Ученые выяснили, как Т-клетки принимают решение атаковать опухоль

Каждая встреча Т-лимфоцита с подозрительной клеткой начинается с почти мгновенного анализа молекулярных сигналов. Иммунной клетке требуется всего несколько секунд, чтобы определить, представляет ли объект опасность и следует ли запускать атаку. От точности этого решения зависит многое: недостаточная реакция позволяет инфекции или опухоли развиваться, а чрезмерная активность иммунитета способна привести к повреждению здоровых тканей.

Международная группа ученых подробно изучила первые моменты взаимодействия Т-клеток с потенциальными мишенями и обнаружила наноразмерные участки контакта, в которых объединяются активирующие и тормозящие сигналы. Исследование провели специалисты Оксфордского университета совместно с коллегами из Австрии и Китая. Результаты опубликованы в научном журнале Science Immunology.

Полученные данные помогают лучше понять, почему иммунная система иногда не уничтожает опухоль, даже когда Т-клетки физически соприкасаются с раковыми клетками. Особенно важным открытие может оказаться для совершенствования иммунотерапии, применяемой при меланоме, раке легкого, раке почки, раке груди и ряде других злокачественных заболеваний.

Т-лимфоциты относятся к ключевым клеткам адаптивного иммунитета. Цитотоксические Т-клетки способны находить и уничтожать клетки, зараженные вирусами или претерпевшие опасные изменения. Для распознавания цели они используют Т-клеточные рецепторы, которые реагируют на фрагменты белков, представленные на поверхности другой клетки.

Однако одного сигнала недостаточно. Чтобы избежать случайной атаки на здоровую ткань, Т-клетка одновременно анализирует множество активирующих и ингибирующих молекулярных команд. В точке контакта своеобразные сигналы «атаковать» и «остановиться» сопоставляются друг с другом. От их баланса зависит, начнет ли лимфоцит выделять вещества, разрушающие клетку-мишень.

Раковые клетки способны вмешиваться в этот процесс. Одним из наиболее изученных механизмов иммунного уклонения является сигнальный путь PD-1. Этот рецептор расположен на поверхности активированных Т-лимфоцитов и в норме выполняет защитную функцию: ограничивает чрезмерный иммунный ответ и снижает риск повреждения собственных тканей организма.

Многие опухоли используют этот естественный тормоз в своих интересах. Они экспрессируют на поверхности лиганд PD-L1, который связывается с рецептором PD-1 на Т-клетке. После такого взаимодействия внутрь лимфоцита поступает подавляющий сигнал. Т-клетка становится менее активной, хуже размножается, слабее выделяет цитотоксические молекулы и в итоге может потерять способность эффективно атаковать опухоль.

Этот механизм имеет значение и при раке груди. Некоторые опухоли молочной железы, включая часть случаев тройного негативного рака груди, способны формировать выраженную иммуносупрессивную среду и использовать путь PD-1/PD-L1 для защиты от иммунной системы. Поэтому отдельным пациентам назначают ингибиторы иммунных контрольных точек в сочетании с другими противоопухолевыми методами.

До настоящего времени ученым было известно, какие молекулы участвуют в активации и торможении Т-клеток, однако оставалось неясным, как именно противоположные сигналы объединяются в первые мгновения физического контакта с опухолевой клеткой.

Новое исследование показало, что ключевые события разворачиваются в чрезвычайно малых зонах, связанных с микроворсинками Т-лимфоцитов. Микроворсинки представляют собой тонкие пальцеобразные выступы клеточной мембраны. С их помощью Т-клетка исследует поверхность окружающих клеток, словно ощупывая их и проверяя наличие подозрительных молекул.

При соприкосновении микроворсинки с клеткой-мишенью формируются наноразмерные тесные контакты. Именно в них концентрируются Т-клеточные рецепторы, молекулы PD-1 и другие компоненты сигнальной системы. Размер этих участков измеряется нанометрами, но именно там фактически принимается решение о дальнейшем поведении иммунной клетки.

Для изучения процесса исследователи применили несколько методов флуоресцентной микроскопии и провели эксперименты in vitro. Ученые изменяли число рецепторов на поверхности клеток, размеры их внеклеточных участков, силу связывания с лигандами и форму клеточной мембраны. Это позволило оценить, какие физические и химические параметры влияют на передачу сигнала.

