Une autre catégorie, les «lymphocytes tueurs», se multiplie pour éliminer directement les cellules tumorales ou les cellules normales infectées par un virus; ils ne s'attaquent pas aux cellules normales. Ces différentes réactions sont complexes et nécessitent la participation de plusieurs types de cellules du système immunitaire et leur intercommunication. Celle-ci s'effectue grâce aux cytokines, substances de nature protéique, qui véhiculent les messages. Certaines sont appelées «interleukines», telle l'interleukine 2 qui transforme les lymphocytes T inactifs en agents éliminateurs.

Grâce aux travaux de G. Klein menés en 1965 et 1966, la tumeur de Burkitt fut à l'origine de la première démonstration, dans un cancer humain, des réactions immunologiques qui, dans ce cas, s'exercent contre le virus d'Epstein-Barr. Le sang des malades contient des anticorps dirigés contre des antigènes présents à la surface des cellules tumorales et d'autres dirigés contre des antigènes du virus. Une réactivité des lymphocytes des malades vis-à-vis de cellules infectées a été également décelée.

Les mélanomes sont des cancers des cellules pigmentaires de la peau, qui synthétisent de la mélanine. Il existe, dans le sang de tous les sujets atteints par cette maladie, des anticorps dirigés contre une substance présente dans le cytoplasme des cellules de la tumeur et commune à tous les mélanomes. De plus, certains malades fabriquent des anticorps réagissant contre la membrane de leur cellule tumorale. Enfin, il a été montré in vitro que les tumeurs contiennent elles-mêmes des lymphocytes tueurs capables d'éliminer des cellules tumorales.

Malgré l'existence des antigènes associés aux tumeurs et des réactions immunes antitumorales, les cancers se développent. Trois types d'explications peuvent être apportés: les tumeurs sont peu antigéniques, c'est-à-dire que les antigènes de tumeurs sont très peu différents de ceux qui sont présents sur les cellules normales; les cellules tumorales sont dans des zones difficiles d'accès pour les cellules tueuses et les anticorps produits par le système immunitaire; ou encore, le cancer provoque un affaiblissement du système immunitaire, ou immunodépression.