Кривое зеркало жизни

В этом году сразу две Нобелевские премии — по химии и по физиологии или медицине — связаны с иммунотерапией рака. Нам хотелось дать читателям более подробное представление о том, что это такое и как оно работает. Так совпало, что в издательстве «Альпина нон-фикшн» готовится к выходу научно-популярная книга Марии Кондратовой о молекулярной биологии рака (рабочее название книги — «Кривое зеркало жизни»). В мае 2016 года мы уже публиковали статью Марии на эту тему, а сейчас с разрешения издательства выбрали фрагмент о том, как медицина может помочь иммунной системе в битве против опухолевых клеток.

Два иммунных ответа

Как на войне разумный полководец использует разные рода войск для решения общей задачи — победы над врагом, так и организм использует для своей защиты разные типы иммунных клеток (часто объединяемых общим понятием «лейкоциты»). В иммунном войске можно выделить два основных «подразделения» — клетки врожденного иммунитета (макрофаги, дендритные клетки, естественные киллеры) и клетки приобретенного иммунитета (лимфоциты).

Первые действуют быстро, но не слишком избирательно, вторые формируют более медленный, но и более эффективный ответ за счет своей способности «запоминать врага в лицо». Взаимодействуя и взаимно усиливая друг друга, они эффективно противостоят большинству опасностей, подстерегающих организм.

Главный талант иммунных клеток — их способность распознавать антигены: молекулы, сигнализирующие о присутствии в организме генетически чужеродных элементов. Основными антигенами являются белки, хотя некоторые бактериальные полисахариды и липиды также способны вызвать защитную реакцию человеческого организма.

Если сравнить иммунную систему с системой медицинской помощи, то врожденный иммунитет — это «скорая», которую вызывают при экстренных симптомах, таких как потеря сознания, высокая температура, острая боль. Задача «скорой» — оказать неотложную помощь и дать организму продержаться до того, как лечением займутся «узкие специалисты» — клетки приобретенного иммунитета.

Когда лейкоцит обнаруживает клетку, помеченную чужеродными антигенами, он, во-первых, стремится ее уничтожить самостоятельно, а во-вторых, зовет на помощь другие иммунные клетки, выпуская в окружающую среду специальные сигнальные молекулы. Эти вещества — цитокины и хемокины, подстегивающие активность иммунных клеток, — очень важны для формирования полноценного иммунного ответа.

Интенсивность иммунной реакции зависит от количества антигенов и качества их распознавания (силы связывания). Чем больше молекул распознала иммунная клетка на поверхности предполагаемого Чужого, чем крепче прилипла к ним, тем сильнее и эффективнее будет иммунный ответ.

Молекулы, которые вызывают антираковый иммунный ответ, называются опухолевыми антигенами. К ним относятся белки, мутированные в опухолях (в том числе и благодаря встраиванию в их гены онковирусов), и так называемые онкофетальные антигены — эмбриональные белки, которые начинают синтезироваться в результате «омоложения» раковых клеток. В норме эти макромолекулы производятся организмом только на ранних стадиях зародышевого развития, когда иммунитет еще неактивен, поэтому иммунной системе взрослого организма они незнакомы и воспринимаются как чужеродные.

С распознания антигена — опухолевого, вирусного, бактериального — начинается развертывание иммунного ответа. Целью его является уничтожение источника чужеродности и восстановление генетического единообразия и целостности организма.

ФАКТ: Оба типа иммунного ответа, и врожденный, и приобретенный, важны для распознавания и уничтожения раковых клеток.

Врага надо знать в лицо

Макрофаги — основные клетки врожденного иммунитета — похожи на больших вечно голодных амеб. В случае инфекционного вторжения они приходят на место поражения первыми, буквально через несколько минут, и как могут сдерживают развитие патологического процесса, поедая вирусы, бактерии и прочие подозрительные клетки до мобилизации основных защитных сил организма.

