Прорыв в борьбе с раком: иммунные клетки научили размножаться бесконечно

Учёные из Университета Южной Калифорнии разработали способ получать практически неограниченное количество иммунных клеток, способных распознавать раковые опухоли и помогать организму бороться с ними. Вместо выращивания готовых защитных клеток исследователи научились размножать их незрелых предшественников, а затем генетически изменять их для атаки на рак. В экспериментах на мышах такие клетки приживались в костном мозге, производили новые иммунные клетки и замедляли развитие как рака крови, так и солидных опухолей.

Результаты исследования, опубликованного в журнале Cell, могут помочь преодолеть несколько серьёзных ограничений современной иммунотерапии. Среди них — сложность массового производства иммунных клеток, трудности с их генетической модификацией и недостаточная продолжительность действия после введения в организм.

В центре внимания оказались гранулоцитарно-моноцитарные клетки-предшественники. Это незрелые клетки иммунной системы, которые в обычных условиях превращаются в макрофаги и другие защитные клетки. Они участвуют в борьбе с инфекциями, распознавании угроз и организации иммунного ответа.

Раньше считалось, что способность долго размножаться, сохраняя свои исходные свойства, характерна преимущественно для кроветворных стволовых клеток. Они могут многократно делиться и давать начало всем основным типам клеток крови и иммунной системы.

Клетки-предшественники находятся на более поздней стадии развития. Их дальнейшая специализация уже частично определена, поэтому они способны превращаться лишь в ограниченный набор клеточных типов. Предполагалось, что возможности их длительного самовоспроизведения значительно меньше.

Однако исследователи обнаружили, что при правильно подобранных лабораторных условиях гранулоцитарно-моноцитарные предшественники могут продолжительное время делиться, не теряя своей идентичности. При этом они сохраняют способность впоследствии превращаться в полноценные функционирующие иммунные клетки.

«Ранее преобладало представление, что длительное самообновление в кроветворной системе свойственно прежде всего стволовым клеткам, способным производить любые клетки крови и иммунной системы. Мы обнаружили, что при определённых условиях клетки-предшественники тоже могут многократно делиться, сохраняя свои свойства», — рассказал руководитель исследования Ци-Лун Ин, профессор биологии стволовых клеток и регенеративной медицины Медицинской школы Кека.

По его словам, это создаёт основу для массового производства клеточных препаратов не только против рака, но и потенциально против инфекционных и других заболеваний.

Особый интерес представляют макрофаги — одни из наиболее универсальных клеток иммунной системы. Их название происходит от греческих слов, означающих «большие пожиратели». Эти клетки способны окружать и поглощать бактерии, повреждённые клетки и другие нежелательные частицы.

Кроме того, макрофаги выделяют сигнальные вещества, которые регулируют поведение других иммунных клеток. Некоторые из них могут проникать внутрь опухолей и атаковать раковые клетки.

Это делает макрофаги привлекательным инструментом иммунотерапии, особенно при лечении солидных опухолей — плотных новообразований, возникающих в органах и тканях.

Существующие методы, основанные на генетически модифицированных Т-лимфоцитах, наиболее успешно применяются против некоторых видов рака крови. Однако добиться сопоставимых результатов при лечении солидных опухолей значительно сложнее.

Макрофаги обладают естественной способностью перемещаться в ткани и проникать внутрь опухолевых образований. Но превратить их в удобный и эффективный лекарственный препарат оказалось непросто.

После полного созревания макрофаги плохо размножаются вне организма. Их трудно генетически модифицировать, а замораживание и хранение способны повреждать клетки, осложняя производство и доставку препаратов.

Дополнительные проблемы возникают после введения пациенту. Зрелые макрофаги часто задерживаются в лёгких и печени, вместо того чтобы равномерно распространяться по организму. Кроме того, они сравнительно быстро исчезают, что ограничивает продолжительность лечебного действия.

Чтобы обойти эти препятствия, исследователи решили работать не со зрелыми макрофагами, а с клетками, из которых они образуются.

Первый автор исследования Ши Юэ и его коллеги разработали специальную смесь химических веществ, позволяющую поддерживать гранулоцитарно-моноцитарные клетки-предшественники в незрелом состоянии на протяжении длительного времени.

Эта среда одновременно обеспечивала выживание и активное размножение клеток, препятствуя их преждевременному созреванию.

Даже после продолжительного выращивания клетки сохраняли характерные молекулярные признаки и способность превращаться в функционирующие макрофаги и родственные иммунные клетки.

Таким образом, вместо постоянного получения новых партий зрелых макрофагов учёные смогли создать восполняемый запас их предшественников, который можно расширять и генетически изменять по мере необходимости.

Надёжность метода независимо проверили сотрудники лаборатории Рави Маджети в Стэнфордском университете. Они подтвердили, что такие клетки действительно можно длительно выращивать и подвергать генетической модификации.

