Противоопухолевые вакцины на основе дендритных клеток
Ирина Балдуева, доктор медицинских наук,
Татьяна Нехаева, кандидат медицинских наук,
Алексей Новик, кандидат медицинских наук,
Анна Данилова, кандидат биологических наук,
Нино Пипиа,
Александр Щербаков, доктор медицинских наук,
Алексей Беляев, доктор медицинских наук,
НМИЦ онкологии им. Н. Н. Петрова МЗ РФ (Санкт-Петербург, Россия)
«Природа» №6, 2018
Полтора столетия назад немецкий гистолог П. Лангерганс (P. Langerhans), будучи студентом, изучал иннервацию кожи и обнаружил необычные клетки, которые из-за длинных отростков ошибочно принял за нервные. Их связь с иммунной системой выяснилась спустя 105 лет, в 1973 г., когда американский иммунолог Р. Штайнман (R. Steinman) нашел в лимфоидных органах мышей этот тип клеток, назвав их дендритными (ДК). Впоследствии оказалось, что они относятся к «профессиональным» антигенпредставляющим клеткам. Это означает, что ДК активируются при встрече с потенциально опасными для организма антигенами (включая опухолевые), захватывают их путем фагоцитоза, перемещаются в лимфатические узлы, при этом расщепляют антиген на пептиды, которые связываются с молекулами главного комплекса гистосовместимости HLA (от англ. Human Leukocyte Antigen), расположенными на клеточной мембране ДК, и представляют их другим клеткам иммунной системы (Т- и В-лимфоцитам)*. Стало ясно, что ДК — природные усилители иммунного ответа (естественных адъювантов) — играют важную роль в поддержании врожденных и приобретенных иммунных реакций, взаимодействуют с различными лимфоидными и миелоидными клетками в физиологических и патофизиологических условиях.
В 1990-е годы, когда ДК, полученные из различных тканей человека и экспериментальных животных, научились выращивать в больших количествах в лабораторных условиях, появилась возможность изучать эти клетки на моделях [1]. В результате было описано несколько подтипов ДК с уникальными и специфическими функциями, морфологией и локализацией [2–5]. Особый интерес представляют те из них, которые участвуют в иммунных реакциях, направленных на разрушение опухолевых клеток, определяют интенсивность таких реакций и отвечают за формирование опухолевого микроокружения (рис. 1) [6, 7]. Такими свойствами обладают миелоидные ДК, которые происходят из костномозговых гемопоэтических клеток-предшественников, при этом их можно получить из моноцитов периферической крови в специальных лабораторных условиях.
Для клинического применения могут быть пригодны различные типы миелоидных ДК: выделенные из периферической крови, дифференцированные ex vivo (вне организма) из костномозговых предшественников, полученные из моноцитов периферической крови, а также зрелые и незрелые ДК [8]. Под типом подразумевается стадия созревания гемопоэтической клетки за пределами костного мозга, в которой важная роль отводится типу антигенной стимуляции. Она связана с синтезом внутриклеточных и поверхностных молекул для передачи их сигналов лимфоцитам, во многом зависит от микроокружения и может быть заблокирована или поляризована факторами, приводящими к образованию семейства дендритных клеток с толерантной и/или иммуносупрессивной (подавляющей) функцией [9].
Незрелые и полузрелые (фенотипически или функционально) ДК встречаются в нелимфоидных органах и тканях, но способны мигрировать в лимфатические узлы [10]. Однако незрелые клетки содержат низкий уровень молекул HLA I класса и ко-стимулирующих молекул CD80 и CD86 (CD — от англ. Cluster of Differentiation) и не могут эффективно активировать Т-лимфоциты. Так, введение незрелых ДК периферической крови в лимфатические узлы вызывало у пациентов с опухолью слабый антиген-специфический иммунный ответ, а у здоровых добровольцев подавляло активность цитотоксических Т-лимфоцитов CD8+, действие которых направлено на вирусные пептиды, и стимулировало образование пептид-специфических Т-клеток, продуцирующих иммуносупрессирующий интерлейкин-10 или аутореактивные Т-клетки. В противоположность этому зрелые ДК вызывают образование CD8+ Т-лимфоцитов и способствуют продукции γ-интерферона CD4+ Т-клетками [11].
