CAR-клетки: идеальные солдаты против рака

Сайт Наука в Сибири 24 мая 2017 г.
Газета Наука в Сибири №22 (3083) от 8 июня 2017 г.
Сайт Академгородок 24 мая 2017 г.

Лечение рака зачастую включает в себя методы с опасными последствиями: химио- и лучевую терапию, пересадку костного мозга... Однако с заболеванием можно бороться посредством клеток собственного организма — в том числе, чтобы минимизировать побочные эффекты. Это общемировое направление исследований разрабатывают ученые из Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН.

кбн АА Горчаков, кбн СВ Кулемзин

Концепция химерных антигенных рецепторов (CAR) была предложена израильскими учеными в 1993 году, но активный интерес к CAR-клеткам появился около семи лет назад, когда их применили для лечения пациентов с тяжелейшим заболеванием крови – рецидивирующим острым лимфобластным лейкозом. В итоге, больше половины таких больных полностью поправились. Последние данные показывают, что клетки с антигенными химерными рецепторами хорошо работают и для других вариантов рака крови.

Сила CAR-клеток

В оригинальной схеме получения и переноса CAR T-клеток у онкобольного берут T-лимфоциты, чтобы активировать и размножить в лаборатории. После этого в них доставляют ДНК-кассету, кодирующую сам химерный (состоящий из нескольких доменов) антигенный рецептор. Он включает в себя три части: внутриклеточную, мембранную и внеклеточную. Последняя отвечает за “поимку” опухолевых клеток — это своего рода торчащая “рука”, которой CAR T-клетка нащупывает свою мишень. Внеклеточная часть, как правило, представлена фрагментом моноклонального антитела, способного избирательно связываться с одним из белков на поверхности опухолевой клетки.

Антитела (или иммуноглобулины) — белки, направленные против конкретных антигенов, а также основные молекулы иммунной системы. Антигеном является молекула, которую организм рассматривает как чужеродную и потенциально опасную, а потому начинает вырабатывать против нее собственные антитела.

На последнем этапе CAR Т-клетки размножают и возвращают в организм пациента. Когда такая клетка узнает своего “врага” при помощи внеклеточной части CAR, она его сразу же убьет. Преимущество заключается в том, что это может происходить многократно: уничтожив одну мишень, CAR T-клетка не выходит из строя и продолжает передвигаться по организму в поисках следующей.

— Получается, они встречают на своем пути два типа клеток: нормальные, которые не опознают, и раковые, которые убивают, — рассказывает кандидат биологических наук Андрей Горчаков. — При этом после каждой встречи с мишенями CAR T-клетки еще и делятся: то есть увеличивающееся “войско” будет мигрировать по телу пациента, пока не убьет все чужеродные клетки. Получается эффект “магической пули”: лекарство, введенное единожды, работает до победного. Главное — пациент получает свои же клетки, но измененные таким образом, чтобы они научились узнавать конкретный рак.

Сейчас ученые ИМКБ СО РАН пытаются модифицировать CAR-клетки, чтобы они не только несли химерные антигенные рецепторы, но и воздействовали на болезнь другими способами: раз они уже находятся в организме, почему бы не поработать изо всех сил? Их можно заставить секретировать вещества, стимулирующие другие иммунные клетки, например, макрофаги в опухоли — чтобы атаковать ее прямым и непрямым способом.

Макрофаги — клетки, способные к захвату и перевариванию бактерий, остатков погибших клеток и других чужеродных или токсичных для организма частиц.

— Изначально наше внимание было сконцентрировано на солидных или “твердых” раках, — добавляет кандидат биологических наук Сергей Кулемзин. — CAR-клетки лучше работают с диссеминированными, “жидкими” раками: в таком случае “больные” клетки плавают по одной (равно как и CAR T), и их проще убить. Однако при наличии твердой опухоли CAR Т-клетке нужно пробраться внутрь нее, что не так просто: опухоль создает вокруг себя особое микроокружение, которое “отпугивает” клетки иммунной системы, и даже если они проникают вглубь, их активность быстро угнетается. В итоге, например, макрофаги из “правильных” становятся “неправильными” и не только не борются с опухолью, но даже помогают ей выживать. Мы подумали, что в одной клетке можно совместить химерный антигенный рецептор и секрецию молекул, заставляющих макрофаги подключаться к поеданию опухолевых клеток.

