Иммунитет защищает организм от чужеродных микробов и молекул – таков традиционный взгляд. Однако иммунная система также реагирует на изменения в саморегуляции и нарушение целостности органов и тканей – она обнаруживает потенциальную опасность и включает защитные механизмы.

Раковые клетки и клетки, трансформированные чужеродными патогенами (например, вирусом папилломы человека, вирусами гепатита В и C, вирусом Эпштейна-Барра, человеческим Т-лимфотропным вирусом I, герпес-вирусом, ассоциированным с саркомой Капоши, и Helicobacter pylori), генетически отличаются от нормальных клеток и, подобно инфицированным вирусом клеткам, излучают сигналы, на которые реагирует иммунная система. Эти сигналы называются молекулярными паттернами, связанными с повреждением (DAMP). Они способствуют установлению продуктивного и длительного иммунного ответа, который позволяет уничтожать инфицированные вирусом клетки, поскольку они экспрессируют кодируемые вирусом белки, и опухолевые клетки, поскольку они экспрессируют ассоциированные с опухолью антигены – TAA. Противовирусные и противоопухолевые иммунные ответы имеют общие DAMP, среди которых интерфероны I типа.

Интерфероны (IFN, ИФН) – сигнальные молекулы, которые вырабатываются и воспринимаются почти всеми типами клеток в организме. Интерфероны – звено, соединяющее врожденный и приобретенный иммунитет.

По общим биологическим свойствам, клеточному источнику, генетической структуре и рецептору, через который они передают сигнал, ИФН делятся на три семейства: Тип-I, Тип-II и Тип-III. У людей ИФН I типа состоят из 13 белков-цитокинов ИФН-α, одного ИФН-β и нескольких еще не охарактеризованных продуктов одного гена (ИФН-ε, ИФН-τ, ИФН-κ, ИФН-ω, ИФН-δ и ИФН-ζ).

Почти все клетки в организме могут продуцировать ИФН I типа после распознавания патоген-ассоциированных молекулярных структур (PAMP) – чужеродных и собственных нуклеиновых и ненуклеиновых кислот. Клетка распознает PAMP с помощью рецепторов распознавания образов (PRR).  ИФН-I связывается с рецептором интерферона IFNAR и запускает транскрипцию нескольких сотен ИФН-стимулированных генов (ISG), которые управляют иммунным клеточным ответом.

Во время инфекционных и раковых заболеваний продукция сигнальных молекул ИФН-I жестко регулируется. Это гарантирует, что сила и продолжительность иммунного ответа будут эффективными, но не вызовут повреждения тканей и аутоиммунные реакции из-за чрезмерной длительной передачи сигналов. Каждый из подтипов ИФН-I индуцирует уникальный и частично перекрывающийся набор ISG, способных действовать на разных этапах жизненного цикла вируса и рака.

Интерферон I типа при раке

ИФН-I может оказывать как анти-, так и про-онкогенное действие, действуя непосредственно на опухолевые клетки и косвенно на иммунные инфильтрирующие клетки.

Внутренние эффекты: ИФН I типа воздействует на раковые клетки

Внутренняя эффективность ИФН I типа для раковых клеток зависит от специфических клеточных эффектов, таких как подавление роста, запуск апоптоза (клеточной гибели), дифференцировка, миграция, изменение экспрессии ассоциированных с опухолью антигенов (TAA) на поверхности клетки и стимулирование эпителиально-мезенхимального перехода.

ИФН-I влияет на разные фазы митотического клеточного цикла – процессы от образования клетки до ее деления. G1 – фаза митотического цикла, во время которой клетка увеличивается в размерах и синтезирует МРНк и белок, которые нужны для синтеза ДНК. Следующая за ней – S-фаза, во время которой клетка удваивает хромосомы и центросомы. Чаще всего ИФН-I блокирует клеточный цикл в фазе G1.

