Иммунология и иммунотерапия опухолей

• Что такое рак• Теория вирусного происхождения опухолей• Концепция иммунологического надзора• Воспаление и рак• Подходы к лечению рака• Адоптивная противоопухолевая терапия

Д.В.Купраш, д.б.н., кафедра иммунологии

Продолжительность жизни

Любой многоклеточный организм существует в тесном взаимодействии с многочисленными микробными сообществами, колонизующими его. Такое взаимодействие является результатом совместной эволюции, при этом микробы не имеют целеполагания, направленного на причинение вреда хозяину (и вообще никакого целеполагания не имеют). Оптимальная стратегия всякого микроба приводит к выживанию и хозяина, и микробного генома: в виде хронической инфекции (микобактерии), симбиоза (кишечная палочка), части хозяйской клетки (митохондрии, хлоропласты) или участка хозяйского генома (ретровирусы).

Патология возникает при нарушении равновесия.

Одно из таких нарушений произошло в течение второй половины позапрошлого столетия и первой половины прошлого.

Смертность от естественных причин

Инфекции

Рак

Диабет

Сердечно-

сосудистые

Подавляющая доля раковых заболеваний не затрагивает активный репродуктивный период. По этой причине рак, по-видимому, никогда не был существенным фактором выживания ни для млекопитающих, ни для патогенов.

Возраст

Заболеваемость всеми видами рака(случаев на 100 тыс населения, Великобритания, 2004)

МужчиныЖенщины

< 15

Академические вопросы:

1. В какой степени патогены связаны с экспоненциальным ростом заболеваемости раком во второй половине жизни?

2. Насколько важна иммунная система для предотвращения раковых заболеваний в течение первой половины жизни?

Практический вопрос: можно ли использовать иммунитет для борьбы со второй по значимости причиной смертности?

В течение 1850-1950 средняя продолжительность жизни (в США) выросла на 30 лет, превратив рак в одну из основных проблем здравоохранения развитых стран.

В 1909 году Пауль Эрлих выдвинул гипотезу иммунного надзора над

опухолями

В 1910 году Фрэнсис Пейтон Раус открыл вирус, вызывающий саркому (опухоль соединительной ткани) у кур.

Как выяснилось позже, это был первый надежно охарактеризован-ный онкогенный вирус, RSV.

Работая над вирусной теорией рака, Зильбер столкнулся с невозможностью выделить вирус из опухоли. Однажды случайно погибла одна из подопытных крыс, и при вскрытии Зильбер обнаружил у нее маленький узелок молодой опухоли. Он отфильтровал зараженные клетки и перенес полученный экстракт на здоровую крысу. Через некоторое время у нее начала расти опухоль. Зильбер догадался, что вирус может присутствовать в опухолях только на ранних стадиях – он лишь запускает процесс болезни, а затем исчезает. Главный принцип его гипотезы – вирус не противостоит хозяйской клетке, не размножается в ней – он взаимодействует с ней, меняет ее наследственные свойства, превращая в опухолевую, а затем исчезает.

Лев Александрович Зильбер (1894—1966)

17.01.1945 г. - Газета "Известия", статья "Проблема рака", в которой Л.А.Зильбер популярно изложил свою концепцию:

"Рак - это заболевание генома".

Признаки (критерии) рака

Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer.

Cell. 2000 Jan 7;100(1):57-70.PubMed PMID: 10647931

Аутопролиферативный сигнал

Нечувствительность к супрессорам

пролиферации

Инвазия и метастазирование

Бесконечное деление

Индукция ангиогенеза

Устойчивость к клеточной смерти

Программа лекцийпо иммунологии, онкоиммунологии и раковым исследованиям

для студентов, аспирантов и научных сотрудников

www.oncoimmunology.ru (2000-2012), molimmunology.ru (2012-2013)

