t lymphocytes «T Helper» sont composés de deux sous groupes : les lymphocytes TH1 et TH2. Cette distinction repose sur le profil de libération des cytokines. En effet, les lymphocytes de type TH1 libèrent de l’IL-2, du TNF-β, de l’IFN-γ et sont principalement recrutés dans la réponse cellulaire. La réponse TH2 est faite d’une production d’IL-4, d’IL-5 et d’IL-10 et oriente vers une réponse de type humorale. Elle peut par ailleurs inhiber la réponse 417 J.J. Patard, Progrès en Urologie (1998), 8, 415-421 Les cellules NK, LAK, BAK Tableau 1. Cytokines produites par les différentes cellules intervenant dans la réponse immunitaire au BCG endovési cal. Trois groupes de lymphocytes cytotoxiques peuvent être impliqués dans l’immunité anti-tumorale induite par le B.C.G. et ce de manière non spécifique : les cellules NK, LAK et BAK. Les cellules NK représentent un groupe particulier de lymphocytes qui sont distincts des lymphocytes T, B et des cellules lymphocytaires. Les cellules NK n’expriment pas l’antigène CD3 ou les chaînes α, β, γ ou δ du récepteur T. Leur phénotype est habi tuellement CD3-, CD2+/-, CD8+/-, CD16+/-, CD56+. Les cellules NK constituent le principal précurseur des cellules LAK. Les cellules NK et les cellules LAK sont capables de lyser les cellules tumorales vésicales après stimulation par B.C.G. in vitro [35]. BÖHLE a testé la capacité des lymphocytes périphériques à lyser des lignées tumorales vésicales dans différentes conditions expérimentales. Le B.C.G. seul, les cytokines, les lymphocytes périphériques non stimulés étaient incapables de tuer les cellules tumorales alors que les LAK et les lymphocytes incubés avec le B.C.G. vivant exercaient une lyse significative de certaines lignées tumorales vésicales [9]. Cependant les expérimentations ont été conduites in-vitro et on ne connaît pas réellement le rôle des cellules NK et LAK contre les tumeurs de vessie in vivo. Par étude immunohistochimique des biopsies de la paroi vésicale nous avons observé peu de cellules NK trois semaines après traitement [57]. Cellules Cytokines Macrophages IL-1, IL-1ra, IL-6, IL-8, IL-10, IL 12, TNF-α, IFN-α, IFN-γ Cellules urothéliales normales Cellules tumorales IL-6 IL-1, IL-6, IL-10, TNF-α Lymphocytes T CD4 Th1 Lymphocytes T CD4 Th2 Lymphocytes T CD8 IL-2, IFN-γ IL-4, IL-5, IL-10 IL2, IFN-γ Lymphocytes T γδ IL-2, IL-4, IFN-γ Les cellules urothéliales tumorales peuvent produire de l’IL-1, de l’IL-6, de l’IL-10 et du TNF-α [18, 22, 21, 39]. JACKSON a étudié la cinétique de certaines cytokines après traitement par le B.C.G. [31]. L’IL-1, l’IL-6, IL-8, IL-10 sont détectées tôt dès la première instillation après BCGthérapie. Les autres cytokines comme l’IL-2, le TNF-α et l’IFN-γ sont détectés plus tard à partir de la troisième instillation. Nous avons ainsi mis en évidence que l’IFN-g urinaire après BCGthérapie était maximum 4 à 6 heures après la 5 ème ou 6 ème instillation [45]. On peut donc penser que les macrophages et les cellules urothéliales sont responsables de la production initiale de cytokines de type inflammatoire; ces cytokines pourraient d’ailleurs être responsables des effets indésirables précoces du B.C.G. [61]. Cependant leur rôle antitumoral n’est pas exclu car leur production, notamment pour l’IL8, pourrait être corrélée à la réponse [16, 62]. Les cytokines telles que l’IL-2 et l’IFN-γ seraient produites par les lymphocytes T activés. L’IL-4 n’est pas retrouvé dans les urines après BCGthérapie ce qui confirme le recrutement préférentiel de cellules TH1 [31]. Il semble maintenant établi que le profil de réponse immunitaire favorable au B.C.G. est le phénotype TH1 [42, 58]. Ainsi nous avons pu montrer que les patients qui produisaient plus de 20 pg/ml d’IL-2 ou 100 pg/ml d’IFN-γ dans les urines à la cinquième instillation récidivaient significativement moins que les autres patients [46]. Ceci est une preuve supplémentaire quoique indirecte de l’importance de la réponse T dans l’activité antitumorale du B.C.G. La Figure 2 résume l’ensemble des cellules intervenant dans la réponse immunitaire au B.C.G. et la modulation excercée par les cytokines. Les macrophages Le rôle des macrophages dans la cytotoxicité induite par le B.C.G. est suggéré mais non prouvé [21]. Plusieurs études ont montré l’activité cytotoxique des monocytes et des macrophages contre les tumeurs de vessie après stimulation in-vitro par le B.C.G. [13, 36, 50]. Par ailleurs la libération de NO-synthétase par les macrophages a également été documentée après traitement par le B.C.G. [33]. Les cytokines Les cellules immunocompétentes communiquent entre elles par des cytokines qui ont des fonctions de croissance, d’immunomodulation et également un rôle cytotoxique. De nombreux travaux