Нобелевская неделя 2018. Тасуку Хондзё: «Неожиданные открытия, связанные с приобретенным иммунитетом»

Начало пути и описание функции AID

Ученый рассказал, что в его семье было много врачей, в том числе его отец был хирургом. В детстве Тасуку хотел стать астрономом — его вдохновил снимок Сатурна. Но после прочтения биографии японского микробиолога Хидэё Ногути, обнаружившего бледные трепонемы в мозге больных прогрессивным параличом, он поменял область интересов, поступив в медицинский университет. Перед выпуском будущему лауреату повезло встретиться с несколькими именитыми учеными, благодаря чему он участвовал в изучении инактивации фактора элонгации белков посредством дифтерийного токсина (Honjo et al., 1968).

В 1971 году Хондзё встретил Дональда Брауна:

Он открыл мне мир молекулярной иммунологии. Он рассказал мне про давнюю загадку иммунологии и всей биологии: разнообразие антител.

И действительно, в 70-е годы было непонятно, как животные могут вырабатывать антитела даже против искусственно синтезированных соединений. Тогда считалось, что существует множество генов иммуноглобулинов, что в реальности невозможно. Строение антител уже было известно: тяжелые и легкие цепи, состоящие из вариабельных — распознающих антигены — и константных участков. И с 1973 года Хондзё в качестве постдока вместе с Филлипом Ледером изучал причины разнообразия антител. В то же время другие исследователи подтвердили, что вариабельные домены антител образуются в результате различных комбинаций участков ДНК — процесс V(D)J-рекомбинации (Brack et al., 1978).

В 1977 после возвращения в Японию, Тасуку переключился на изучение тяжелой цепи антител. Его исследовательская группа обратила внимание на тот факт, что после вторичной иммунизации животных вырабатываются более аффинные к антигену антитела и происходит переключение класса иммуноглобулинов с IgG на IgM. У разных классов антител разные участки входят в состав тяжелых цепей. Группа Тасуку показала, что в результате удаления участка последовательности ДНК, кодирующей тяжелую цепь, последняя изменяется, что приводит к переключению классов (Honjo and Kataoka, 1978). В ходе созревания В-клеток также имеет место соматическое гипермутирование (СГМ) — изменение нуклеотидов в кодирующей вариабельные участки антител ДНК, что способствует переключению классов иммуноглобулинов и повышению аффинитета. Исследователи показали, что за этот процесс частично отвечает фермент  цитидиновая дезаминаза, индуцированная активацией (AID, Activation-induced cytidine deaminase) (Muramatsu et al., 1999):

Таким образом, AID — фермент, способствующий запоминанию антигена геном антитела, что является механистической основой вакцинации.

Получается, что посредством V(D)J-рекомбинации формируется потенциальное разнообразие антител, а соматическое гипермутирование позволяет клеткам запомнить новый антиген:

Иногда, очень редко, СГМ приводит к озлокачествлению клеток. Это не согласуется с представлением иммунологов, что активация иммунной системы обычно ингибирует рост опухоли.

Иммунотерапия опухолей

Хондзё отметил, что идея иммунотерапии опухолей появилась еще в 1970-е, но многие попытки разработать ее долго не приводили к успеху. До открытия механизмов подавления активности иммунных клеток опухолью ученые работали в следующих направлениях: вакцинация больных неоангтигенами опухолей, активация Т-клеток пациента in vitro и введение цитокинов.

В 90- годы группы Джеймса Эллисона и Хондзё параллельно открыли ингибирующее иммунную систему действие белков CTLA4 и PD-1 (Cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4 и Programmed cell death protein 1 соответственно):

Момент, когда мы описали действие PD-1, был очень удачным. Как вы заметили, я в принципе удачлив.

Тасуку и его коллеги рассмотрели кодирующий PD-1 ген (Ishida et al., 1992) и описали физиологические последствия его нокаута на модельных мышах в сочетании с изменением других факторов:

PD-1 является негативным регулятором: когда мы его выключаем, иммунная система гиперактивируется…  в ходе связывания антигена с рецептором на поверхности клетки, происходит фосфорилирование цитоплазматической части рецептора. При активации PD-1 стимулирует работу фосфатазы, убирающей эти фосфаты… Иммунная система постоянно находится в состоянии баланса между гиперактивацией и супрессией. Если блокировать работу PD-1, то чаша весов склоняется в сторону гиперактивации. Так мы можем бороться с раком.

Почему я выбрал этот путь исследований? Я не доверял антителам — их слишком много. Я доверял генетике.

Группа Хондзё в начале 2000-х в течение нескольких лет показала, что антитела либо к PD-1, либо к его лиганду PD-L1 могут вылечить рак: у нокаутных по гену PD-1 мышей был снижен уровень туморогенеза,  как и в случае введения антител к PD-L1. Блокировка PD-1 также снижала метастазирование опухолей (Iwai et al., 2002).  Medarex спонсировала выпуск препарата «Ниволумаб» — антител к PD-1 — для клинического применения. Перед началом клинических испытаний в США в 2006 году «…я встретил знаменитого ученого, только посмотрите на него(показывает на Джеймса Эллисона на их совместной фотографии с симпозиума 2006 года). Это был очень удачный случай». Через несколько лет были опубликованы статьи, демонстрирующие эффективность препарата в лечении раковых опухолей (Topalian et al., 2012). Тасуку рассказал об их клинических испытаниях в Японии:

На небольшой выборке мы испытывали антитела на пациентках с устойчивым к препаратам платины раком яичников… Особенно нас удивил случай женщины, очень быстро ответившей на терапию, опухоль которой исчезла. После года лечения ремиссия продолжалась еще 4 года… То есть в отсутствие лечения состояние сохраняется.