Избранные лекции в рамках Программы

A. Rudensky Antigen presentation and T cell differentiation

Dominant tolerance and its significance for immunology and oncology

Regulatory T-lymphocytes

Cellular and molecular mechanisms of autoimmunity control

25-28.12.200025-28.03.200215.12.200319.05.200617.01.200819.09.2008

A.Chervonsky Autoimmunity. Homing mechanisms of autoimmune lymphocytes

Commensal bacteria, immunity and autoimmunity

25-28.12.200015-18.04.200220.12.200416-17.04.2009

R.Medzhitov Innate immune recognition

Innate immunity system

Regulation of immune and inflammatory reactions

29.10-1.11.2001

2003, 2005, 2006

10.01.2008

R. Weinberg Tumor cell biology 21-25.04.2003

K. Rajewsky Human B cell development, B cell lymphomas and Hodgkin's disease

18.09.2003

J. Hoffmann Sensing and Signaling in the defense against infections in the model organism Drosophila

01.12.2006

Р.Вайнберг

К.Раевский

Р.Меджитов

Ж.Хоффманн

Дж.Уотсон во время лекции 30 июня 2008 г.

Лекции лауреатов Нобелевской премии в рамках Программы

T. Cech (1989) Life at the End of the Chromosome: Telomeres and Telomerase

22.06.2004

R. Zinkernagel (1996) Why do not we have AIDS and tuberculosis vaccines today?

25.01.2005

H. zur Hausen (2008) Papillomaviruses: to vaccinations and beyond

10.11.2006

G. Blobel (1999) Protein traffic 06.06.2007

J. Watson (1962) Саn DNA show us how to cure cancer in our lifetime

30.06.2008

P. Doherty (1996) How we deal with virus infections 18.09.2008

A. Ciechanover (2004) Intracellular proteolysis: from basic mechanisms through human diseases and into drug targeting

30.09.2009

Программа лекцийпо иммунологии, онкоиммунологии и раковым исследованиям

для студентов, аспирантов и научных сотрудников

www.oncoimmunology.ru (2000-2012), molimmunology.ru (2012-2013)

Hanahan D, Weinberg RA. Hallmarks of cancer: the next generation.

Cell. 2011 Mar 4;144(5):646-74. PubMed PMID: 21376230

Признаки (критерии) рака

Перепрограммирование энергетического

метаболизма

Устойчивость к атакам со стороны иммунной

системы

Воспалительный процесс

Нестабильность

генома

Для каждого из признаков рака найдется патоген, "научившийся" использовать его для своих задач...

...но для каждого есть и специфические подходы к лечению.

005.

Ежегодные глобальные данные по раковым заболеваниям, связанным с инфекциями

Инфекции и рак

HPV = Human papillomavirus (вирус папилломы)HBV, HCV = Human hepatitis B, C virus (вирусы гепатита)EBV = Epstein-Barr virus, вирус Эпштейна-Барр.

Всего более 2 млн случаев в год (почти 20% всех раковых заболеваний)

Harald zur HausenСогласно имеющимся на настоящий момент данным, профилактическая вакцинация против HPV сокращает риск развития рака шейки матки примерно втрое

ВИЧ не является онкогенным сам по себе, но вызывает гибель зараженных Т-лимфоцитов, что приводит к постепенному

разрушению иммунной системы (СПИД)

Ослабление иммунитета приводит к повышению частоты раковых заболеваний, ассоциированных с распространенными вирусами

Год публикации статьи: 1983Год открытия ВИЧ: 1983

Иммунитет к уникальным раковым антигенам невирусной природы можно наблюдать на модели химически индуцированных опухолей у мышей

H.Schreiber in Fundamental Immunology 5th ed. 2003

Метилхолантрен (МХА, MCA (Engish)) -полициклический ароматический углеводород, образующийся из продуктов сгорания топлива, нефтепродуктов, бытового мусора при больших температурах. Входит в состав смога, сигаретного дыма. Связывается с ДНК. Сильнейший канцероген.

OncoImmunology 1:6, 793-797; 2012

Роль иммунной системы в контроле канцерогенеза и в лечении опухолей пережила длительный период недооценки

Частота спонтанных опухолей в бестимусных мышах не была повышена. Был сделан вывод, что иммунитет не важен для борьбы с раком. Естественные киллеры (NK клетки) еще не были известны.

Изучение мышей с нокаутом по генам IFNg, STAT и другим позволило доказать существенную роль иммунитета в опухолевой супрессии. Также было выяснено, что эффективный канцерогенез требует не только онкогенных мутаций, но и сопутствующего воспаления.