ont montré que les cytokines étaient présentes dans les urines des patients traités par le B.C.G. [5, 8, 15, 23, 31, 49, 51]. Cependant l’origine de ces cytokines est multiple (Tableau 1). Les macrophages peuvent libérer de l’IL-1, IL-6, IL-8, IL10, IL-12, TNF-α, IFN-α, IFN-γ [11]. Les cellules TH1 libèrent classiquement de l’IL-2 et de l’IFN-γ et les cellule TH2 libèrent de l’IL-4, de l’IL-5 et de l’IL-10. Les lymphocytes T CD8 produisent de l’IL-2 et de l’IFN-γ, les cellules T γδ produisent de l’IL-2, de l’IL4 et de l’IFN-γ. Les cellules NK et LAK peuvent également produire du TNF-α et de l’ IFN-γ. Les cellules urothéliales normales peuvent produire de l’IL-6 [66]. CONCLUSION Si les différentes étapes de la réponse immunitaire antitumorale générée par le B.C.G. semblent maintenant bien connues, il reste encore à établir le rôle précis des médiateurs qui permettent les communications entre ces différentes étapes (cytokines). En effet on a pu éta- 418 J.J. Patard, Progrès en Urologie (1998), 8, 415-421 4. BECICH M.J., CARROL S., RATLIFF T.L. Internalisation of bacillus Calmette-guerin by bladder tumor cells. J. Urol., 1991, 145, 1316-1324. 5. BETTEX-GALLAND M ., STUDER U.E. , WALZ A., DEWALD B., BAGGIOLINI M. Neutrop hil-activ ating peptide-1/interleuk in-8 detection in h uman urin e du ring acute bladder inflammation caus ed by transureth ral resection of su perficial cancer an d b acillus Calmette-Guerin admin istration. Eur. Urol.,1991 , 19 , 171-175. 6. BJORKMAN P.J., PARHAM P. Structure, function and diversity of class I major histocompatibility complex molecules. Annu. Rev. 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Urol., 1990, 144, 59-64. blir que deux groupes principaux de cytokines étaient générés dans les tissus et les urines : des cytokines inflammatoires et des cytokines témoignant de l’activation lymphocytaire T. De nouvelles expériences sont nécessaires afin de déterminer si ces cytokines interviennent directement dans la lyse ou si elles ne sont que des messagers entre les differentes cellules immunocompétentes. Par ailleurs, au sein des cytokines correspondant à une activation T, le profil TH1 (IL-2, IFN-γ) est corrélé à une réponse antitumorale efficace. Cette donnée mérite d’être mieux explorée afin d’améliorer et de rationaliser les protocoles d’instillations endovésicales. 9. BÖHLE A., THANHAUSER A., ULMER A.J., ERNST M., FLAD H.D., JOCHAM D. Dissecting the immunobiological effects of Bacillus Calmette-Guerin (B.C.G.) in vitro: evidence of a distinct B.C.G.-activated killer (BAK) cell phenomenon. J. Urol., 1993, 150, 1932-1937. 10. BUUS S., SETTE A., COLON S., MILES C., GREY H.M. 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La connaissance des cellules réellement cytotoxiques induites par le B.C.G. pourrait conduire à des protocoles de traitement plus rationnels et plus spécifiques d’une population tumorale donnée. 13. CONTI P., REALE M., NICOLAI M., BARBACANE R.C., PLACIDO F.C., IANTORNO R., TENAGLIA R. Bacillus CalmetteGuerin potentiates monocyte responses to lipopolysaccharide-induced tumor necrosis factor and interleukin-1, but not interleukin-6 in bladder cancer patients. Cancer. Immunol. Immunother., 1994, 38, 365-371. 14. COOKSON M.S., HERR H.W., ZHANG Z.F., SOLOWAY S., SOGANI P.C., FAIR W.R. The treated natural history of high risk superficial bladder cancer: 15 year outcome. J. Urol., 1997, 158, 6267. 1. ABOU-ZEID C., RATLIFF T.L., WIKER H.G., HARBOE M., BENNEDSEN J., ROOK G.A.W. Characterization of fibronectinbinding antigens released by Mycobacterium tuberculosis and mycobacterium bovis B.C.G.. Infect. Immun., 1988, 56, 3046-3051. 15. 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This cell activation leads to the third phase, which consists of amplification of cytotoxic populations : CD8, γδ lym phocytes, macrophages, NK, LAK, BAK. All these cells also relea se cytokines which then regulate the response. The identification of these modulations allows rationalization of BCG instillation protocols, but identification of the truly cytotoxic elements would allow the proposal of more effective immunization protocols. 58. SAINT F., PATARD J.J., HOZNEK A., MAILLE P., ABBOU C.C., CHOPIN D. Impact d’ une deuxième cure de B.C.G. sur le profil de réponse immunitaire des patients ayant récidivé après un premier traitement par B.C.G. endovésical. Prog. Urol., 1997, 7, 69A. 59. SANDERS H., McCUE P., GRAHAM S.D. JR. ABO(H) antigens and beta-2 microglobulin in transitional cell carcinoma. Predictors of response to intravesical bacillus Calmette-Guerin. Cancer, 1991, 67, 3024-3028. 60. SCHAMHART D.H., DE BOER E.C., BEVERS R.F., KURTH K.H., STEERENBERG.P.A. 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