Макрофаги распознают типичные бактериальные и вирусные молекулы, например полисахариды клеточных стенок бактерий, а кроме того, реагируют на любое насильственное разрушение клеток, которое сопровождается выбросом особых «молекул ужаса» — danger signaling. Для описания механизмов распознавания во врожденном иммунитете ученые ввели поэтическое определение «образ патогенности» — суть его в том, что клетки врожденного иммунитета распознают не конкретную бактерию, а молекулы, общие для многих из них, то есть некую усредненную бактериальную инфекцию и общее разрушение клеток, не вдаваясь в детали.

В отличие от этих «сил быстрого реагирования» Т-клетки — основные рабочие лошадки системы адаптивного иммунитета — нуждаются в настройке для каждого нового патогена (вируса, бактерии, опухоли). Этот процесс требует времени, поэтому первичный иммунный ответ развивается достаточно медленно — несколько дней. Но, будучи однажды активирована против определенного врага, система адаптивного иммунитета сохраняет память о нем надолго (а подчас навсегда) и в следующий раз пресекает болезнь в зародыше. Вторичный иммунный ответ — против знакомой инфекции — развивается так быстро, что до появления симптомов заболевания дело, как правило, не доходит.

Этой особеностью адаптивной иммунной системы (медленный первичный ответ и стремительный вторичный) объясняется тот факт, что дети детсадовского и младшего школьного возраста болеют всевозможными ОРВИ гораздо чаще своих родителей. Организм родителя уже знаком с большей частью вирусов, циркулирующих в данной местности, и гасит болезнь в зародыше, в то время как тело ребенка еще только знакомится с ними и вырабатывает первичный ответ.

Именно на эффекте памяти клеток адаптивного иммунитета основан механизм действия профилактических прививок (в том числе и против опухолей, которые вызывают вирусы). Заранее обучив иммунную систему распознавать убитую или ослабленную форму микроба, мы обеспечиваем быстрый и эффективный ответ против этой инфекции в будущем.

Впрочем, «обучение» — это все-таки не самая удачная, хотя и часто встречающаяся метафора для описания активации иммунного ответа... На самом деле речь идет скорее о прицельном поиске Т-лимфоцитов, наиболее подходящих для борьбы с определенным врагом, среди миллионов его собратьев. Эдакий молекулярный кастинг, проходящий по принципу: «А ну-ка, кто тут у нас лучше всех распознает и крепче других свяжет этот антиген?!»

1. Т-клетки с помощью своих рецепторов (TCR) распознают опухолевые антигены (пептиды опухолевых белков), представленные на поверхности раковых клеток в составе MHC-комплексов. О MHC — белках главного комплекса гистосовместимости (major histocompatibility complex) в данном случае нужно знать то, что они необходимы для презентации антигена

Система распознания «свой/чужой» молекулами TCR устроена одновременно очень просто и необыкновенно расточительно. (Впрочем, над разгадкой этой «простоты» в ХХ веке сломало голову не одно поколение иммунологов.) В ходе внутриутробного развития человеческого эмбриона в специальном органе — тимусе — формируются клетки-предшественники Т-лимфоцитов — тимоциты, в которых синтезируется невероятное разнообразие вариантов субъединиц Т-клеточных рецепторов, способное распознавать все мыслимые и немыслимые варианты аминокислотных последовательностей. Дальше эти пока еще незрелые клетки проверяются организмом c точки зрения их способности распознавать (связывать) обычные белки организма (а точнее, пептиды, но об этом дальше). Те клетки-предшественники, у которых на поверхности обнаруживаются соответствующие варианты Т-клеточного рецептора, безжалостно уничтожаются. Так достигается толерантность иммунной системы к собственным белкам организма. А затем из тимоцитов, прошедших селекцию, развиваются Т-клетки, несущие огромный репертуар разнообразных рецепторов, но уже лишь к чужеродным антигенам.

Разные Т-лимфоциты несут разные наборы ТСR рецепторов, поэтому требуется время, чтобы найти среди них клетки, наилучшим образом подходящие для распознания определенного белка. Этим (в том числе) объясняется задержка адаптивного иммунного ответа по сравнению с врожденным.

