Иммунитет против опухолей. Миф или реальность?

БИОЛОГИЯ ИММУНИТЕТ ПРОТИВ ОПУХОЛЕЙ. МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ? Н. А. ПОПОВА Новосибирский государственный университет

ВВЕДЕНИЕ

TUMOR IMMUNITY. MYTH OR REALITY? N. A. POPOVA

Tumor cells can express antigens which are recognized by B- and T-lymphocytes. However, the antigenesity of tumor cells is usually very low, and the immune response against tumor is not effective. Nevertheless, in certain cases the immunity against tumor can be activated by means of proper immunotherapeutic actions.

© Попова Н.А., 2001

Опухолевые клетки могут экспрессировать антигены, распознаваемые В- и Т-лимфоцитами. Однако антигенность опухолей, как правило, очень низкая, а иммунный ответ против них неэффективен. Тем не менее с помощью иммунотерапевтических воздействий в некоторых случаях удается активировать противоопухолевый иммунитет.

12

www.issep.rssi.ru

В жизни организма часто возникают ситуации, когда необходима быстрая пролиферация определенных клеток. Например, при развитии иммунного ответа число клеток, реагирующих на данный антиген, возрастает в несколько тысяч раз. Однако после окончания иммунного ответа их пролиферация останавливается, и клетки, выполнившие свою функцию, погибают. В результате исходное число клеток восстанавливается. Аналогичная картина наблюдается при регенерации тканей после их повреждения. Таким образом, в норме пролиферация клеток усиливается или останавливается под влиянием регулирующих организменных факторов. Противоположная ситуация наблюдается с опухолевыми клетками. Их главным свойством является неконтролируемое размножение или автономность [1, 2]. Очевидно, это обусловлено возникновением дефектов в восприятии регуляторных сигналов, которые наследуются всеми потомками опухолевой клетки. Кстати, темп размножения многих опухолей отнюдь не выше, чем нормальных клеток при регенерации тканей. Однако опухолевые клетки размножаются постоянно, замещая нормальную ткань и прорастая (инвазируя) окружающие ткани. Опухоль преодолевает любую преграду на своем пути, будь то сосуд, нерв, кость. При этом клетки могут отделиться от первичного опухолевого узла и по кровеносным или лимфатическим сосудам перенестись в другие органы, где продолжат размножаться, образуя метастазы. Возникает вопрос: что же у организма нет защитных механизмов, способных остановить этот процесс, пока разрастание опухоли не приведет к роковым последствиям? Безусловно, есть. Опухолевые клетки возникают в организме значительно чаще, чем регистрируются клинически проявляющиеся опухоли. Возникновение опухоли свидетельствует о том, что по каким-то причинам защитные механизмы терпят поражение. Какова же роль иммунной системы в защите от опухолей.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ КОНЦЕПЦИЯ ИММУНОЛОГИЧЕСКОГО НАДЗОРА Эта гипотеза утверждает, что в обычных условиях иммунная система реагирует на появление в организме опухолевых клеток и включает свои эффекторные механизмы для их уничтожения. Впервые эта гипотеза была сформулирована в 1900 году Паулем Эрлихом, известным иммунологом, награжденным в 1908 году Нобелевской премией за создание гуморальной теории иммунитета. Эрлих полагал, что опухолевые клетки распознаются иммунной системой как чужеродные и элиминируются. В середине 60-х годов прошлого века Макферлайн Бернет вернулся к этой гипотезе и досконально ее разработал. Он считал иммунологический надзор за генетическим постоянством соматических клеток главной функцией иммунной системы. Возникновение в процессе эволюции иммунной системы у позвоночных Бернет объяснял тем, что огромное число клеток, составляющих организм этих животных, обусловливает высокую вероятность появления в клетках различных генетических изменений. Часть этих изменений может обусловливать злокачественное перерождение клеток. Без системы защиты от таких клеток ни одно многоклеточное животное не смогло бы существовать. Предсказания гипотезы иммунного надзора подтверждаются обширным фактическим материалом [3]. Прежде всего показано, что многие иммунодепрессивные воздействия приводят к увеличению частоты возникновения опухолей. Это ярко проявляется при наследственных иммунодефицитах, характеризующихся дефектом Т-клеточного звена иммунитета. Еще одно доказательство в пользу существования иммунологического надзора за возникновением опухолей представляют реципиенты трансплантатов органов. Для предотвращения реакции отторжения этих пациентов подвергают иммунодепрессивной терапии в течение длительного времени. Есть данные, что опухоли у них возникают гораздо чаще, чем в обычных условиях. Это были аргументы в пользу гипотезы иммунологического контроля. Однако есть и аргументы против нее [3]. Главный из них состоит в том, что у мышей nude, у которых отсутствует тимус и, следовательно, сильно угнетена тимусзависимая клеточная иммунореактивность (в результате чего им можно трансплантировать разные опухоли, в том числе и человека), никаких спонтанно возникающих опухолей вообще не обнаружено. Сторонники Бернета, пытаясь совместить этот феномен с представлениями парадигмы иммунологического надзора, объясняют отсутствие опухолей у мышей nude недостаточным сроком наблюдений – эти мыши обычно доживают лишь до 7-8-месячного возра-