Сейчас ряд научных коллективов ищет способы, как сделать CAR-клетки более “злобными” и избирательными по отношению к противнику. Ученые ИМКБ СО РАН также пытаются оптимизировать структуру химерного антигенного рецептора. Дело в том, что расстояние между CAR Т-клеткой и опухолевой клеткой играет важную роль в эффективности уничтожения и накладывает ограничение на то, какой химерный рецептор подойдет для конкретной мишени. Таким образом, для того, чтобы CAR работал мощно, необходимо точно подобрать его длину, гибкость и доменный состав. Кроме того, важно, сколько молекул CAR находится на поверхности CAR-клетки, какова плотность молекул-мишеней на поверхности опухолевой клетки и аффинность (сила связывания) CAR со своей целью.

— Как часто происходит в биологии, в дизайне CAR важно соблюдать баланс, — рассказывает Андрей Горчаков. — Так, если химерный антигенный рецептор “слабоват”, то CAR Т-клетки будут упускать из виду опухолевые со сниженной плотностью мишени, что крайне нежелательно. С другой стороны, если CAR Т-лимфоцит намертво связывается с опухолевой клеткой, то ему становится достаточно проблематично перейти к “охоте” за следующим “врагом”.

Сложность в том, что не все экспериментальные подходы, которые хорошо работают в пробирке или организме мыши, будут так же действовать на пациента. Кроме того, у любой терапии есть свои риски. Описаны случаи, когда CAR T-клетки, нацеленные убивать, например, раковые B-клетки, вполне предсказуемо уничтожали и нормальные B-лимфоциты, потому что на обоих была одна и та же B-мишень. Это ожидаемый побочный эффект, вполне решаемый заместительной терапией иммуноглобулинами, пока CAR T-клетки не очистят организм от перерожденных В-клеток. Для CAR T-клеточной терапии были описаны и более тяжелые реакции: при уничтожении огромной массы клеток опухоли происходило перевозбуждение иммунной системы пациента и развивался так называемый цитокиновый шторм: состояние, при котором резко падает давление, путается сознание, идет нагрузка на внутренние органы, затрудняется дыхание.

— При проведении клинических испытаний CAR T-клеток из нескольких сотен онкогематологических больных во время терапии погибло шесть человек, — добавляет Андрей Горчаков. — Причем не было свидетельств того, что виновата именно CAR T-методика, так как она применялась в сочетании с другими достаточно тяжелыми терапиями на пациентах с неизлечимыми формами острого лимфобластного лейкоза. Соотношение риска и потенциального преимущества для больного при таком подходе гораздо более благоприятно, чем, например, при химиотерапии или пересадке костного мозга, хотя это достаточно распространенная схема лечения.

CAR-клетки или антитела?

Для борьбы с раком также активно используются моноклональные антитела. Однако по сравнению с ними у CAR T-клеток есть несколько важных преимуществ: иммуноглобулины вводят курсами по несколько месяцев, что довольно дорого и долго. CAR T-клетки достаточно использовать лишь единожды и таким образом добиться стабилизации болезни или полного излечения.

— Антитела частично могут убивать опухоль сами, но наиболее результативно они действуют за счет работы иммунной системы, — рассказывает Сергей Кулемзин. — Основной механизм работы такой: они связываются с клеткой-мишенью и служат своеобразным флажком для клеток иммунной системы — смотрите, это раковая клетка! А если у онкобольного иммунитет уже в плохом состоянии, что чаще всего и наблюдается после всех курсов химиотерапии? В таком случае введение антител оказывается малоэффективным.