Т-клетки, победившие в состязании на связывание подходящего антигена, принимаются интенсивно делиться. В результате из нескольких активных лимфоцитов образуется целая армия клонов, готовых атаковать врага. Причем, как в эпичных голливудских блокбастерах, на место бойца, павшего в неравном бою, тут же встает новый супергерой, то есть, простите, новый лимфоцит!

ФАКТ: Присутствие в опухоли большого числа активных Т-лимфоцитов — благоприятный прогностический признак, указывающий на высокую вероятность успешного излечения.

Диалектика иммунного ответа

Химики говорят: «Грязь — это вещество не на своем месте». Об этом принципе стоит помнить, размышляя о повадках злокачественной опухоли. Из описания эволюции рака может сложиться впечатление о какой-то необыкновенной изобретательности раковых клеток, позволяющей им ускользать от иммунного ответа. Но нет! Опухоль по природе своей не изобретатель, а плагиатор.

Угнетение иммунного ответа не есть что-то плохое само по себе. Напротив, иммунный ответ, вышедший из-под контроля, представляет страшную разрушительную силу. Самой опасной инфекции требуется, как правило, несколько дней на то, чтобы убить человека, в то время как крайняя форма аллергической реакции — анафилактический шок — может сделать это за считаные минуты. Своевременное угнетение — естественная часть нормального иммунного ответа, позволяющая избежать ненужного, избыточного разрушения организма. «Секрет успеха» злокачественной опухоли в том, что она использует здоровые молекулярные механизмы не по назначению. Классическим примером этого может служить перепрограммирование макрофагов в опухолевом окружении.

Говоря об иммунном ответе, мы, как правило, используем «воинственные» метафоры — «борьба», «уничтожение», «подавление». Но мало уничтожить врага, будь то вирус, бактерия или другой паразит. Организм должен еще исправить причиненные им повреждения. Регенерация поврежденных тканей и заживление ран тоже находятся под контролем клеток иммунной системы: в нашем организме она не только «воин», но и «целитель». Один и тот же тип клеток — макрофаги — может играть каждую из этих ролей, в зависимости от нужд организма. М1-макрофаги (их еще называют классически активированными макрофагами) — это «воины». Они отвечают за уничтожение чужеродных агентов, в том числе и опухолевых клеток, как напрямую, так и за счет привлечения и активации других клеток иммунной системы (например, Т-киллеров). М2-макрофаги — «целители» — ускоряют регенерацию тканей и обеспечивают заживление ран.

2. Поляризация макрофагов в опухоли. М1-макрофаги синтезируют воспалительные цитокины и атакуют опухоль. М2-макрофаги усиливают рост опухоли и сосудов. Вещества, выделяемые опухолью, способствуют перепрограммированию макрофагов из М1 в М

Экспериментально было показано, что в опухолевом окружении обычно преобладают именно М2-клетки («целители»). Более того: под действием веществ, выделяемых опухолевыми клетками, активные М1-макрофаги «перепрограммируются» в М2-тип. Они перестают синтезировать антиопухолевые цитокины, такие как интерлейкин-12 (IL12) или фактор некроза опухолей (TNF), и начинают выделять в окружающую среду молекулы, ускоряющие рост опухоли и прорастание кровеносных сосудов, которые будут обеспечивать ее питание, например фактор роста опухолей (TGFβ) и фактор роста сосудов (VЕGF). М2-макрофаги перестают активировать Т-клетки и другие клетки иммунной системы и начинают блокировать местный (противоопухолевый) иммунный ответ. То есть здесь, как и в случае других клеток опухолевого окружения, коварство рака заключается в том, что, будучи, по сути, «чужеродным агентом», он преподносит себя организму таким образом, что лейкоциты воспринимают его не как врага, которого надо уничтожить, а как незаживающую рану, требующую помощи, защиты и исцеления.

ФАКТ: В некоторых опухолях макрофаги составляют около 50% клеточного

Вернуть иммунитет в рак

Другой пример молекулярного «выключателя», который раковые клетки используют в своих интересах, — мембранные белки Т-лимфоцитов, получившие название «контрольных точек иммунитета, — immune cheсkpoints (не путать с «контрольными точками» клеточного цикла — cell-cycle cheсkpoints!)