2010-е: концептуальный синтез, понятие иммунохимеотерапии:

1. Индукция иммуно-генной гибели раковых клеток.

2. Блокировка усколь-зания выживших клеток от иммунного ответа.

3. Стимуляция адап-тивного иммунитета

R.Schreiber, L.Old, M.Smyth, Science, 2011

Концепция иммуноредактирования опухолей

Некоторые аргументы в пользу существования иммунного надзора у человека

Распознавание (полезно для диагностики и м.б. лечения):• Иммунная реакция на опухоли с повышенной нестабильностью

генома (предположительно, ответ на новые иммуногенные эпитопы) .

• Инфильтрация в опухоль (по большей части неэффективная) специфических Т-лимфоцитов.

• Паранеопластические аутоиммунные синдромы.

Контроль (реальное предотвращение опухолевого роста):• Повышение частоты опухолей вирусной природы при

иммуносупрессии.• Существование предраковых состояний произвольно большой

длительности (моноклональная гаммапатия неустановленной значимости / множественная миелома).

• Спонтанная регрессия меланомы. • Пересадка опухолевых клеток иммунодефицитным пациентам

вместе с трансплантатами.

Развитие химически индуцированных опухолей у мышей критически зависит от состояния иммунитета

R.Schreiber, L.Old, M.Smyth, Science, 2011

Иммуноредактирование опухолей можно наблюдать экспериментально

Koebel et al, 2007. Nature 450:903–907

Существование фазы равновесия также можно экспериментально продемонстрировать

Koebel et al, 2007. Nature 450:903–907

Значительная часть МХА-индуцированных опухолей способна уйти от иммунного надзора только если он ослаблен

Koebel et al, 2007. Nature 450:903–907

Ключевую роль в контроле МХА-индуцированных опухолей играют компоненты адаптивного иммунитета

Vesely et al, Annu Rev Immunol 2011, 29:235-271.

Механизмы ускользания от иммунного надзораMDSC = myeloid-derived suppressor cells. Представляют собой антигенпрезентирующие клетки, не получившие стимуляции через систему врожденного иммунитета и поэтому оказывающие не активирующее, а супрессорное действие.

На этом же принципе основана нормальная иммунологическая толерантность.

Примеры механизмов избегания опухолевыми клетками иммунных реакций

1. Отсутствие или недостаточная экспрессия DAMP, подавление созревания дендритных клеток (недостаточная активация врожденного иммунитета).

2. Снижение экспрессии классических молекул MHC-I, нарушение презентации антигенов (невозможность распознавания CD8+ Т-лимфоцитами).

3. Экспрессия неканонических молекул MHC-I, секреция растворимых стрессорных молекул (MICA) (блокировка распознавания естественными киллерами)

4. Секреция иммуносупрессорных цитокинов, индукция дифференцировки регуляторных Т-клеток (создание толерогенного микроокружения)

1) Хроническое воспаление и некоторые инфекции увеличивают риск развития рака (IBD- колоректальный рак; HBV, HCV, алкоголь - гепатоцеллюлярная карцинома; H.pylori - рак желудка) - 15-20% всех случаев рака.

2) Различные типы иммунных клеток всегда обнаруживаются в солидных опухолях. В опухолевой ткани также повышена продукция многих медиаторов воспаления, в т.ч. цитокинов.

3) Воспаление дополнительно индуцируется в ходе опухолевой прогрессии за счет гипоксии, изменения обмена веществ в ткани, а также вследствие гибели клеток в результате терапии.

4) нестероидные противовоспалительные препараты (например, аспирин) уменьшают риск развития метастаз для многих типов рака (особенно для опухолей ЖКТ, легких, груди, предстательной железы (5-45% в зависимости от типа рака).

Воспаление и канцерогенез

Нестероидные противовоспалительные препараты снижают риск метастазирования

Rothwell et al, Lancet, 2011

Легкое Печень

Костная ткань Другие или множественные органы

Подходы к иммунотерапии опухолей:

1. Неспецифическая иммуностимуляция

2. Активная иммунизация

3. Адоптивный перенос клеток - Т-лимфоциты - со специфичностью против опухоли - со специфичностью против стромы

- компоненты врожденного иммунитета - дендритные клетки - естественные киллеры

4. Подходы 2+3, а также комбинирование иммунотерапии с цитостатиками и "таргетными" препаратами

William Bradley Coley (1862-1936)

Начал карьеру в 28 лет в New York Memorial Hospital (позже вошел в состав Memorial Sloan-Kettering Cancer Center).

