Дендритные клетки и их роль в адаптивном иммунитете

В нынешнем году Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена Брюсу Бойтлеру и Жюлю Хоффманну за открытие механизмов активации врождённого иммунитета, и Ральфу Штайнману за открытие дендритных клеток и их роли в активации адаптивного иммунитета. Эти исследования называют революционными, поскольку открытие врождённого иммунитета в корне изменило представление о функционировании иммунной системы.

Иммунитет. Это слово давно и прочно заняло своё место в лексиконе современного человека. Чаще всего под иммунитетом понимают способность организма защищаться от опасных вирусов, бактерий, грибков или других паразитов. Но что это за механизм и как, собственно, осуществляется эта защита, понимают лишь немногие специалисты. Механизм и вправду очень сложный. Нобелевские лауреаты этого года вскрыли лишь некоторые ключевые моменты «первой линии обороны» — системы врождённого иммунитета.

В природе существуют две линии защиты, два вида иммунитета. Первая и самая древняя — система врождённого иммунитета, которая нацелена на разрушение клеточной мембраны чужеродной клетки. Она присуща всем живым существам — от дрозофилы до человека. Если всё же какой-либо белковой молекуле-чужаку удалось прорваться сквозь «первую линию обороны», с ней расправляется «вторая линия» — адаптивный, или приобретённый, иммунитет.

Адаптивный иммунитет — это высшая форма защиты, которая присуща только позвоночным. Механизм приобретённого иммунитета очень тонко настроен и специфичен. Вкратце: при попадании в организм чужеродной белковой молекулы белые кровяные клетки (лейкоциты) начинают производить антитела — на каждый белок (антиген) вырабатывается своё определённое антитело. Сначала активируются так называемые T-клетки (T-лимфоциты), которые начинают производить активные вещества цитокины, запускающие синтез антител B-клетками (B-лимфоциты). Сила или слабость иммунной системы обычно оценивается по количеству именно B- и T-клеток, настолько они важны для защиты организма. Взаимодействие антиген — антитело очень сильное и очень специфическое. Когда антитела «садятся» на белки-антигены, находящиеся на поверхности вируса или бактерии, развитие инфекции в организме блокируется.

Процесс выработки антител запускается не сразу, у него есть определённый инкубационный период, зависящий от типа патогена. Зато, если уж процесс активации пошёл, как только та же самая инфекция попытается проникнуть в организм ещё раз, B-клетки моментально отреагируют выработкой антител, и инфекция будет уничтожена немедленно, не причинив никакого вреда. Именно поэтому на некоторые виды инфекций у человека вырабатывается иммунитет на всю оставшуюся жизнь.

А вот система врождённого иммунитета неспецифична и не обладает «долгосрочной памятью», поскольку реагирует на некие молекулярные структуры, присущие всем патогенным микроорганизмам. Эти структуры получили название «патоген-ассоциированные молекулярные образы» (pathogen-associated molecular patterns — PAMP). Такими PAMP служат молекулы, входящие в состав клеточной мембраны бактерий. Несмотря на химические различия, все эти структуры обладают следующими свойствами: они синтезируются только микроорганизмами (в клетках животных их нет, поэтому распознавание PAMP расценивается иммунной системой как сигнал к началу борьбы с чужаком); они характерны для целого ряда патогенов, а не только для одного; эти структуры являются важными для жизнедеятельности бактерии, поэтому в процессе эволюции они меняются очень медленно (иначе иммунная система просто не успевала бы настраивать распознавание). Если бактерии удаётся прорвать «первую линию обороны» и избежать уничтожения макрофагами или гранулоцитами, то в борьбу должна включиться система приобретённого иммунитета.

Каким образом система врождённого иммунитета подаёт знак системе приобретённого иммунитета на выработку специфических антител? Вот за решение этого ключевого вопроса иммунологии и присуждена Нобелевская премия 2011 года.

В 1973 году Ральф Штайнман открыл новый вид клеток, которые назвал дендритными, поскольку внешне они напоминали дендриты нейронов. Клетки обнаружились во всех тканях организма, которые соприкасались с внешней средой: в коже, лёгких, слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта. Сначала исследователь предположил (в ту пору это вызвало скептицизм многих учёных), а затем и доказал, что дендритные клетки служат посредниками между врождённым и приобретённым иммунитетом. То есть «первая линия обороны» подаёт через них сигнал, который активирует T-клетки и запускает каскад выработки антител B-клетками.

