Точечное воздействие в иммунотерапии рака

Мария Кондратова,
кандидат биологических наук,
Институт Кюри (Institut Curie) Париж (Франция)
«Природа» №3, 2016

Мы привыкли думать об иммунной системе как о мощном и безопасном оружии организма против внешних (инфекции) и внутренних (опухоли) врагов и зачастую не задумываемся, что эти качества в некотором роде взаимоисключающие. Лишь относительно редкие примеры системных аутоиммунных заболеваний напоминают о том, какой страшной разрушительной силой для организма может обладать иммунитет, выйдя из-под контроля.

Сочетание силы и точности достигается за счет сложной, многоуровневой системы регуляции иммунного ответа. В ее основе лежит несколько простых принципов, два из которых особенно важны в контексте данной статьи. Первый — принцип перестраховки: для активации адаптивного иммунного ответа требуется более одного сигнала (подобно тому как самые надежные сейфы закрываются двумя и более ключами). Это позволяет минимизировать риск случайных ошибок в системе. Второй — принцип баланса между активацией и угнетением иммунных реакций, при этом угнетение уже встроено в активацию и служит предохранителем, который должен сработать спустя определенное время.

Сигнальные молекулы, активирующие или ингибирующие клетки иммунной системы, можно разделить на растворимые и мембраносвязанные. Последние передают соответствующий сигнал только при прямом контакте двух клеток. Белки, принимающие в этом участие, названы контрольными точками иммунитета (immune checkpoints) [1, 2]. Как работают эти белки и для чего они нужны, можно проиллюстрировать на примере активации Т-клеточного ответа.

Т-лимфоциты — одна из главных групп клеток адаптивного (приобретенного) иммунитета позвоночных. Цитотоксические Т-лимфоциты (Т-киллеры) обеспечивают распознавание и уничтожение клеток (в том числе и опухолевых), несущих на поверхности чужеродные антигены. Присутствие в опухоли большого числа активных клеток этого типа — благоприятный признак, однако наивные (еще не встречавшиеся с антигеном) Т-клетки изначально не способны распознать антиген непосредственно на поверхности опухолевой или бактериальной клетки. Прежде они должны научиться этому с помощью специальной группы клеток врожденного иммунитета — так называемых антигенпредставляющих клеток (Antigen-Presenting Cell, APC). Эту функцию в организме выполняют дендритные клетки, макрофаги и В-лимфоциты.

APC разными способами поглощают, а затем и расщепляют опухолевые белки (антигены) на небольшие пептидные фрагменты, которые связываются с белками главного комплекса тканевой совместимости (Major Histocompatibility Complex, MHC) и уже в таком «адаптированном» виде предъявляются Т-клеткам. Только антигенный пептид, связанный с комплексом MHC, может активировать Т-клетку. Это условие необходимое (первый ключ от сейфа), но не достаточное.

Регуляция активности Т-клеток при взаимодействии с антигенпредставляющими клетками (APC) [3]

На поверхности APC присутствуют также специальные дополнительные молекулы-активаторы — белки CD80 и CD86. Они служат лигандами расположенной на поверхности Т-клетки молекулы CD28 — дополнительного стимулятора Т-клеточного ответа (второй ключ, или вторая контрольная точка активации). В отсутствие этого дополнительного сигнала Т-клетка не только не активируется, но и становится толерантной к антигену, представленному на поверхности APC. Таким образом, без дополнительных активаторов адаптивный ответ не активируется, а угнетается (рис. 1) [3].

Так протекает процесс активации Т-клеточного ответа. Одновременно, практически сразу, в Т-клетке запускаются процессы, ведущие к сдерживанию, ограничению, их защитной, но потенциально разрушительной деятельности. Вскоре после активации Т-лимфоциты начинают синтезировать белок-рецептор CTLA-4 (Cytotoxic T-Lymphocyte-Associated protein 4), который служит одной из важнейших контрольных точек ингибирования Т-клеточного ответа. CTLA-4 связывает те же лиганды CD80 и CD86, что и CD28, но делает это гораздо эффективнее. Эти два рецептора начинают конкурировать за лиганды, и активация Т-клеток ослабляется.