ста. Однако именно по теории Бернета опухоли у бестимусных мышей должны развиваться значительно раньше, чем у обычных. В одном из экспериментов этих животных содержали в стерильных условиях, в результате чего они доживали до такого возраста, в котором возникают опухоли у обычных мышей. Оказалось, что у старых мышей nude опухоли возникали, но не чаще, чем у нормальных мышей. Есть и другие аргументы против теории иммунологического надзора. Таким образом, основной постулат теории иммунологического контроля, а именно что злокачественные опухоли возникают только в том случае, если иммунная система повреждена или если опухолевые клетки, утрачивая иммуногенность, ускользают от иммунного надзора, остается к настоящему времени недоказанным. Эта теория очень привлекательна; окажись она верной, как просто можно было бы бороться с опухолями. Сторонники противоположной точки зрения на взаимоотношения опухоли и организма исходят из положения, что, поскольку опухоль возникает из нормальных клеток организма, она не отличается от них, и поэтому иммунная система на опухолевые клетки не реагирует. Следовательно, опухолевые клетки гарантированы от иммунной атаки и могут свободно и безнаказанно размножаться в организме даже с нормальной иммунной системой. Но и эта гипотеза встречает возражения. Где же истина? Постараемся ответить на этот вопрос, рассмотрев два других. Во-первых, могут ли опухолевые клетки экспрессировать на своей поверхности антигены и, вовторых, какие эффекторные механизмы развивает иммунная система, реагируя на эти антигены? АНТИГЕНЫ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК На опухолевых клетках идентифицированы два типа антигенов (АГ): специфические опухолевые АГ и ассоциированные с опухолью АГ. АГ первого типа обнаруживаются в опухолях, индуцированных химическими канцерогенами и онкогенными вирусами. Химические канцерогенные вещества часто используются экспериментаторами, чтобы индуцировать опухоли у животных. Если сингенных животных иммунизировать такой опухолью, возникает иммунитет, который проявляется только в отношении именно данной конкретной опухоли и не распространяется на другие, индуцированные этим же канцерогеном. Другими словами, под влиянием химических канцерогенов происходит малигнизация клеток и возникают уникальные для каждой опухоли АГ. Даже если у одного и того же животного под влиянием одного и того же канцерогена возникли опухоли в разных местах, их АГ различаются. Эти уникальные

ПОПОВА Н.А. ИММУНИТЕТ ПРОТИВ ОПУХОЛЕЙ. МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?