Как оказалось позже, дендритные клетки (так же как и макрофаги и эпителиальные клетки) имеют на клеточной поверхности специальные белковые комплексы — рецепторы. Гены, кодирующие эти рецепторы, аналогичны Toll-генам плодовой мушки дрозофилы (от нем. toll — сногсшибательный, безумный), играющим ключевую роль в эмбриогенезе. В 1996 году Жюль Хоффманн обнаружил, что у мушек с «выключенным» Toll-геном полностью отсутствовал иммунитет и они погибали от любой грибковой инфекции. Хоффманн предположил, что ген Toll важен не только для развития эмбриона, он ещё играет ключевую роль в иммунной системе. Как оказалось, этот ген кодирует специальные рецепторы, распознающие молекулы в структуре мембран бактериальных патогенов (PAMP), посылая биохимический сигнал на устранение «чужака». Их назвали «Toll-подобные рецепторы» (англ. Toll-like).

При взаимодействии РАМР с Toll-подобным рецептором на поверхности дендритной клетки появляются белки-антигены, которые и запускают адаптивный иммунный ответ T-клеток. У человека обнаружен десяток таких Toll-подобных рецепторов. Некоторые из них находятся на поверхности клеток, другие «плавают» в клеточной цитоплазме. Конечным результатом взаимодействия PAMP с этими рецепторами является активация T-клеток. На клеточном уровне происходит активация фагоцитов: они начинают продуцировать активные формы кислорода, а следовательно, более интенсивно переваривать «обрывки» клеточных стенок чужеродных бактерий.

В 1998 году Брюс Бойтлер изучал рецепторы бактериальных липополисахаридов (LPS) — молекул, в которых липид и сахар «сшиты» между собой. LPS — очень активные в иммунологическом отношении молекулы, они не просто стимулируют, а «суперстимулируют» иммунитет, в определённых условиях вызывая септический шок. Бойтлер пытался найти ген, отвечающий за эффекты LPS, и обнаружил, что мыши, нечувствительные к LPS, имеют мутацию в гене, очень похожем на Toll-ген мушки-дрозофилы. Toll-подобный рецептор случайно оказался тем самым неуловимым LPS-рецептором, то есть LPS взаимодействует с Toll-подобным рецептором, приводя к активации воспалительных процессов, вплоть до септического шока. Так выяснилось, что у мушек и мышей есть один и тот же механизм защиты от инфекции. «Зловредными» компонентами мембраны клеточных бактерий, которые и вызывали реакцию врождённого иммунитета, оказались липополисахариды — компоненты клеточной стенки грамотрицательных бактерий.

Открытие врождённого иммунитета привело к появлению новых подходов в профилактике и лечении заболеваний, в разработке новых вакцин и противоопухолевых препаратов.

Онкотерапия дендритными клетками представляет собой новый и перспективный иммунотерапевтический подход для системного лечения метастатического рака, а также для профилактики онкозаболеваний. Реакция пациентов далеко не пропорциональна тому, что может сделать любая текущая терапия. В течение десятилетий проводились исследования в области онкологической иммунологии, а недавние результаты показали успешное лечение рака дендритными клетками с сообщениями о полных ответах даже у пациентов с раком IV стадии, когда все другие методы не работали. Лечение рака дендритными клетками или так называемая дендритная онковакцина является новой и мощной формой иммунотерапии.

Онковакцина на основе дендритных клеток

Дендритные клетки (ДК) являются мощными антигенпрезентирующими клетками для индукции антигенспецифического ответа Т-клеток. Вакцина дендритными клетками была введена как новая терапевтическая стратегия у больных раком. Иммунотерапия на основе дендритных клеток безопасна и может способствовать противоопухолевым иммунным реакциям и продлению выживаемости онкопациентов.