Одна из первых пациенток – 17-летняя девушка Elisabeth Dashiell с остеосаркомой руки, несмотря на радикальное удаление (ампутация предплечья) умерла через 10 недель от быстрой диссеминации. Она была близким другом Джона Рокфеллера мл., который, как считается, именно под впечатлением от смерти своего друга всю жизнь занимался спонсированием паковых исследований, в т.ч. на его деньги был построен Memorial Sloan-Kettering Cancer Center.

Клинический случай 1. Круглоклеточная саркома шеи, 5 рецидивов в течение 3 лет. Рожистое воспаление, выздоровление.

«Последняя операция была выполнена доктором W.T. Bull в сентябре 1884 г. Распространенность опухоли была слишком большой для ее полного удаления. После операции очаг представлял собой открытую рану 5•2 дюйма с появившимися через короткое время вялыми саркоматозными грануляциями. Через две недели пациент перенес тяжелый приступ рожистого воспаления кожи лица, который через короткое время повторился. Грануляции быстро исчезли, рана зарубцевалась, в настоящее время (1891 г.) пациент здоров и не демонстрирует никаких признаков рецидива. Пациент был осмотрен мной и доктором Bull 7 лет спустя после приступа рожистого воспаления».

Таким образом, неспецифической стимуляция иммунитета при остром воспалении может быть достаточно для лечения рака

Иммунотерапия опухолей мочевого пузыря

Развитие наблюдений У.Коли привело к открытию важнейшего цитокина ФНО (фактор некроза опухолей), который, однако, практически не применяется в клинике из-за высокой системной токсичности.

Инфекционное воспаление оказалось высокоэффективным терапевтическим средством при опухолях мочевого пузыря.

Адоптивный перенос специфических лимфоцитов, инфильтрирующих опухоль, после лимфодеплеции

http://www.celltranspl.ru/news/newspost10

с IL2 + a-CD3

Current Opinion in Immunology 2009, 21:1–8

Предварительное кондиционирование реципиентов приводит к существенному улучшению выживания при

адаптивной терапии злокачественной меланомы

TBI = total body irradiation

Процедура генетической модификации лимфоцитов

Nat Rev Cancer. 2008; 8(4): 299–308

Позволяет придать Т-клеткам специфичность к любому известному Т-клеточному антигену

Химерные антигенные рецепторы

В.А.Левицкий, 2012

Позволяют придать Т-клеткам специфичность вообще к любому известному антигену

NATURE REVIEWS | CLINICAL ONCOLOGY VOLUME 8 | OCTOBER 2011 | 577

Адоптивная клеточная иммунотерапияметастазирующих опухолей - состояние дел

• Адоптивная клеточная терапия способна вызвать объективное улучшение у 50-70% больных метастатической меланомой.

• У значительной доли пациентов (до 40%) наблюдается длительный эффект, и во многих случаях, по-видимому, наступает полное излечение.

• Высокий уровень полной длительной регрессии опухоли у пациентов с меланомой наблюдается независимо от истории лечения.

• Технологию адоптивной иммунотерапии можно распространить на другие типы рака, используя генетическую модификацию аутологичных лимфоцитов Т-клеточными рецепторами (TCRs) или химерными антигенными рецепторами (CARs).

• В настоящее время есть предварительные результаты на синовиальной карциноме, лимфоме и меланоме.

• Существует возможность генетически аутологичных лимфоциты при помощи дополнительных генов, способных улучшить их противоопухолевую функцию, что открывает новые перспективы.

NATURE REVIEWS | IMMUNOLOGY | VOLUME 12 | APRIL 2012 | 269

Возможное будущее персональной онкологии

Адоптивная иммунотерапия, если оказывается успешной, способна уничтожить все клетки опухоли до единой.

Индивидуальный подбор "таргетных" препаратов уже сейчас является реальностью. К сожалению, пока это очень дорого, не всегда эффективно, и редко приводит к полному излечению.