13

БИОЛОГИЯ АГ являются результатом мутации или реаранжировки генов в процессе злокачественной трансформации. В отличие от химически индуцированных опухолей опухоли, индуцированные одним и тем же онкогенным вирусом, экспрессируют сходные АГ. Появление таких АГ обусловлено экспрессией вирусных генов. Есть данные, что в возникновении некоторых опухолей человека повинны определенные вирусы, например вирус папилломы типа 16 и 18 и вирус гепатита В. Большинство же опухолевых АГ не являются уникальными. Они экспрессируются и многими нормальными клетками, только, может быть, в меньшей степени, чем опухолевыми. Такие АГ называются ассоциированными с опухолью. Среди АГ этого типа рецепторы ростовых факторов, экспрессирующиеся в опухолях в гораздо большей степени, а также стадиоспецифические АГ, такие, как α-фетопротеин [4] в клетках опухоли печени, раковоэмбриональный АГ в клетках опухоли кишечника. Обнаружение в опухолях тканеспецифических белков свидетельствует о том, что опухоли сохраняют направление дифференцировки той клетки, из которой они возникли, а степень этой дифференцировки у разных опухолей может сильно различаться. В связи с этим неудивительно, что в опухолях может происходить реактивация генов, которые в нормальных клетках не работают. Наиболее известными из них являются гены α-фетопротеина (АФП) и раковоэмбрионального АГ. АФП синтезируется клетками печени и желточного мешка эмбрионов млекопитающих. После рождения его синтез прекращается. Но в опухолях печени, а также в определенных опухолях яичка и яичников синтез АФП в постнатальный период возобновляется. Тесты, выявляющие АФП в сыворотке крови, вошли в клиническую практику как диагностические для указанных опухолей. Ценность их состоит в том, что они позволяют контролировать результат лечения опухоли, а в группах высокого риска выявлять опухоли на стадиях, доступных оперативному вмешательству. Раковоэмбриональный АГ экспрессируется большинством опухолей кишечника и широко применяется в клинике с диагностической целью. К опухолеассоциированным АГ относятся также структуры, кодируемые онкогенами и генами-супрессорами. Впервые онкогены были обнаружены в составе генома онкогенных вирусов. Однако впоследствии было выяснено, что они не вирусного происхождения, а клеточного и что они очень важны для функционирования нормальных клеток организма, так как контролируют рост и пролиферацию клеток. Мутации этих нормальных клеточных генов (их называют протоонкогенами) или аномальная их экспрессия, которые вызываются канцерогенами или вирусами, могут явиться

