Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

В течение более чем ста лет иммунотерапию рассматривали как потенциальное оружие против рака. В 1891 году, когда еще не было ни химиотерапии, ни радиотерапии, Уильям Коли (William B. Coley) успешно лечил людей от рака с помощью веществ, выделяемых бактериями [1]. Сейчас показано, что они оказывали иммуностимулирующее действие [2]. Однако в клинических испытаниях стратегии лечения рака, основанные на попытках активировать иммунный ответ, потерпели ряд сокрушительных поражений. Но ученые продолжают верить в успех, все усложняя и усложняя вакцины.

Противораковый иммунитет состоит из нескольких ступеней. Его ключевыми шагами являются: узнавание антигена, презентирование антигена антигенпрезентирующими клетками, активация эффекторных клеток, перемещение их к опухолям, узнавание и уничтожение раковых клеток [1]. Теоретически, каждый из этих этапов мог бы лежать в основе разработки лекарства. Важно также задуматься не только над фундаментальными основами приобретенного иммунитета, но и над тем, как механически доставить лекарство в нужное место в организме [3]. Наиболее перспективным «транспортом» для лекарства представляются наночастицы из синтетических материалов [4]. В них можно заключить набор из разных биомолекул, которые призваны помогать друг другу стимулировать иммунитет, и тогда они будут перемещаться все вместе. Варьируя размер синтетического носителя, можно добиться доставки лекарства к лимфоузлам. Можно саму поверхность частицы сделать функциональной, если к ней будут присоединены адъюванты или антигены. Адаптивный иммунный ответ открывает множество возможностей для лечения заболеваний, и сейчас ученые всего мира пытаются ими воспользоваться.

Основы антиракового адаптивного иммунного ответа

Ежедневно наш организм атакуют различные патогены, такие как вирусы, бактерии, грибы, паразиты. Защиту от них обеспечивает иммунитет, который разделяют на две ветви: врожденный и адаптивный [5]. Врожденный иммунитет быстро реагирует на вторжение наиболее типичных патогенов и уничтожает их, а адаптивный развивается более длительное время, но зато имеет почти неограниченную пластичность.

Стартовым сигналом для запуска механизмов адаптивного иммунного ответа является появление в организме человека антигена. Чужеродные организмы имеют в своем составе биомолекулы, не встречающиеся в организме-хозяине. Они-то и являются антигенами. Иммунная система знает «свои» белки, а все остальные принимает за сигнал опасности. Итак, первая задача — найти антиген. На этом этапе с ним имеют дело антигенпрезентирующие клетки, в роли которых чаще всего выступают дендритные клетки (ДК) [6]. Заполучив антиген, дендритные клетки могут активировать Т-клетки , делая их цитотоксичными (способными убить патоген). Важным этапом активации является выделение цитокинов — веществ, поляризующих Т-клетки. Активация Т-клеток происходит в лимфоидных тканях, откуда они выходят уже во всеоружии и начинают искать чужака по известному антигену, как по фотороботу [1]. Обнаружив патоген, они выделяют специальные вещества, которые разрушают клетку-мишень, а затем движутся дальше в поисках новой [7].

Дендритные клетки презентируют фрагменты чужеродных белков на своей поверхности в составе главного комплекса гистосовместимости первого или второго классов и активируют CD8⁺ или CD4⁺ Т-клетки, соответственно. Заметим, что CD4⁺ чаще играют вспомогательную роль в иммунном ответе. После активации они дифференцируются на разные типы клеток-помощников, в зависимости от поляризующих цитокинов [8].

Иммунная система может служить оружием против рака

Теоретически, иммунная система может останавливать онкогенез, распознавая и уничтожая клетки опухоли [9]. У раковых клеток тоже есть антигены, потому что они, являясь производными одного организма, все-таки во многом отличаются от его обычных клеток. В целом, раковые антигены разделяют на две группы: или антигеном служит целая опухолевая клетка, или какое-либо ее молекулярное производное. В роли антигена могут выступать белки-мутанты, которые в норме имеют другую структуру. Или такие белки, которые нарабатываются в большом количестве в опухоли, но не в норме. Отличительными сигналами могут быть и полисахариды клеточной поверхности, а также особые ДНК и мРНК. Развитие опухолей могут стимулировать некоторые вирусы (вирус Эпштейна-Барр, вирус папилломы человека [10], [11] (рис. 1) и вирусы гепатита В и С), поэтому продукты их генов также могут быть мишенью для иммунотерапии [12]. На основе различных антигенов ученые стремятся разработать антираковые вакцины, способные активировать Т-клетки. Однако раковые клетки разными способами избегают иммунного ответа [13], [14] .