Действуя вместе с основным антигенраспознающим рецептором (T-Cell Receptor, TCR), CD28 активирует целый ряд внутриклеточных киназ — ферментов, фосфорилирующих другие белки. Сигнал от CTLA-4, напротив, приводит к активации фосфатаз — ферментов, которые дефосфорилируют другие белки. Таким образом, регуляция иммунного ответа происходит не только на мембранном, но и на внутриклеточном уровне [2]. Этот молекулярный «предохранитель» необычайно важен для ограничения развития аутоиммунных заболеваний. Мыши, у которых ген белка CTLA-4 был искусственно выключен, погибали от системной аутоиммунной реакции [4].

Другая хорошо изученная точка ингибирования Т-клеточного ответа — рецептор PD-1. Он активируется несколькими разновидностями мембраносвязанных лигандов. Рецепторов PD-1, как и CTLA-4, на поверхности наивных Т-клеток нет, они начитают синтезироваться только после активации иммунного ответа. Ингибирование, зависящее от PD-1, также включает активацию внутриклеточных фосфатаз, но развивается медленнее, чем с участием CTLA-4. Интересно, что синтез лигандов для рецептора PD-1 во многих клетках регулируется интерфероном γ — одним из ключевых цитокинов, активирующих иммунный ответ [2, 5]. Таким образом, и здесь мы видим встроенный «предохранитель» — связь между активацией и ингибированием (рис. 2).

Регуляция синтеза PD-L1 (лигандов рецептора PD-1) в иммунных клетках и опухоли [2]. STATs — белки, определяющие реакцию иммунной системы

В здоровом организме между активацией и ингибированием иммунного ответа существует баланс, позволяющий, с одной стороны, успешно бороться с патогенами, а с другой — избегать излишних повреждений. Нарушение этого баланса в опухоли считается одной из ключевых причин злокачественного перерождения. Селекция, проходящая в опухоли, ведет к отбору раковых клеток, способных угнетать иммунный ответ. Раковые клетки используют множество разнообразных стратегий для обмана врожденного и приобретенного иммунитета. Одна из них — индукция экспрессии генов, кодирующих синтез лигандов для ингибирующих рецепторов на поверхности раковых клеток, что приводит к угнетению Т-клеточного ответа в опухоли.

Этот механизм иммунологической супрессии в злокачественных перерождениях был детально изучен для системы PD-1. Выяснилось, что во многих опухолях лиганды, запускающие ингибирование Т-клеточного ответа через этот рецептор, активно синтезируются не только раковыми, но и другими присутствующими в опухоли клетками (например, макрофагами и дендритными клетками) [5, 6]. Это может служить классическим примером «перепрограммирования», когда клетки опухолевого окружения, в том числе те, которые должны бороться со злокачественным перерождением, вместо этого начинают работать на опухоль.

Изучение механизмов избегания иммунного ответа опухолями привело к идее создания лекарств, регулирующих работу контрольных точек ингибирования в Т-клетках. Если активация CTLA-4 и PD-1 их лигандами препятствует развитию Т-клеточного ответа, то блокирование этих рецепторов с помощью специфических антител может привести к восстановлению нормального ответа иммунных клеток и усилению их противоопухолевой активности. Первые статьи на эту тему появились еще в конце 1990-х годов, но путь от научной идеи до появления нового лекарства (ингибитора ингибиторов) оказался неблизким. Только в 2011 г. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Food and Drug Administration, USA) разрешило выпустить на рынок первый лекарственный препарат этой группы, содержащий моноклональные антитела к CTLA-4 — Ipilimumab, а в 2014 г. одобрение получил второй препарат с моноклональными антителами к PD-1 — Nivolumab. Теперь, когда почин положен, можно надеяться на стремительное развитие фармакологии в этом направлении.