14

пусковым моментом в процессе малигнизации клетки. Очевидно, в процессе эволюции вирусы позаимствовали эти гены из клеток-хозяина, в которых они реплицировались. Вместе с этими генами вирусы приобрели и способность трансформировать клетки, которые они заражают. Во многих опухолях обнаруживаются мутации в онкогенах. Например, мутантный онкоген ras находят у пациентов с опухолями желудочно-кишечного тракта. В клетках есть также антионкогены, в норме запускающие апоптоз [5] клеток, в которых произошли мутации. Тем самым предотвращается развитие опухоли. Мутации в антионкогенах нарушают их охранительную функцию. Главный представитель антионкогенов – р-53. Показано, что в 50% опухолей человека в р-53 обнаруживаются мутации. Белки, кодируемые мутантными онкогенами и антионкогенами, являются АГ опухолевых клеток. ИММУНИТЕТ ПРОТИВ ОПУХОЛЕЙ Если на поверхности опухолевых клеток присутствуют АГ, они должны распознаваться иммунокомпетентными Т- и В-лимфоцитами и вызывать развитие различных эффекторных реакций, направленных на элиминацию опухоли. Не вполне ясно, как антигены этого типа иммунизируют, так как между ними и реагирующими на них Т-клетками находятся антигенпредставляющие клетки. Но они, безусловно, иммунизируют. В большей степени это касается опухолей, индуцированных онкогенными вирусами, так как они экспрессируют вирусспецифические АГ. Однако ученых, исследующих опухоли, индуцированные вирусами, ожидало разочарование. Дело в том, что, если онкогенный вирус проникает в организм в эмбриональном или раннем постнатальном периоде (так называемый вертикальный путь передачи вируса от родителей потомству с молоком матери, через плаценту или гаметами), на вирусспецифические АГ формируется толерантность, то есть иммунная система считает их своими. В результате возникшие опухоли растут, не подвергаясь иммунной атаке. Такая ситуация характерна для развития рака молочных желез и лейкозов у мышей высокораковых и высоколейкозных инбредных линий. В том случае, когда онкогенный вирус попадает (или искусственно вводится) в организм животного с уже сформированной иммунной системой, на него развивается иммунный ответ и опухоли, как правило, не возникают. Опухоли, индуцированные химическими канцерогенами, характеризуются длительным латентным периодом и являются слабоиммуногенными. Развитие сильных иммунных реакций вызывают канцерогенные опухоли (например, метилхолантреновые саркомы) с коротким латентным периодом.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ Главная тактика иммунной системы в отношении опухолевых клеток, как и в отношении зараженных вирусом клеток, – это их уничтожение. Эту функцию осуществляют цитотоксические Т-лимфоциты, или Т-киллеры (Тк). При контакте Тк с клеткой – мишенью последняя погибает за счет образования в ее мембране пор порообразующим белком перфорином или путем апоптоза. Протективный эффект Тк на опухолевые клетки можно продемонстрировать, если in vitro смешать опухолевые клетки с лимфоидными от мышей, у которых эта опухоль регрессировала. Если такую смесь ввести мышам, опухоль у них не разовьется. Но только в том случае, если число лимфоидных клеток будет многократно превышать число опухолевых. Такая ситуация вряд ли возможна в организме. Поэтому вопрос об участии Тк в противоопухолевой защите остается спорным. Некоторые опухолевые АГ индуцируют в организме синтез антител (АТ). АТ, в свою очередь, могут опосредовать элиминацию опухолевых клеток. Однако, когда экспериментаторы стали вводить АТ животным с целью подавления роста опухоли, они, напротив, часто наблюдали усиление роста опухоли. При исследовании этого феномена, который так и называется – феномен усиления роста опухоли, было показано, что АТ к опухолевым АГ блокируют активность Тк. Это объясняется тем, что, соединясь с опухолевыми клетками, АТ маскируют АГ, распознаваемые Тк. Таким образом, на роль специфической противоопухолевой иммунной реакции может претендовать только механизм клеточной цитотоксичности, осуществляемый Тк. Однако многие опухоли успешно ускользают от Тк. Этого добиваются опухолевые клетки, в которых синтез молекул МНС-11 снижен вплоть до полного исчезновения. Вследствие этого Т-киллерный ответ на опухоль не развивается, поскольку Тк распознают АГ только в комплексе с молекулами МНС-1. К этому необходимо добавить, что причина успешного противостояния опухоли иммунным силам кроется также в том, что опухоль может маскировать свои АГ, быстро изменять их за счет мутационного процесса, активно подавлять или даже “перевербовывать” иммунную систему на свою сторону. Большая роль в защите от опухолей принадлежит факторам неспецифической резистентности, а именно: натуральным киллерам (НК) и активированным макрофагам (АМ) [6]. НК представляют собой гетерогенную группу больших гранулярных лимфоцитов, составляющих 0,6–2,4% общего пула лимфоцитов. НК распознают опухолевые клетки способом, отличающимся от иммунологического распознавания, но еще 1 МНС-1 – так называемая презентирующая молекула, представляющая фрагменты расщепленного антигена Т-клетками.