Роль ИФН типа I в подавлении роста опухоли. Исследования показали:

  • Обработка in vitro клеточных линий рака молочной железы человека экзогенными неочищенными препаратами ИФН-I имеет прямой антипролиферативный эффект, связанный с удлинением клеточного цикла.
  • ИФН-α ингибирует рост клеток рака предстательной железы человека и мышиных макрофагов, задерживая переход от фазы G1 к фазе S за счет повышенной экспрессии ингибитора циклин-зависимой киназы (CDKN)1A, наиболее известного как p21.
  • ИФН-I индуцируют другие ингибиторы CDK, включая CDKN1B и CDKN2B (наиболее известные как p27 и p15 соответственно), повышенная регуляция которых приводит к блокаде клеточного цикла в фазе G1.
  • В клетках рака толстой кишки человека антипролиферативное действие ИФН-I основывается на p21-зависимом продлении S-фазы, а не на блокаде клеточного цикла в фазе G1.

Противоположные экспериментальные данные показывают, что ИФН-I могут либо вызывать гибель опухолевых клеток, либо защищать раковые клетки от химически индуцированной клеточной гибели – апоптоза. Это несоответствие может быть связано со степенью клеточной дифференцировки, факторами, связанными с опухолью, и различиями в микроокружении опухоли.

Введение ИФН I типа регулирует два основных апоптотических ответа: внешний путь или путь, опосредованный рецептором смерти, и внутренний или митохондриальный путь. Внешний путь требует активации рецепторов клеточной гибели, тогда как внутренний путь требует высвобождения факторов апоптоза из митохондрий.

ИФН-β усиливает экспрессию человеческого лейкоцитарного антигена (HLA) I класса и регулирует антигенный ландшафт культивируемых клеток меланомы. ИФН-β одновременно увеличивает TAA и HLA I класса, таким образом, улучшая иммунное распознавание и цитотоксическое уничтожение опухолевых мишеней соответственно.

Эпителиально-мезенхимальный переход (EMT) – это процесс, при котором эпителиальные клетки теряют свою поляризацию и межклеточные контакты и изменяют форму, становясь похожими на клетки соединительной ткани. Раковые клетки, претерпевшие EMT, способны мигрировать в другие органы и ткани, что ведет к метастазированию опухоли. Такие клетки обретают свойство стволовости – способности к самообновлению и делению – и устойчивость к лекарствам. Раковые стволовые клетки – движущая сила рецидива опухоли.

Роль ИФН I типа в стимулировании роста опухоли. Исследования показали:

  • ИФН-α-индуцируемый белок 27 способствует эпителиально-мезенхимальному переходу и ведет к возникновению рака яичников. В данном исследовании этот феномен привел к появлению лекарственно-устойчивых клеток с фенотипом раковых стволовых клеток.
  • Передача сигналов ИФН-I вносит потенциальный вклад в генерацию и / или поддержание раковых стволовых клеток. ИФН-α влияет на миграцию и инвазию клеток аденокарциномы протока поджелудочной железы посредством активации специфических маркеров раковых стволовых клеток, таких как CD24, CD44 и CD133.
  • Стимуляция рецептора распознавания образов TLR3 на соматических клетках вызывает глобальные изменения в экспрессии эпигенетических модификаторов, которые приводят к усиленному ремоделированию хроматина, репрограммированию ядер, пластичности клеток, плюрипотентности, трансдифференцировке и даже злокачественной трансформации. Толл-подобные рецепторы (TLR) сильно экспрессируются в раковых клетках и связаны с плохим прогнозом. Эксперименты на клетках рака груди показали, что стимуляция TLR3 одновременной передачей сигналов NF-κB и β-catenin способствует обогащению субпопуляции клеток фенотипом раковых стволовых клеток.
  • В гемопоэтических стволовых клетках и клетках-предшественниках хроническая стимуляция ИФН-I приводила к потере состояния покоя и клеточной дисфункции. Это происходило из-за накопления активных форм кислорода под влиянием ИФН-I.
  • В раковых клетках ИФН-I активировал белок PD-L1 – лиганд запрограммированной смерти. PD-L1 представляет собой молекулу клеточной поверхности, которую экспрессирует большинство опухолевых клеток. Эта молекула вызывает сигналы, которые подавляют цитотоксические Т-лимфоциты, истощая их и, таким образом, играет важную роль в уклонении рака от иммунной системы.