Т-лимфоциты — главная группа клеток адаптивного (приобретенного) иммунитета позвоночных. Их «боевое подразделение» — цитотоксические Т-киллеры обеспечивают распознавание и уничтожение клеток, несущих на поверхности чужеродные антигены, в том числе и опухолевых клеток. Однако «наивные», «необученные» Т-клетки изначально неспособны распознать антиген непосредственно на поверхности опухоли. Они должны «научиться» этому с помощью специальной группы клеток врожденного иммунитета, так называемых антиген-представляющих клеток. Это дендритные клетки и макрофаги. В процессе первичного иммунного ответа они атакуют опухоль и пожирают отмершие раковые клетки, после чего начинают выставлять на своей поверхности не только собственные пептиды, но и пептиды переваренной опухолевой клетки, в том числе и опухолевый антиген (если повезет).

Чужеродный пептид на поверхности дендритной клетки (или макрофага) в составе МНС-комплекса взаимодействует с Т-клеточными рецептороми всех доступных Т-клеток, пока не найдет среди них самую подходящую — ту, у которой Т-рецептор сможет связать данный антиген наиболее эффективно.

Однако для полной активации Т-клеточного ответа наличия чужеродного антигена недостаточно. Как в банке при заключении кредитного договора на большую сумму, кроме паспорта, просят предоставить дополнительные документы для гарантии платежеспособности, так и Т-клетке требуется дополнительное подтверждение в виде специальных активирующих молекул, которые также синтезируются дендритными клетками и макрофагами.

Самые известные молекулы-коактиваторы Т-клеточного ответа — белки CD80 и CD86. Эти мембранные белки связываются с рецептором CD28 на поверхности Т-клетки, как бы склеивая две клетки между собой на время. Такая дополнительная «молекулярная сшивка» — обязательное условие активации иммунного ответа.

Но, как упоминалось выше, естественной частью иммунного ответа является его своевременное угнетение. Практически сразу после активации в Т-клетке запускаются процессы, ведущие к сдерживанию, ограничению их защитной, но одновременно и разрушительной деятельности. Активированные Т-лимфоциты начинают экспрессировать белок CTLA4 — это «близкий родственник» и одновременно конкурент рецептора CD28. CTLA4 взаимодействует с теми же молекулами-коактиваторами (CD80 и CD86), что и CD28, но делает это гораздо эффективнее, в результате коактивация Т-клеток белками CD80 и CD86 ослабляется и иммунный ответ начинает затихать.

Действуя вместе с антиген-распознающими рецепторами TCR, CD28 активирует целый ряд внутриклеточных киназ (ферментов, которые фосфорилируют другие белки). В то же время сигнал от CTLA4 приводит к активации их «молекулярных антагонистов» — фосфатаз (ферментов, которые дефосфорилируют другие белки), таким образом этот рецептор тормозит иммунный ответ не только на мембранном, но и на внутриклеточном уровне. Такой молекулярный «предохранитель» необычайно важен для ограничения развития патологически сильного иммунного ответа. Мыши, у которых ген белка CTLA4 был искуственно выключен, погибали от системной аутоиммунной реакции, буквально убивали сами себя.

Другой контрольной точкой ингибирования Т-клеточного ответа является рецептор PD1. Так же, как и CTLA4, PD1 не экспрессируется на поверхности «наивных» Т-клеток и начитает синтезироваться только после активации иммунного ответа.

Лиганды, запускающие ингибирование Т-клеточного ответа через этот рецептор, активно производятся не только раковыми клетками, но и другими иммунными клетками, присутствующими в опухоли, например макрофагами и дендритными клетками — еще один пример «перепрограммирования».