не до конца изученным. Показано, что НК имеют несколько типов рецепторов. Одни активируют, другие подавляют их функцию. В частности, снижение или отсутствие экспрессии МНС-1 на поверхности опухолевых клеток, позволяющее им ускользнуть от Тк, является сигналом для активации НК. Уничтожение опухолевых клеток НК осуществляют посредством тех же механизмов, что и Тк. Противоопухолевая активность макрофагов (МФ) осуществляется за счет секреции токсичных для опухолевых клеток активных форм кислорода, окиси азота, лизосомальных ферментов и фактора некроза опухолей (ФНО). МФ, изолированные от животных-опухоленосителей, тормозят рост опухолевых клеток in vitro. ИММУНОТЕРАПИЯ ОПУХОЛЕЙ Все изложенное свидетельствует о том, что иммунная система отвечает на опухоли, но ее реакции в отношении многих опухолей оказываются недостаточными, чтобы предотвратить их развитие. Усиление этих реакций является задачей иммунотерапии. Иммунотерапия может быть ценным дополнением к существующим методам борьбы с опухолями – хирургическому и химиотерапевтическому. Иммунотерапия привлекательна прежде всего специфичностью, так как эффект может быть избирательно направлен только на опухолевые клетки в отличие от химиотерапии, зачастую убивающей любые делящиеся клетки организма. Иммунотерапии опухолей более 100 лет. Впервые Вильям Коли в 1890 году лечил пациентов, больных злокачественными опухолями, введением бактериальных экстрактов. Их называли вакцинами Коли. В дальнейшем было показано, что они оказывают противоопухолевый эффект, стимулируя в организме синтез ФНО. После этого для лечения опухолей стали применять ФНО. ФНО непосредственно убивает некоторые опухолевые клетки или снижает скорость их пролиферации, не влияя при этом на нормальные клетки. ФНО также ингибирует рост опухолевых сосудов, при этом в опухолях наблюдаются очаги геморрагического некроза, предшествующие регрессии. Наибольшего эффекта удается добиться при введении ФНО прямо в опухоль, что не всегда возможно. При системном введении ФНО очень токсичен. Для лечения опухолей применяют также интерферон (ИНФ). Интерфероны – это семейство белков, осуществляющих противовирусную защиту (ИНФα и β) и регулирующих иммунный ответ (ИНФγ). После того как были клонированы гены ИНФов и получены рекомбинантные ИНФы, они были использованы для лечения опухолей. Была показана их эффективность в отношении некоторых опухолей кроветворной системы

ПОПОВА Н.А. ИММУНИТЕТ ПРОТИВ ОПУХОЛЕЙ. МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?

15

БИОЛОГИЯ и других опухолей. Механизм противоопухолевого эффекта ИНФ неясен и в некоторых случаях может быть связан с усилением активности Тк и НК. В начале 80-х годов было опубликовано сообщение о том, что если клетки крови инкубировать с интерлейкином-2 (ИЛ-2), цитокином, необходимым для активации Т-лимфоцитов, то активируется определенная популяция клеток, которая представляет собой уникальную цитотоксическую систему, способную лизировать опухолевые клетки, совершенно не затрагивая при этом нормальные. Это открывало перспективу лечения опухолей человека. Действительно, сначала в экспериментах на животных, а затем и в клинике злокачественных опухолей человека было показано, что такие клетки (их называют лимфокинактивированными киллерами, ЛАК), введенные вместе с ИЛ-2, оказывают положительный эффект при лечении некоторых опухолей. Исследования ЛАК показали, что они представляют собой функционально гетерогенную популяцию клеток, которые поразному распознают и лизируют клетки-мишени. Главными участниками ЛАК-феномена являются НК. Вдохновленные этими результатами, ученые стали искать в пораженном опухолью организме клетки, обладающие специфической киллерной активностью. Предполагалось, что концентрация таких клеток должна быть наибольшей в самой опухоли. Это предположение подкреплялось наблюдением лимфоидной инфильтрации регрессирующих опухолей. Для выделения таких клеток (их называют TIL – Tumor infiltrating lymphocytes) у человека удаляют хирургически небольшой опухолевый узел (например, при меланоме) и опухолевые клетки культивируют в течение нескольких недель в среде с ИЛ-2 (рис. 1). В отличие от ЛАК TIL являются цитотоксическими Т-лимфоцитами, избирательно убивающими клетки именно той опухоли, из которой их выделили, и никакой другой. С помощью этого метода добиваются регрессии опухолей в тех случаях, когда на них в организме развивается иммунологическая реакция. Чтобы усилить терапевтический эффект TIL, в них можно методами трансфекции ввести гены ФНО и ИНФ, которые, как уже было сказано, обладают противоопухолевыми свойствами, а также ген ИЛ-2. Такие генетически измененные TIL могут быть применены как дополнение к химиотерапии при лечении некоторых форм опухолей. Моноклональные АТ (МАТ) находят ограниченное применение для воздействия на опухоли. Если клетки опухоли экспрессируют уникальные опухолевые АГ, к ним получают МАТ, затем присоединяют к МАТ токсины, специфичные для опухолевых клеток, и вводят больным. Такая “магическая пуля” может убить опухолевые клетки, циркулирующие в крови. Получают так-