Сложно поверить, с какой изобретательностью раковые клетки обводят иммунитет вокруг пальца. В частности, они «прикидываются» перед лицом «стражников»-макрофагов больными, и те доверчиво бросаются помогать им [15]. Мало того — клетки опухоли сумели найти «стоп-кран» лимфоцитов — специальные рецепторы, тормозящие развитие иммунных реакций, — и активно его используют, скрываясь от нашей системы защиты. И онкоиммунология лишь только-только набирается достаточных умений, чтобы встречно «обмануть обманщиков» [16]. — Ред.

Когда обнаружили белки, теоретически способные служить антигенами и активировать иммунный ответ против опухолей, то оказалось, что целые молекулы использовать не совсем удобно. Для вакцин лучше брать фрагменты белков — пептиды. Они могут напрямую связываться с антигенпрезентирующими клетками, не требуя предварительной обработки, и довольно стабильны при хранении. В связи с этими преимуществами, вакцины, основанные на пептидах, проходят доклинические и клинические испытания [17]. На данный момент главной проблемой таких вакцин является их слабая иммуногенность и непродолжительность действия. Отчасти первое затруднение объясняется тем, что белки раковых клеток все-таки произведены организмом-хозяином, и Т-клетки на них реагируют слабо. Многие проблемы иммуностимулирующих вакцин сейчас пытаются решить с помощью совершенствования способов их доставки в организм.

Доставка лекарства — ключевой этап иммунотерапии

Одним из вариантов транспорта лекарств являются наночастицы из синтетических материалов. Есть такие вещества, которые, попав в организм человека, начинают постепенно разлагаться. Внутрь частицы из такого материала можно поместить биологически-активные вещества — например, антигены. Тогда после деградации защитного слоя (но не раньше!) лекарство попадет в кровь. У частицы может быть несколько слоев. Тогда разрушаться прослойки материала будут постепенно, и активные молекулы будут поступать в организм этапами в течение длительного времени. Таким образом достигается продолжительная терапия после одноразовой вакцинации. Совместно с антигеном в синтетический носитель обычно упаковывают адъюванты — вещества, усиливающие иммунный ответ (обычно это антигены каких-либо распространенных бактерий). Они «злят» иммунную систему, делая ее более агрессивной. Адъювант будет работать наиболее эффективно, находясь неподалеку от антигена раковых клеток, поэтому их совместная доставка необходима (что и достигается путем помещения антигена и адъюванта в один носитель).

Чем еще могут помочь наноносители? Например, увеличить эффективность презентирования антигена антигенпрезентирующими клетками, что усилит активацию Т-клеток. Синтетические частицы с лекарством могут попадать в лимфоидную ткань, где сохраняются продолжительное время, постепенно освобождая антигены и адъюванты. Размер частиц — один из ключевых факторов, определяющих эффективность попадания их в лимфоидную ткань [1]. Большие частицы (более 500 нм в диаметре) задерживаются в зоне инъекции из-за своих размеров, а очень маленькие (менее 10 нм в диаметре) могут быстро диффундировать через лимфоузлы, что минимизирует возможность эффективного взаимодействия достаточного количества частиц вакцины с антигенпрезентирующими клетками [18]. Частицы среднего размера (10–100 нм в диаметре) доходят до лимфоузлов и задерживаются там — тогда шанс презентирования нужного антигена значительно увеличивается [18], [19]. Согласно проведенным исследованиям, наилучшими считаются частицы диаметром 40 нм [20] .

Когда размер искусственных частиц становится сопоставим с размером клетки или отдельных ее компонентов, речь начинает идти об интерфейсе нано—био — области контакта между живой материей и инородными объектами схожих и более мелких размеров [4]. На представлении о таком интерфейсе можно строить различные стратегии адресной доставки — начиная от трансдермальной [21] и заканчивая распределением наночастиц между различными органами и органеллами внутри клетки. — Ред.