Таким образом, степень зрелости — ключевая характеристика ДК при использовании их для вакцинотерапии. В связи с этим важно выявить факторы, способствующие созреванию различных субпопуляций ДК. В настоящее время такие факторы исследуются в контексте изучения лигандов к Toll-подобным рецепторам, принимающим участие в мимикрии «природного» патоген-индуцированного пути созревания ДК. Этот подход одновременно с Т-клеточными сигналами, передаваемыми через CD40-рецептор, может оказаться оптимальным для индукции созревания ДК.
Кроме созревания необходимо исследовать пути миграции активированных ДК из места их введения в качестве вакцинного препарата. Например, важной характеристикой эффективности дендритноклеточной вакцины может оказаться экспрессия CCR7-рецептора на созревающих ДК и их способность отвечать на взаимодействие с соответствующими лигандами (CCL19 и CCL21). В результате рецепторный аппарат, обеспечивающий миграцию клеток, меняется на новый спектр мембранных молекул, способных реализовать их проникновение в лимфатические узлы [12].
По данным одного из авторов этой статьи (Т. Л. Нехаевой), созревание ДК характеризуется высокой экспрессией маркера дифференцировки CD83 и утратой CD1a антигена, а также статистически достоверным усилением выработки костимулирующих молекул CD80 [13]. Высокий уровень синтеза молекул хемокинового рецептора CCR7, обеспечивающего миграцию созревающих ДК в лимфатические узлы, и белков, участвующих в презентации антигена HLA-DR на седьмой и девятый дни культивирования, говорит о зрелости ДК и оптимальной функциональной активности. Этому свидетельствует повышение продукции ко-стимулирующих молекул CD80, CD86, молекул адгезии CD209, а также антигена CD83, характерного для терминальной степени созревания ДК (рис. 2).
Рис. 2. Микрофотографии зрелых вакцинных дендритных клеток, нагруженных высокоиммуногенными опухолевыми антигенами, сделанные с помощью светового микроскопа Carl Zeiss (а–е) и клеточного анализатора Yokogawa (ж, з; увел. ×400). Иммунофенотипы: а — CD1a, б, ж — CD11c, в — HLA-DR, г — CD80, д — CD83, е, з — CD86
Недавно установлено, что качество иммунного ответа также зависит от способа введения дендритноклеточной вакцины [14]. Хотя нагруженные антигеном ДК могут активировать Т-лимфоциты непосредственно в местах их введения, необходимо принимать во внимание, что при внутрикожном и внутрилимфатическом введении происходит индукция Т-хелперов 1-го типа, при внутривенном — Т-хелперов 2-го типа. Эти активированные эффекторные клетки — продуценты антител — мигрируют из места введения вакцины в рядом расположенные скопления лимфоидной ткани, лимфатические узлы, и запускают тканеспецифический иммунитет. Внутривенное введение дендритноклеточной вакцины, например, при меланоме кожи, исключает индукцию и миграцию эффекторных клеток кожи, тем самым обедняя противоопухолевый иммунный ответ. Кроме того, при внутривенном введении ДК оседают в легочной ткани, печени, селезенке и не определяются в опухоли и лимфатических узлах.
В прошлом году вышла статья наших немецких коллег, которые добились обнадеживающих результатов вакцинации зрелыми ДК больных меланомой IV стадии (с метастазами в другие органы): 19% неоперабельных пациентов продолжают жить уже 11 лет [15]. Тем не менее вакцинотерапия этими клетками может оказаться неэффективной из-за узкой специфичности иммунизирующих эпитопов (части антигена, которые распознают антитела, В- и Т-клетки). Лучше контролировать заболевание и предотвращать уклонение опухоли от иммунобиологического надзора могут помочь вакцины со сложными комплексами опухолевых антигенов. И такие работы уже ведутся разными способами и с разными антигенными нагрузками. Для этого используют рекомбинантные белки, экзосомы и вирусные векторы, плазмидные ДНК и трансфецированные РНК, иммунные комплексы и антитела к поверхностным молекулам ДК. Разрабатывается совместная презентация иммуногенных пептидов с молекулами HLA I и II класса, полученными в процессе фагоцитоза. Используются аллогенные клеточные линии меланомы кожи человека или рака предстательной железы для создания ДК, которые после фагоцитоза приобрели способность активировать иммунологически «наивные» CD8+ цитотоксические Т-лимфоциты. Получают гибридные ДК-опухолевые клетки и гибридные ДК-фибробласты, трансфецированные ДНК опухолевых клеток. Активно развивается направление, в котором «высокопрофессиональные» костномозговые ДК фагоцитируют нежизнеспособные опухолевые клетки или их лизат и активируют иммунологически «наивные» Т-клетки и Т-клетки памяти с большим опухолеассоциированным репертуаром Т-клеточных рецепторов.