16

Лимфоциты (опухолевые клетки погибли)

ИЛ-2 Инкубация

Лимфоциты

Введение в организм

Опухолевые клетки

Рис. 1. Терапия опухолей лимфоцитами, обработанными ИЛ-2 (объяснения в тексте)

же искусственные биспецифичные АТ, один активный центр которых связывается с АГ на опухолевой клетке, а другой – с Тк (рис. 2). Таким образом эти АТ активируют Тк в отношении опухолевых клеток. В последние годы внимание исследователей привлечено к противоопухолевым вакцинам. В отличие от противоинфекционных вакцин, которые обеспечивают профилактику, вакцинация против опухолей является лечебной процедурой. Ее цель – активировать иммунный ответ на уже имеющуюся опухоль. Первое поколение вакцин против опухолей было представлено убитыми опухолевыми клетками, вводимыми пациенту с адъювантами, усиливающими иммунный ответ. С развитием методов клонирования генов и трансфекции появилась возможность модифицировать опухолевые клетки так, чтобы они наилучшим образом стимулировали развитие иммунитета. Последним достижением в области вакцин против опухолей является создание вакцин на основе дендритных клеток. Разработка таких вакцин основывается на Т-киллер

Опухолевая клетка

АТ

Рис. 2. Использование искусственно созданных биспецифических антител для лечения опухолей (объяснения в тексте)

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 3 , 2 0 0 1

БИОЛОГИЯ господствующей концепции о том, что главным, из-за чего иммунный ответ на опухоли не развивается (даже при наличие АГ опухоли), является дефект представления опухолевых АГ иммунокомпетентным клеткам. Дендритные клетки являются профессиональными АГпредставляющими клетками. Для получения вакцины берут дендритные клетки пациента, размножают их in vitro и инкубируют с опухолевыми экстрактами, или РНК из опухолей, или рекомбинантными вирусами, в геном которых введены гены, кодирующие опухолевые АГ. Несколько таких вакцин проходит клинические испытания, в основном на больных меланомами, так как АГ этих опухолей идентифицированы. Успехи в области изучения АГ опухолей, особенностей противоопухолевого иммунитета, совершенствование методов иммунодиагностики, иммунотерапии и иммунопрофилактики опухолей вселяют уверенность в том, что иммунология опухолей, несомненно, внесет вклад в решение проблем онкологии. ЛИТЕРАТУРА 1. Абелев Г.И. Что такое опухоль? // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 10. С. 85–90. 2. Васильев Ю.М. Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведение опухолевых клеток. I: Сигналь-

ные молекулы, вызывающие размножение и гибель клеток // Там же. № 4. С. 17–22. 3. Грунтенко Е.В. Иммунитет и возникновение злокачественных опухолей. Новосибирск: Наука, 1977. 272 с. 4. Абелев Г.И. Альфа-фетопротеин – взгляд в биологию развития и природу опухолей // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 9. С. 8–13. 5. Агол В.И. Генетически запрограммированная смерть клеток // Там же. 1996. № 6. С. 20–24. 6. Абелев Г.И. Взаимодействие врожденного и приобретенного иммунитета в защите организма от инфекций // Там же. 1998. № 2. С. 53–58. 7. Абелев Г.И. Основы иммунитета // Там же. 1996. № 5. С. 4–10.

Рецензент статьи Г.И. Абелев *** Нэлли Александровна Попова, кандидат биологических наук, доцент кафедры цитологии и генетики Новосибирского государственного университета, старший научный сотрудник лаборатории регуляции экспрессии генов Института цитологии и генетики СО РАН. Область научных интересов – иммунология и экспериментальная онкология. Автор более 80 научных работ.

ПОПОВА Н.А. ИММУНИТЕТ ПРОТИВ ОПУХОЛЕЙ. МИФ ИЛИ РЕАЛЬНОСТЬ?

17