3. Антитела, блокирующие рецепторы «контрольных точек иммунитета», таких как PD1 и CTLA-4, восстанавливают противоопухолевую активность Т-клеток

Теперь ученые с большим интересом присматриваются к другим ингибирующим рецепторам, блокировка которых потенциально способна усилить антиопухолевый ответ иммунной системы. В настоящее время перспективными объектами для иммунотерапии считаются ингибирующие рецепторы естественных киллеров (KIR), а также белки LAG3, TIM3, CD276. Можно надеяться, что в ближайшие годы появятся новые препараты «точечного» действия, которые закрепят успех этого типа иммунотерапии и подарят шанс на продление жизни множеству пациентов.

Альтернативным методом активации адаптивного иммунитета в опухоли является технология СAR (Chimeric antigen receptors), когда к собственным Т-лимфоцитам пациента «пришивается» искусственный химерный белок, способный эффективно распознавать опухолевый антиген. Данная клеточная технология уже получила одобрение для лечения некоторых видов злокачественных заболеваний крови и показала высокую эффективность на поздних стадиях лейкозов и лимфом. Это очень дорогой (из-за того что клетки конструируются для каждого пациента индивидуально), но и очень перспективный метод иммунотерапии.

Нобелевскую премию 2018 года разделили американский иммунолог Джеймс Эллисон (исследовавший свойств CTLA-4 и японский иммунолог Тасуку Хондзё (первоткрыватель белка PD-1), однако многие ученые полагают что авторы технологии СAR тоже имеют шанс получить эту престижнейшую научную награду в ближайшие годы.

ФАКТ: Двумя самыми современными методами активации антиракового иммунитета являются терапия, основанная на контрольных точках иммунитета (immune check-points therapy), и технология СAR (Chimeric antigen receptors). Но пока их использование одобрено лишь для нескольких разновидностей рака.

Почему иммунотерапия рака (пока?) не всесильна

Отдавая должное успехам современной иммунотерапии, невозможно игнорировать тот факт, что пока еще рано говорить о ней как об универсальном методе лечения. Ключевая проблема заключается в том, что усилить иммунный ответ можно лишь в том случае, когда он в принципе есть. А для этого нужно, во-первых, чтобы опухоль синтезировала достаточное количество антигенов, во-вторых, чтобы эти антигены были представлены на поверхности клетки.

Однако далеко не все опухоли в принципе синтезируют опухолевые антигены — при некоторых раках мутации затрагивают лишь регуляторные участки ДНК, и перерождение связано не с изменением структуры белков, а лишь с нарушением их регуляции. Другие опухоли умеют свои антигены прятать, не позволяют им появиться на поверхности. Этого результата раковая клетка может добиться несколькими способами. Можно нарушить процесс переваривания клеточных белков (см. рис. 1). Можно повредить белки-транспортеры, отвечающие за доставку пептидов из цитозоля, где перевариваются белки, в эндоплазматический ретикулум, где собираются MHC-комплексы. Можно, наконец, нарушить экспрессию самих белков MHC или их коактиватора — белка β2-микроглобулина. В любом случае процесс нормальной презентации пептидов (и опухолевого антигена в том числе) на поверхности таких клеток будет нарушен. А поскольку Т-клетки не способны распознавать антигены иначе как в составе комплекса MHC I, такие опухолевые клетки и их антигены становятся невидимыми для Т-клеточного ответа и, как следствие, теряют чувствительность к иммунотерапии. Можно ли заставить эти опухоли-«невидимки» снова сделаться видимыми для иммунной системы — один из самых важных вопросов онкоиммунологии.

Выключение выключателей

Джеймс Эллисон (слева) и Тасуку Хондзё

В 1990-х годах джеймс эллисон в Калифорнийском университете (Беркли) изучал белок CTLA-4 — цитотоксический Т-лимфоцит-ассоциированный белок 4, также известный как CD152. Он и еще несколько ученых показали, что когда CTLA-4 взаимодействует с белками CD80 или CD86 на поверхности антигенпрезентирующей клетки, Т-клетки не активируются даже в присутствии антигена. Чтобы активация произошла, с CD80 или CD86 должен связаться Т-клеточный CD28.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 11/2018) на с. 7 — 11.