В настоящее время оба препарата одобрены для лечения меланомы, причем каждый из них оказался высокоэффективен в терапии метастатической меланомы, а их совместное использование значительно усиливает фармакологический эффект [7]. Сейчас ведутся клинические испытания возможности применения этих лекарств и для лечения рака простаты, легких и почек. Однако в бочке оптимистических новостей о перспективах нового метода лечения присутствуют две ложки дегтя. Первая — это фантастически высокая стоимость: на курс лечения при использовании обоих препаратов требуется несколько сотен тысяч долларов. Но эта проблема представляется преодолимой, хотя, конечно, сама технология производства моноклональных антител подразумевает, что такого рода терапия никогда не будет совсем уж дешевой. Вторая проблема заключается в том, что иммунотерапия показывает хорошие результаты только при так называемых иммуногенных опухолях, которые синтезируют специфические опухолевые антигены. Иммунная система такие новообразования «видит», но не может им противостоять, поскольку «оглушена» супрессорными сигналами. Как только мы убираем ингибирующие сигналы, Т-лимфоциты начинают уничтожать раковые клетки. К сожалению, значительная часть злокачественных перерождений обладает очень низкой иммуногенностью и не распознается защитными системами организма. В таких случаях иммунотерапия не оказывает значительного эффекта.

Однако эти оговорки не отменяют действительно большого успеха нового класса иммунологических препаратов. Теперь ученые с большим интересом присматриваются к другим ингибирующим рецепторам, блокировка которых способна усилить противоопухолевый ответ иммунной системы. В настоящее время перспективными мишенями для иммунотерапии считаются ингибирующие рецепторы естественных киллеров (Killer cell Immunoglobulin-like Receptors, KIR), а также белки LAG3, TIM3 и CD276. Можно надеяться, что в ближайшие годы появятся новые препараты «точечного» действия, которые закрепят успех этого подхода и подарят шанс на продление жизни множеству пациентов [2].

В нашем институте сразу несколько экспериментальных групп изучают поведение иммунной системы при раке и механизмы ее активации, в том числе и с помощью активации / ингибирования «контрольных точек» иммунного ответа. В лаборатории вычислительной системной биологии рака, где я работаю, строится модель иммунного ответа, которая базируется на экспериментальных данных. Это позволит предсказать новые перспективные точки воздействия на иммунитет. Мы полагаем, что общими усилиями сможем развить и закрепить успехи, достигнутые нашими коллегами, и предложить новые подходы к иммунотерапии рака.

Литература
1. Pardoll D. M. The blockade of immune checkpoints in cancer immunotherapy // Nat. Rev. Cancer. 2012. V. 12. P. 252–264. DOI: 10.1038/nrc3239.
2. Topalian S. L., Drake C. G., Pardoll D. M. Immune checkpoint blockade: a common denominator approach to cancer therapy // Cancer Cell. 2015. V. 27. P. 450–461. DOI: 10.1016/j.ccell.2015.03.001.
3. Alegre M. L., Frauwirth K. A., Thompson C. B. T-cell regulation by CD28 and CTLA-4 // Nat. Rev. Immunol. 2001. V. 1. P. 220–228. DOI: 10.1038/35105024.
4. Tivol E. A., Borriello F., Schweitzer A. N. et al. Loss of CTLA-4 leads to massive lymphoproliferation and fatal multiorgan tissue destruction, revealing a critical negative regulatory role of CTLA-4 // Immunity. 1995. V. 3. P. 541–547. DOI: 10.1016/1074-7613(95)90125-6.
5. Keir M. E., Butte M. J., Freeman G. J. et al. PD-1 and its ligands in tolerance and immunity // Annu. Rev. Immunol. 2008. V. 26. P. 677–704. DOI: 10.1146/annurev.immunol.26.021607.090331.
6. Taube J. M., Klein A., Brahmer J. R. et al. Association of PD-1, PD-1 ligands, and other features of the tumor immune microenvironment with response to anti-PD-1 therapy // Clin. Cancer Res. 2014. V. 20. P. 5064–5074. DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-13-3271.
7. Kroemer G., Galluzzi L. Combinatorial immunotherapy with checkpoint blockers solves the problem of metastatic melanoma — An exclamation sign with a question mark // Oncoimmunology. 2015. V. 4. № 7. e1058037. DOI: 10.1080/2162402X.2015.1058037.