Одновременно установлено, что выбор типа ДК для клинического применения зависит от типа антигена. Незрелые ДК, которые активно используют эндоцитоз и эффективно захватывают экзосомы, могут быть наиболее подходящими для доставки иммуногенного белка или антигенных комплексов. Зрелые ДК с высокой экспрессией HLA-молекул больше подходят для использования пептидов. Короткие пептиды (от 8 до 10 аминокислотных остатков) могут напрямую связываться с HLA-молекулами на поверхности ДК и не нуждаются в захвате антигена и его расщеплении.
В клинических исследованиях оцениваются молекулярно-биологические методы, поддерживающие увеличение функциональной активности ДК. Молекулярно-генетические манипуляции ex vivo способствуют синтезу молекул на поверхности ДК, стимулирующих их взаимодействие с Т-клетками и, как следствие, противоопухолевый иммунный ответ. Ведется также поиск оптимальной дозы ДК, разрабатывается график вакцинаций, оценивается специфичность иммунных ответов ДК. После культивирования ex vivo ДК должны обладать следующими свойствами: долго сохранять жизнеспособность в организме человека, эффективно мигрировать в лимфатические узлы и помогать эффекторной функции Т-лимфоцитов. Кроме того, поддержка выживания in vivo эффекторных Т-клеток, генерированных с помощью вакцинации, нуждается в продолжительной стимуляции, что обеспечит оптимальную и устойчивую ориентацию на опухоль [8, [16–21].
Хотя во взаимоотношениях иммунной системы организма с опухолями все еще много неясного, очевидно, что весьма значимые достижения фундаментальной онкоиммунологии способствуют прогрессу клинической онкологии [22, 23]. В последние годы противоопухолевые вакцины на основе дендритных клеток — природных усилителей иммунного ответа (естественных адъювантов) — привлекают внимание компаний, занимающихся исследованиями и разработками лекарственных препаратов для лечения рака. В отчете Global Dendritic Cell Cancer Vaccine Market Dosage Price & Clinical Trials Outlook 2024 указывается, что в настоящее время в онкологических центрах мира создано более 60 дендритноклеточных вакцин против рака, большинство из которых проходят доклинические или клинические испытания [17].
Литература
1. Steinman R. M. Dendritic cells and the control of immunity: enhancing the efficiency of antigen presentation // Mount. Sinai J. Med. 2001; 68: 160–166.
2. Caux C., Vanbervliet B., Massacrier C. et al. CD34+ hematopoietic progenitors from human cord blood differentiate along two independent dendritic cell pathways in response to GM-CSF+TNF alpha // J. Exp. Med. 1996; 184: 695–706. DOI: 10.1084/jem.184.2.695.
3. Балдуева И. А., Моисеенко В. М., Хансон К. П. Система дендритных клеток и ее роль в регуляции функциональной активности Т- и В-лимфоцитов человека // Вопросы онкологии. 1999; 45(5): 473–483.
4. Zitvogel L., Terme M., Borg C., Trinchieri G. Dendritic cell-NK cell cross-talk: regulation and physipathology // Immunobiology of Natural Killer Cell Receptors. Vivier E., Colonna M. (eds) 2006; 157–174.
5. Steinman R. M., Hemmi H. Dendritic cells: translating innate to adaptive immunity // CTMI. 2006; 311: 17–58.
6. Veglia F., Gabrilovich D. I. Dendritic cells in cancer: the role revisited // Curr. Opin. Immunol. 2017; 45: 43–51. DOI: 10.1016/j.coi.2017.01.002.