Допустим, ученым удалось доставить антиген в нужную часть лимфоидной ткани. Там антигенпрезентирующие клетки (предпочтительно дендритные) должны с ним взаимодействовать. Поверхность наночастиц, несущих раковые антигены, может быть модифицирована так, чтобы с ней лучше связывались именно дендритные клетки [1], что усилит иммунный ответ. Используют разные способы привлечения ДК; интересно, что многие из них в итоге вызывают схожую по силе иммунную реакцию [22].

Как упоминалось ранее, важное преимущество доставки лекарств с помощью наночастиц — это возможность доставлять антиген совместно с адъювантом, что усиливает иммунный ответ. Для антираковых вакцин хорошими адъювантами признаны вещества, активирующие Толл-подобные рецепторы (TLR) [23] — важный компонент врожденного иммунитета, за открытие которых вручена Нобелевская премия 2011 года [5]. TLR чувствуют опасные патогенные сигналы и вовлечены в первую очередь в систему врожденного иммунитета. Интересно, что они также играют ключевую роль в индукции приобретенного иммунитета [24], и поэтому вещества, их активирующие, широко применяются в вакцинах. Например, таким веществом является олигонуклеотид, содержащий неметилированный CpG-мотив. Он несет отрицательный заряд, и его легко прикрепить на положительно заряженные частицы [25], [26], что повышает иммунный ответ.

Доставка вакцин, основанных на целых клетках

Преимущества вакцин, состоящих из целых раковых клеток, перед состоящими из единичных белков, в том, что может быть достигнут многосторонний иммунный ответ [1]. Спектр антигенов в целой клетке максимально высок — в ней содержатся все потенциально иммуногенные молекулы. Подход можно применять даже для индивидуальной терапии, если вакцины делать из клеток пациента. Для получения лекарства используют разрушенные или инактивированные раковые клетки. Они тоже могут быть упакованы в синтетические носители совместно с активаторами Толл-подобных рецепторов [27], [28]. Например, были получены частицы с заключенными в них разрушенными раковыми клетками, фактором, привлекающим дендритные клетки, и CpG-содержащим олигонуклеотидом для их активации [29]. Эта конструкция успешно обеспечила появление адаптивного противоракового иммунитета и показала как профилактический, так и терапевтический эффекты.

Новые горизонты в раковой иммунотерапии могут открыться после определения новых, уникальных для каждого пациента антигенов с помощью секвенирования [30]. Этот подход может значительно увеличить эффективность лечения, потому что мутированные белки, которых нет в нормальных клетках, но есть в раковых, вызывают сильный иммунный ответ. Также может оказаться эффективным использование нескольких иммуностимулирующих подходов одновременно [1].