Ниволумаб также демонстрировал лучшие результаты, чем классический химиотерапевтический препарат дакарбазин. В последние годы показано, что препарат эффективен против множества типов опухолей вне зависимости от происхождения, для которых характерно большое количество мутаций.

Лауреат выделил следующие преимущества терапии антителами к PD-1:

• мало побочных эффектов, так как терапия не действует на обычные клетки;
• возможность лечения большого количества опухолей;
• продолжительный эффект после прекращения терапии.

Далее Тасуку объяснил, почему предложенная терапия не влияет на здоровые клетки. В опухолях очень часто происходят мутации в кодирующих белки участках ДНК, что приводит к образованию неоантигенов и узнаванию их иммунными клетками. Однако зачастую из-за количества мутаций невозможно выделить исходную, спровоцировавшую озлокачествление — поэтому тяжело подобрать специфичное лечение. Также, именно темп мутагенеза периодически приводит к возникновению у опухолей устойчивости к химиотерапии, что не является проблемой  для иммунотерапевтических препаратов.

Сейчас я привел очень многообещающие результаты. Но это не конец истории. У нас было много-много проблем. Например, только у 20–30% пациентов наблюдался прогресс. Поэтому нам нужно было характеризовать отвечающих и не отвечающих на  терапию… Оказалось, что для положительного результата важным является потенциал иммунной системы самого пациента. Вот, например, при заражении вирусом некоторые люди просто чихают, а у других сильно поднимается температура, и они почти погибают. И это не определяется отдельным геном: сотни генов определяют силу иммунной системы.

Совершенствование терапии антителами к PD-1

Группа Хондзё сосредоточилась на изучении возможных способов повышения эффективности терапии. Например, год назад было показано, что в случае блокады PD-1 помимо активации уже сидящих рядом с опухолью Т-киллеров происходит активация и рекрутирование таковых из лимфатических узлов (Chamoto et al., 2017):

Если у животных удалить лимфатические узлы, то даже при введении антител к PD-1, опухоль не уменьшается и продолжает расти.

В ходе этого же исследования были протестированы вещества, способные усилить выработку энергии в Т-клетках. Наиболее эффективным оказалось использование активных форм кислорода, что моделировалось при помощи безафибрата. То есть, комбинирование блокады PD-1 с этим препаратом повышает активность Т-киллеров, уничтожающих опухоль.

Для описания побочных эффектов ниволумаба, ученый привел исследование прошлого года, свидетельствующее о значительном изменении метаболизма активированных Т-клеток, влияющем на весь организм. Они накапливают много аминокислот, что приводит к недоступности серы для синтеза аминокислот в других клетках  мышей. Накопление триптофана и тирозина ведет к снижению количества дофамина и серотонина в синапсах мозга, что влияет на поведение животных: они начинают вести себя более возбужденно (Miyajima et al., 2017). Все это связано с изменениями микробиома кишечника мышей при ингибировании PD-1.

Лауреат отметил, что влияние выключения PD-1 на микробиоту было описано еще 6 лет назад. Так, при блокаде в кишечнике мышей повышался синтез IgA, связывающих бактерии, но их аффинитет к этим бактериям снижался, что изменяло спектр представленных штаммов, влияя, в свою очередь, на активность иммунной системы (Kawamoto et al., 2012):

Для производства IgA вам нужна AID — еще одна моя любимая молекула. При выключении PD-1 в лимфатических узлах кишечника Т-клетки не могут эффективно осуществлять селекцию В-клеток, продуцирующих правильные IgA.

Тасуку вернулся еще на несколько лет назад: в 2002 году была описана роль AID как в контролировании микробиоты кишечника, так и поддержании баланса иммунной системы (Fagarasan et al., 2002). А неопубликованные данные свидетельствуют, что у мышей с выключенным AID антиопухолевый иммунитет определяется кишечными бактериями:

Получается, что PD-1 и AID должны коллаборировать для контроля микробиоты. И этот баланс важен для поддержания иммунной толерантности, гомеостаза метаболизма и правильной работы мозга. Но если убрать из системы PD-1 или нормальные IgA в кишечнике, это приводит не только к уничтожению опухолей, но и влияет на психику и может вызвать аутоиммунные заболевания. Мы до сих пор точно не знаем всех закономерностей на уровне организма, поэтому нам нужно изучать все больше и больше.

Хондзё привел цитату Энди Коглана из статьи  «Closing in on cancer»: «Мы находимся в точке, в которой мы открыли аналог пенициллина для рака», и прокомментировал:

Несмотря на то, что пенициллин не смог вылечить все инфекционные болезни, он положил начало целому поколению антибиотиков, навсегда изменивших медицину, оставив большинство ранее смертельных инфекций в прошлом.

…Сейчас усилия все больших людей направлены на разработку иммунотерапии рака… И, когда-нибудь, я не знаю, может быть в 2030-м, рак не исчезнет, но будет контролироваться иммунотерапией. Он может стать одним из хронических заболеваний. Если у вас будет опухоль, она не будет расти, — это норма. Это особенно актуально для пожилых людей: они могут сохранить качество жизни.

В ХХ веке мы побороли инфекции с помощью антибиотиков. И в настоящем столетии, я надеюсь, рак будет поддаваться контролю с помощью иммунотерапии и ее модификаций, связанных с манипуляцией микробиомом.

…Приобретенный иммунитет появился у позвоночных в ходе эволюции как защитная система против патогенов. Это привело к значительному увеличению продолжительности жизни позвоночных… К счастью, раковые клетки накапливают мутации и экспрессируют неоантигены, которые могут быть также опознаны приобретенным иммунитетом. Это, должно быть, подарок эволюции.