Наблюдения показали, что рецептор PD-1 быстро накапливается в тесных контактах микроворсинок. Его тормозящее действие начинается практически сразу после образования контакта и может вмешиваться в активацию Т-клеточного рецептора уже на самых ранних этапах.

После включения сигнального пути PD-1 Т-клетка хуже формировала новые участки контакта с мишенью. Это имеет принципиальное значение, поскольку для полноценного уничтожения раковой клетки лимфоцит должен не просто коснуться ее поверхности, а создать устойчивую контактную область — иммунологический синапс. Через него к опухолевой клетке направляются перфорин, гранзимы и другие молекулы, запускающие ее разрушение.

Активированный PD-1 также привлекал внутриклеточный фермент SHP2. Эта сигнальная молекула удаляет фосфатные группы с ряда белков, участвующих в активации Т-лимфоцита, и тем самым сокращает продолжительность иммунного сигнала. В результате контакт с опухолью может состояться, но команда на полноценную атаку оказывается слишком слабой или быстро прекращается.

Исследование уточняет представление о работе иммунных контрольных точек. Речь идет не только об общем снижении активности Т-клетки после длительного взаимодействия с опухолью. Торможение может начинаться почти мгновенно, непосредственно в наноразмерной зоне первого контакта.

Эти данные важны для понимания причин различной эффективности иммунотерапии. Даже у пациентов с одним и тем же диагнозом опухоли могут отличаться по уровню PD-L1, числу иммунных клеток, структуре микроокружения и способности формировать тесные контакты с лимфоцитами. Поэтому лечение, успешно снимающее иммунное торможение у одного пациента, может оказаться менее эффективным у другого.

Одним из наиболее неожиданных результатов эксперимента стали наблюдения за ниволумабом. Это моноклональное антитело, блокирующее PD-1 и применяемое при разных видах рака. Препарат связывается с рецептором на поверхности Т-клетки и мешает ему взаимодействовать с опухолевым лигандом PD-L1.

Исследователи обнаружили, что при определенных экспериментальных условиях ниволумаб мог на короткое время способствовать удержанию PD-1 в тесных контактах и временно активировать элементы тормозящего сигнального пути. Это не означает, что препарат в клинической практике усиливает развитие опухоли или не выполняет свою основную функцию. Ниволумаб доказал противоопухолевую эффективность и широко применяется в онкологии. Однако выявленный молекулярный эффект показывает, что конструкцию антител к иммунным контрольным точкам можно дополнительно совершенствовать.

Ученые создали модифицированные варианты антител, которые блокировали PD-1, но не способствовали его задержке в наноразмерных контактах. В лабораторных условиях такие молекулы обеспечивали более выраженную активацию Т-лимфоцитов.

В перспективе это может привести к появлению нового поколения ингибиторов иммунных контрольных точек. Такие препараты будут не только препятствовать связыванию PD-1 с PD-L1, но и учитывать пространственное расположение рецепторов, длительность их нахождения в клеточном контакте и особенности ранней передачи сигнала.

Для лечения рака груди это направление представляет особый интерес. Иммунотерапия уже стала частью комплексного лечения некоторых форм заболевания, но ее эффективность остается неодинаковой. Уточнение механизмов взаимодействия PD-1, PD-L1 и Т-клеточного рецептора может помочь создавать более точные препараты, подбирать пациентов по биомаркерам и снижать вероятность устойчивости опухоли к лечению.

При этом результаты пока преимущественно основаны на клеточных экспериментах. Прежде чем модифицированные антитела смогут использоваться в клинической практике, потребуется проверить их безопасность, фармакологические свойства и противоопухолевую активность в доклинических моделях, а затем в исследованиях с участием пациентов.

Работа ученых показывает, насколько сложным является распознавание опухоли иммунной системой. Решение об атаке не принимается одним рецептором и не сводится к простому обнаружению чужеродного белка. Оно формируется в результате быстрого объединения множества сигналов, которые возникают в микроскопических точках контакта между клетками.

Изучение этих процессов на нанометровом уровне может изменить подход к разработке иммунотерапии. Чем точнее исследователи понимают момент, когда Т-клетка решает атаковать или отступить, тем больше возможностей появляется для восстановления иммунной реакции против рака и создания более эффективных методов лечения.