7. Motta J. M., Rumijanek V. M. Sensitivity of dendritic cells to microenvironment signals // J. Immunol. Res. 2016; 2016: 4753607. DOI: 10.1155/2016/4753607.
8. Morel P. A., Butterfield L. H. Dendritic cell control of immune responses // Front Immunol. 2015; 6: 42. DOI: 10.3389/fimmu.2015.00042.
9. Dudek A. M., Martin S., Garg A. D., Agostinis P. Immature, semi-mature, and mature dendritic cells: toward a DC-cancer cells interface that augments anticancer immunity // Front Immunol. 2013; 4: 438. DOI: 10.3389/fimmu.2013.00438.
10. Seyfizadeh N., Muthuswamy R., Mitchell D. A. et al. Migration of dendritic cells to the lymph nodes and its enhancement to drive anti-tumor responses // Crit. Rev. Oncol. Hematol. 2016; 107: 100–110. DOI: 10.1016/j.critrevonc.2016.09.002.
11. Llopiz D., Ruiz M., Infante S. et al. IL-10 expression defines an immunosuppressive dendritic cell population induced by antitumor therapeutic vaccination // Oncotarget. 2017; 8: 2659–2671. DOI: 10.18632/oncotarget.13736.
12. Gonzalez F. E., Ortiz C., Reyes M. et al. Melanoma cell lysate induces CCR7 expression and in vivo migration to draining lymph nodes of therapeutic human dendritic cells // Immunol. 2014; 142: 396–405. DOI: 10.1111/imm.12264.
13. Нехаева Т. Л. Оптимизация аутологичных дендритноклеточных вакцин для лечения больных злокачественными новообразованиями // Сибирский онкологический журнал. 2013; 3: 52–56.
14. Alizadeh K., Alizadeh K. The use dendritic cells in cancer immunotherapy // J. Cell. Immunother. 2017; 3: 19–20. DOI: 10.1016/j.jocit.2017.04.026.
15. Gross S., Erdmann M., Haendle I. et al. Twelve-year survival and immune correlates in dendritic cell-vaccinated melanoma patients // JCI Insight. 2017; 2: e91438. DOI: 10.1172/jci.insight.91438.
16. Yi H. D., Appel S. Carrent status and future perspectives of dendritic cell-based cancer immunotherapy // Scand. J. Immunol. 2013; 78: 167–171. DOI: 10.1111/sji.12060.
17. Global Dendritic Cell Cancer Vaccine Market Dosage Price and Clinical Trials Outlook 2024.
18. Sabado R. L., Bhardwaj N. Cancer immunotherapy: dendritic-cell vaccines on the move // Nature. 2015; 519: 300–301. DOI: 0.1038/nature14211.
19. Sabado R. L., Balan S., Bhardwaj N. Dendritic cell-based immunotherapy // Cell Res. 2017; 27: 74–95. DOI: 10.1038/cr.2016.157.
20. Geijtenbeek T. B. H. Dendritic cell immunotherapy, the next step in cancer treatment // Multidisciplinary Cancer Invest. 2017; 1(2). DOI: 10.21859/mci-01025.
21. Gard A. D., Coulie P. G., Eynde B. J. van den, Agostinis P. Integrating next-generation dendritic cell vaccines into the current cancer immunotherapy landscape // Trends Immunol. 2017; 38: 577–593. DOI: 10.1016/j.it.2017.05.006.
22. Kumar C., Kohli S., Bapsy P. P. et al. Immune modulation by dendritic-cell-based vaccines // J. Biosci. 2017; 42: 161–173. DOI: 10.1007/s12038-017-9665-x.
23. Bol K. F., Schreibelt G., Gerritsen W. R. et al. Dendritic cell-based immunotherapy: state of the art and beyond // Clin. Cancer Res. 2016; 22: 1897–1906. DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-15-1399.
* Подробнее см.: Недоспасов С. А. Лауреаты Нобелевской премии 2011 года. По физиологии или медицине — Ж. Хоффманн, Б. Бойтлер, Р. Штайнман // Природа. 2012. № 1. С. 114–117. — Примеч. ред.
Рис. 1. Фенотипические и функциональные характеристики миелоидных костномозговых дендритных клеток