Литература

1. Fan Y. and Moon J.J. (2015). Nanoparticle drug delivery systems designed to improve cancer vaccines and immunotherapy. Vaccines (Basel). 3, 662–685;
2. Starnes C.O. (1992). Coley’s toxins in perspective. Nature. 357, 11–12;
3. Rosenberg S.A., Yang J.C., Restifo N.P. (2004). Cancer immunotherapy: moving beyond current vaccines. Nat. Med. 10, 909–915;
4. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
5. Толл-подобные рецепторы: от революционной идеи Чарльза Джейнуэя до Нобелевской премии 2011 года;
6. Jung S., Unutmaz D., Wong P., Sano G.-I., De los Santos K., Sparwasser T. et al. (2002). In vivo depletion of CD11c+ dendritic cells abrogates priming of CD8+ T cells by exogenous cell-associated antigens. Immunity. 17, 211–220;
7. Trapani J.A. and Smyth M.J. (2002). Functional significance of the perforin/granzyme cell death pathway. Nat. Rev. Immunol. 2, 735–747;
8. Zhu J., Yamane H., Paul W.E. (2010). Differentiation of effector CD4 T cell populations (*). Annu. Rev. Immunol. 28, 445–489;
9. Dunn G.P., Bruce A.T., Ikeda H., Old L.J., Schreiber R.D. (2002). Cancer immunoediting: from immunosurveillance to tumor escape. Nat. Immunol. 3, 991–998;
10. Нобелевскую премию 2008 года по физиологии и медицине вручили за вирусологические исследования;
11. Увидевший вирусы в раке. Харальд цур Хаузен;
12. Saha A., Kaul R., Murakami M., Robertson E.S. (2010). Tumor viruses and cancer biology: Modulating signaling pathways for therapeutic intervention. Cancer. Biol. Ther. 10, 961–978;
13. Seliger B., Maeurer M.J., Ferrone S. (2000). Antigen-processing machinery breakdown and tumor growth. Immunol. Today. 21, 455–464;
14. Zou W. (2005). Immunosuppressive networks in the tumour environment and their therapeutic relevance. Nat. Rev. Cancer. 5, 263–274;
15. Одураченные макрофаги, или Несколько слов о том, как злокачественные опухоли обманывают иммунитет;
16. Хороший, плохой, злой, или Как разозлить лимфоциты и уничтожить опухоль;
17. Pol J., Bloy N., Buqué A., Eggermont A., Cremer I., Sautès-Fridman C. et al. (2015). Trial watch: peptide-based anticancer vaccines. Oncoimmunology. 4, e974411;
18. Irvine D.J., Swartz M.A., Szeto G.L. (2013). Engineering synthetic vaccines using cues from natural immunity. Nat. Mater. 12, 978–990;
19. Swartz M.A., Hirosue S., Hubbell J.A. (2012). Engineering approaches to immunotherapy. Sci. Transl. Med. 4, 148rv9;
20. Fifis T., Gamvrellis A., Crimeen-Irwin B., Pietersz G.A., Li J., Mottram P.L. et al. (2004). Size-dependent immunogenicity: therapeutic and protective properties of nano-vaccines against tumors. J. Immunol. 173, 3148–3154;
21. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц;
22. Cruz L.J., Rosalia R.A., Kleinovink J.W., Rueda F., Löwik C.W.G.M., Ossendorp F. (2014). Targeting nanoparticles to CD40, DEC-205 or CD11c molecules on dendritic cells for efficient CD8(+) T cell response: a comparative study. J. Control. Release. 192, 209–218;
23. Steinhagen F., Kinjo T., Bode C., Klinman D.M. (2011). TLR-based immune adjuvants. Vaccine. 29, 3341–3355;
24. Kaczanowska S., Joseph A.M., Davila E. (2013). TLR agonists: our best frenemy in cancer immunotherapy. J. Leukoc. Biol. 93, 847–863;
25. De Titta A., Ballester M., Julier Z., Nembrini C., Jeanbart L., van der Vlies A.J. et al. (2013). Nanoparticle conjugation of CpG enhances adjuvancy for cellular immunity and memory recall at low dose. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 110, 19902–19907;
26. Wilson J.T., Keller S., Manganiello M.J., Cheng C., Lee C.-C., Opara C. et al. (2013). pH-Responsive nanoparticle vaccines for dual-delivery of antigens and immunostimulatory oligonucleotides. ACS Nano. 7, 3912–3925;
27. Wang C., Zhuang Y., Zhang Y., Luo Z., Gao N., Li P. et al. (2012). Toll-like receptor 3 agonist complexed with cationic liposome augments vaccine-elicited antitumor immunity by enhancing TLR3-IRF3 signaling and type I interferons in dendritic cells. Vaccine. 30, 4790–4799;
28. Gross B.P., Wongrakpanich A., Francis M.B., Salem A.K., Norian L.A. (2014). A therapeutic microparticle-based tumor lysate vaccine reduces spontaneous metastases in murine breast cancer. AAPS J. 16, 1194–1203;
29. Ali O.A., Huebsch N., Cao L., Dranoff G., Mooney D.J. (2009). Infection-mimicking materials to program dendritic cells in situ. Nat. Mater. 8, 151–158;
30. Schumacher T.N. and Schreiber R.D. (2015). Neoantigens in cancer immunotherapy. Science. 348, 69–74.;
31. Гривенников С. (2014). Цитокины — регуляторы воспаления и рака. Институт биоорганической химии..