Многие используемые в онкологии моноклональные антитела — мышиного происхождения: например, широко известный препарат ритуксимаб. Поэтому в редких случаях у больных может развиваться иммунный ответ на введение чужеродных для человека антител, что делает невозможным продолжение такой терапии. Наконец, антитела — достаточно крупные молекулы, эффективные по отношению к опухолевым клеткам, до которых просто добраться: небольших очагов или метастазов. Если опухоль крупная, пассивное проникновение внутрь на один миллиметр зачастую занимает неделю. В то же время CAR T-клетки можно запрограммировать так, чтобы они активно двигались туда, где меньше кислорода — вглубь опухоли.

— CAR T-клетки — сочетание сильных сторон антител и клеточной терапии, — добавляет Андрей Горчаков. — Помимо того, что CAR T-клетка, вооруженная химерным антигенным рецептором, может направленно нападать на опухоль и глубоко в нее проникать, чего антитела, как правило, не делают, в запущенных случаях опухолевые клетки часто прячутся от иммунной системы там, куда она не “дотягивается”: например, в мозге или спинномозговой жидкости. Антитела слишком крупные, чтобы попасть туда в большой концентрации и отмаркировать опухолевые клетки на уничтожение. Это позволяет раковым клеткам спокойно пережить курс вводимых антител, что впоследствии может привести к рецидиву заболевания. Такая проблема частично решается именно с помощью CAR T-клеток: T-лимфоциты могут проникать, куда хотят, и добивать прячущиеся чужеродные клетки.

CAR-клетки: натуральные киллеры

Модифицируя внеклеточную часть химерного антигенного рецептора, можно менять специфичность CAR-клеток. В ИМКБ СО РАН CAR-технологии также разрабатывают на базе не T-, а NK-лимфоцитов (Natural killer cells): у этих “прирожденных убийц” своя собственная система поверхностных рецепторов, распознающих злокачественные, чужеродные и зараженные вирусами клетки.

— Прелесть использования NK-клеточных линий как носителей CAR прежде всего в их универсальности: достаточно один раз сделать CAR-NK клетки, нарастить их в огромном количестве, расфасовать по пакетам и вводить многим пациентам, — поясняет Сергей Кулемзин.— Зарубежные группы проверили методику на мышах и получили весьма обнадеживающие результаты. Такую технологию проще внедрить в клинику: не надо забирать клетки у конкретного человека и вводить ему же, что получается дешевле, а соответственно, ближе к российским реалиям. Это универсальный подход для разных пациентов с одним типом рака — в зависимости от того, какую “мишень” вы зададите CAR-клеткам.

Пока что ученые ИМКБ СО РАН проводят основные эксперименты in vitro и только приступили к работе с мышами, чтобы понять, как можно повысить эффективность CAR-терапии. На сегодняшний день CAR NK-клетки против рака простаты уже уничтожают в пробирке опухолевые. Исследователи планируют поэтапно редактировать геном клеток с химерными антигенными рецепторами, чтобы они были максимально выносливы в раковом окружении, уничтожали чужеродные клетки, а иммунные активно стимулировали к борьбе — в общем, становились идеальными солдатами.

— На практике для каждого этапа необходима долгая отладка: должны соблюдаться все требования создания лекарств для человека, а еще нужно продумать процесс получения CAR-клеток в поточном формате, — заключает Сергей Кулемзин. — Кроме того, не совсем ясно, какова позиция такой методики в законодательном пространстве РФ: могут ли медики в соответствии с федеральным законом о клеточных технологиях применять ее на пациентах или нет? Клинических испытаний в России пока не было, так что возникает вопрос, близки ли CAR-клетки к внедрению в России. Однако подход на голову опережает другие способы: прежде всего, лечение собственными клетками сводит побочные эффекты к минимуму. Мы видим по научным статьям зарубежных ученых, насколько высок потенциал подобного способа терапии, так что нужно прилагать все усилия, чтобы в нашей стране он применялся на практике.

Алёна Литвиненко, фото автора

PDF-файл статьи