Типы дендритных клеток включают:

• Неактивированные (незрелые) дендритные клетки обычно располагаются в периферических нелимфоидных тканях и могут представлять собой собственные антигены Т-клеткам, что приводит к иммунной толерантности либо путем делеции Т-клеток, либо через дифференцировку регуляторных Т-клеток или Т-клеток-супрессоров.
• Зрелые дендритные клетки обладают способностью представлять антигены в лимфоидных тканях и праймировать, активировать и расширять эффекторные иммунные клетки с уникальными функциями и профилями цитокинов.
• Миелоидные дендритные клетки (cDCs) происходят из клеток-предшественников миелоидных клеток в костном мозге и характеризуются экспрессией CD11c. cDCs можно подразделить на 3 группы: моноцитарные дендритные клетки, CD1 a-интерстициальные дендритные клетки и CD1a + клетки Лангерганса.
• Плазмоцитоидные дендритные клетки (pDCs) дифференцируются от лимфоидных клеток-предшественников в лимфоидных тканях. Они экспрессируют CD123 и продукт высокого уровня интерферона типа I. Дендритные клетки pDC также способствуют воспалительным реакциям в стационарном состоянии и при патологии. Во время воспалительного ответа воспалительные дендритные клетки (iDCs) генерируются из моноцитов.

Функция противораковых дендритных клеточных вакцин

Основная цель терапевтических вакцин состоит в том, чтобы вызвать клеточный иммунитет. Они должны активировать Т-клетки, а также индуцировать переход от хронически активированных незащищенных CD8 + Т-клеток к здоровым CD8 + Т-клеткам, способным продуцировать цитотоксические Т-лимфоциты (ЦТЛ), которые распознают и уничтожают онкоклетки антигенспецифическим образом, а также обеспечивают долгоживущие CD8 + Т-клетки памяти, которые будут действовать, чтобы предотвратить рецидив. Наиболее важным шагом в вакцинации является эффективное представление раковых антигенов Т-клеткам, и поскольку дендритные клетки являются наиболее эффективными антигенпрезентирующими клетками, они являются многообещающим вариантом лечения рака.

Способы использования дендритных клеток в онковакцинах включают:

Прямое нацеливание / стимуляция дендритных клеток in vivo для усиления их противоопухолевого фенотипа. Большинство испытаний, в которых тестировалась стимуляция дендритных клеток in vivo синтетическими пептидами, были неудачными из-за невозможности эффективной стимуляции клеточных ответов CD4 + и стимуляции цитокинов типа Th2. Решением, демонстрирующим клинические реакции, было предварительное лечение циклофосфамидом, а также вакцинация антигенами, ассоциированными с опухолью (TAA) и колониестимулирующим фактором гранулоцитарных макрофагов (GM-CSF).

Стимуляция DCs ex vivo и вливание их обратно в хозяина для выполнения противоопухолевой эффекторной функции. Стволовые дендритные клетки берутся от пациента посредством лейкафереза, и после созревания / стимуляции этих клеток ex vivo полностью зрелые дендритные клетки вводятся обратно пациенту. Существуют разные способы создания специфических для онкоклеток ДК. Мы можем использовать специфические TAA, лизаты опухолей, созданные слияния онкоклеток ДК, электропорацию / трансфекцию дендритных клеток с помощью общей мРНК онкоклеток или экзосом, полученных из опухолей (TDE), путем стимуляции. Существует также возможность дополнительной стимуляции цитокиновыми «коктейлями» для обеспечения сильного созревания.

Вакцина дендритных клеток против опухоли головного мозга: наиболее известным источником антигенов, используемых для вакцин при лечении глиобластомы (опухоли головного мозга агрессивного типа), были лизат цельной опухоли, РНК антигена ЦМВ и пептиды, ассоциированные с опухолью, например EGFRvIII. Первоначальные исследования показали, что у пациентов развились иммунные ответы, измеряемые по экспрессии интерферона-гамма в периферической крови, системным цитокиновым ответам или экспансии CD8 + специфических антигенов Т-клеток. Частота клинического ответа была не такой высокой, как частота иммунного ответа. Общая выживаемость и выживаемость без прогрессирования (PFS) варьировались в разных исследованиях, но были выше по сравнению со стандартными показателями.