По словам Маджети, технология открывает возможности для создания различных клеточных препаратов, подобно тому как ранее развитие методов выращивания и модификации Т-лимфоцитов позволило расширить их медицинское применение.

Следующим этапом стала проверка того, можно ли превратить выращенные клетки-предшественники в оружие против рака.

Для этого исследователи внедрили в них ген, кодирующий химерный антигенный рецептор — КАР. Это искусственно созданный рецептор, позволяющий иммунной клетке распознавать определённый молекулярный маркер на поверхности раковой клетки.

Подобная технология уже применяется при создании противоопухолевых Т-лимфоцитов. Учёные решили использовать тот же принцип для клеток-предшественников, чтобы после созревания они производили макрофаги и другие иммунные клетки, способные распознавать опухоль.

Однако исследователи не ограничились одним рецептором. Часть клеток получила дополнительную генетическую модификацию, обеспечивающую выработку сигнала, который привлекает и активирует другие компоненты иммунной системы, включая Т-лимфоциты.

Это позволяло не просто направлять модифицированные клетки к опухоли, но и усиливать более широкий противоопухолевый иммунный ответ.

Особенно важным оказалось то, что дополнительный активирующий сигнал сохранял эффективность даже при несовпадении иммунологических характеристик донорских клеток и организма получателя.

Такой результат указывает на возможность создания заранее подготовленных универсальных клеточных препаратов. В отличие от персонализированной иммунотерапии, при которой лекарство приходится отдельно изготавливать из клеток каждого пациента, подобные средства потенциально можно будет производить крупными партиями из донорского материала.

После успешного выращивания и модификации клеток мышиного и человеческого происхождения исследователи перешли к экспериментам на животных.

Введённые мышам клетки-предшественники приживались в костном мозге и других областях, связанных с образованием клеток крови. Там они становились источником новых генетически модифицированных макрофагов и родственных иммунных клеток.

Это принципиально отличает предложенный подход от введения готовых макрофагов. Вместо ограниченного количества зрелых клеток, которые могут сравнительно быстро исчезнуть, организм получает предшественников, способных продолжать производство новых защитных клеток.

Потенциально такой механизм позволит увеличить продолжительность действия иммунотерапии и преодолеть проблему быстрого исчезновения макрофагов, с которой сталкивались в том числе при недавних клинических испытаниях подобных методов.

Чтобы оценить противоопухолевую активность, учёные использовали мышей с раком крови и солидными опухолями.

Клетки-предшественники с искусственными КАР-рецепторами замедляли прогрессирование заболевания в обеих группах.

Однако наиболее выраженный эффект наблюдался у животных, получивших клетки сразу с двумя модификациями: рецептором для распознавания опухоли и дополнительным сигналом для активации других иммунных клеток.

Такое сочетание обеспечивало более мощный противоопухолевый иммунный ответ, чем использование одного рецептора.

Несмотря на обнадёживающие результаты, технология пока находится на доклинической стадии. Учёным ещё предстоит проверить её безопасность и эффективность у людей. Особое значение будет иметь изучение последствий длительного присутствия модифицированных клеток-предшественников в организме и их способности продолжать образование иммунных клеток.

Исследователи также проверили, может ли технология применяться за пределами онкологии.

В отдельном эксперименте они изучали хроническую гранулематозную болезнь — наследственное заболевание, при котором определённые клетки иммунной системы не способны эффективно уничтожать опасные микроорганизмы.

Люди с этим нарушением особенно восприимчивы к повторяющимся бактериальным и грибковым инфекциям, поскольку их иммунные клетки не могут полноценно устранять некоторые патогены.

Когда учёные ввели клетки-предшественники мышам с этим заболеванием, способность животных бороться с бактериальной инфекцией восстановилась.

Этот результат показывает, что технология потенциально может использоваться для лечения наследственных иммунодефицитов и некоторых инфекционных заболеваний, а не только злокачественных опухолей.

По мнению авторов, главное значение открытия заключается не просто в возможности генетически перепрограммировать иммунные клетки. Не менее важным оказался выбор стадии их развития, на которой проводится модификация.

Работа с незрелыми предшественниками позволяет преодолеть ограничения, характерные для зрелых макрофагов: трудности размножения, генетического изменения и непродолжительное существование после введения в организм.

«Наше исследование показывает, что будущее иммунотерапии может зависеть не только от создания более совершенных КАР-рецепторов, но и от выбора правильной стадии развития клетки», — подчеркнул Ци-Лун Ин.

Если дальнейшие исследования подтвердят эффективность и безопасность подхода у людей, он может стать основой для нового поколения клеточной терапии. Вместо однократного введения ограниченного количества готовых иммунных клеток врачи потенциально смогут использовать их генетически модифицированных предшественников, способных закрепляться в организме и обеспечивать продолжительное производство клеток для борьбы с болезнью.