Иммунная система формирует влияние на опухоли в три этапа: посредством активации врожденных и адаптивных иммунных механизмов. Первый подход — это адаптивный перенос клеток, при котором аутологичные дендритные клетки генерируются и активируются ex vivo. Во-вторых, доставка провоспалительных или промиграционных факторов для привлечения и активации дендритных клеток in situ. Обе стратегии имеют общую цель — активировать дендритные клетки способные индуцировать устойчивый опухолеспецифический Т-клеточный ответ. Изучается клиническое влияние методов лечения на основе постоянного тока при лечении рака с акцентом на безопасность, осуществимость, иммунологические ответы и клинические результаты.

Концепция ключевой роли иммунной системы в защите от развития опухоли существует давно. Эксперты выяснили, что иммунная система обладает способностью подавлять большинство карцином. Тем не менее, иммунная система также может способствовать прогрессированию опухоли через хроническое воспаление, выбор плохо иммуногенных вариантов и подавление противоопухолевого иммунитета. Вместе, двойные защитные и стимулирующие опухоль действия иммунитета упоминаются как иммуноредактирование рака. Согласно этой гипотезе, есть три фазы в иммунном ответе против опухолей, элиминация, равновесие и фаза побега, называемые тремя Эс иммунного редактирования рака.

Во время элиминации клетки, принадлежащие к врожденной и адаптивной иммунной системе, могут распознавать и убивать онколетки. Когда опухолевые клетки не могут быть полностью уничтожены, опухоль и иммунная система достигают баланса. Во время этой фазы равновесия иммунная система контролирует опухолевые клетки, но не может их устранить. В фазе побега опухолевые клетки могут обойти иммунный контроль и развиваться дальше, вызывая прогрессирование онкозаболевания.

Дендритные клетки играют важную роль во взаимодействии между врожденным и адаптивным иммунитетами. Дендритные клетки обладают уникальной способностью поглощать антигены и представлять их в контексте основных комплексов гистосовместимости (MHC) I и MHC II для активации CD8 + T-клеток и CD4 + T-клеток соответственно. Чтобы быть полностью активированными, Т-клетки должны сталкиваться с различными сигналами активации. Первоначальное взаимодействие между дендритными клетками и T-клетками через MHC и T-клеточный рецептор (TCR) обеспечивает первый сигнал.

В дополнение к комплексам MHC-пептид для активации Т-клеток необходим костимулирующий сигнал, так называемый сигнал 2. CD8 + T-клетки также нуждаются в цитокиновых сигналах, продуцируемых макрофагами и DC, на разных стадиях их активации для оптимальной генерации популяций эффекторов и памяти и для их выживания. Отсутствие сигнала 2 и / или сигнала 3 или наличие иммунодепрессивных цитокинов может либо активировать T-хелперные клетки 2, либо вызывать иммунную супрессию посредством индукции и активации регуляторных Т-клеток (Tregs), миелоидных клеток-супрессоров (MDSC) или дисфункциональные дендритные клетки.  Опухоли могут нарушать эти сигналы, увеличивая выработку иммуносупрессивных цитокинов, снижая уровни молекул МНС I и теряя опухолевые антигены, тем самым избегая иммунных ответов и в конечном итоге избегая иммунного контроля.

Разработка дендритно-клеточных вакцин основана на этих свойствах. Успешная терапевтическая вакцина в основном зависит от антиген-специфических CD8 + Т-клеток, обученных генерировать цитотоксические Т-лимфоциты (ЦТЛ), которые могут непосредственно убивать раковые клетки, но также важен и ответ Т-хелперов. Антигенспецифические хелперные Т-клетки необходимы для поддержания ответа CD8 и индукции долговременной памяти. Желаемые свойства вызванных вакциной CD8 + T-клеток, связанных с элиминацией раковых клеток, включают высокое сродство к TCR и авидность T-клеток, продуцирование высоких уровней гранзимов и перфорина, перенос T-клеток в опухоль и персистенция в месте опухоли, и высокий потенциал пролиферации и обновления.

Компоненты иммунной системы, необходимые для индукции таких эффекторных клеток, включают представление антигена соответствующими антиген-презентирующими клетками (APCs) и образование CD4 + T-клеток, продуцирующих цитокины, которые могут способствовать пролиферации CD8 + T-клеток и дифференциация. Поскольку дендритные клетки играют ключевую роль в распознавании и обработке антигенов, присутствующих в опухолевых клетках и в индукции Т-клеток, способных уничтожать онкоклетки, их использование в лечении рака тщательно изучается.

Для запроса на лечение в Израиле