Возникает соблазн предположить, что устойчивый терапевтический ответ может зависеть от комбинации терапии интерфероном I типа или терапии, индуцирующей ИФН I типа, с антителами, нацеленными на ось PD1-PD-L1. Ученые продемонстрировали, что вирус онколитического везикулярного стоматита, сконструированный для постоянной экспрессии ИФН-β, обладал значительной противолейкозной активностью, которая дополнительно усиливалась при сочетании с антителом против PD-L1.

Внешние эффекты: ИФН I типа воздействует на уничтожающие опухоль иммунные клетки

Помимо прямого воздействия на раковые клетки, ИФН-I оказывают внешнее воздействие на опухоли, регулируя иммунный ответ и подавляя процесс образования новых кровеносных сосудов (ангиогенез). Замедление ангиогенеза происходит из-за подавления экспрессии фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), а также нарушения пролиферации и миграции эндотелиальных клеток.

Хотя иммунная система играет важную роль в сдерживании развития рака, она также может способствовать возникновению опухолей, которые не контролируются иммунной системой. Согласно модели иммунного редактирования, злокачественные клетки, первоначально контролируемые средствами иммунного надзора, могут вырасти в клинически выраженные опухоли при условии, что:

  • они перестают экспрессировать белки, которые делают их узнаваемыми для клеток иммунной системы (иммунный отбор);
  • они активно противодействуют иммунным реакциям (иммунное подавление).

Иммуноредактирование рака – это процесс, при котором иммунная система защищает организм от развития опухоли и способствует росту опухолей с пониженной иммуногенностью, то есть способностью  чужеродного вещества вызывать иммунный ответ. Иммуноредактирование рака состоит из трех этапов:

  1. на ранней стадии злокачественные клетки распознаются и уничтожаются иммунными эффекторными клетками (устранение);
  2. на более поздней стадии маленькие опухоли все еще сдерживаются все менее эффективными иммунными реакциями (равновесие);
  3. наконец, неопластические клетки теряют свои антигенные свойства или создают мощные иммуносупрессивные сети, таким образом, избегая любого контроля (бегство).

Интерфероны I типа участвуют во всех трех фазах. Эндогенно продуцируемые ИФН-I необходимы у иммунокомпетентных мышей для отторжения высокоиммуногенных сарком, вызванных воздействием канцерогена 3-метилхолантрена (MCA), и предотвращения роста первичных опухолей, вызванных канцерогенами. Несколько MCA-индуцированных сарком от мышей без рецептора интерферона I типа (Ifnar1-/-) отторгались Т-клеточно-зависимым образом у мышей дикого типа. Это позволяет предположить, что опухоли, возникающие при отсутствии ответа на ИФН-I, более иммуногенны, чем опухоли, растущие в организмах с IFNAR.

Интерфероны I типа могут стимулировать внешние противоопухолевые эффекты. При введении смешанных препаратов ИФН мышам с лимфоцитарным лейкозом показатели выживаемости повышались независимо от того, были ли сами опухолевые клетки изначально чувствительны к антипролиферативному действию этих препаратов ИФН.

Исследования на мышах и людях раскрыли множество механизмов, с помощью которых ИФН-I действуют на иммунные клетки, вызывая сильный противоопухолевый ответ:

  • Высокометастатические клетки лейкемии Френда, генетически модифицированные для секреции ИФН-α1, демонстрируют заметную потерю своего канцерогенного потенциала при введении иммунокомпетентным мышам, а также подавляют рост метастатических родительских клеток в анализах трансплантации, главным образом с помощью CD8+ цитотоксических T-лимфоцитов.
  • ИФН-α индуцировали дифференцировку / активацию дендритных клеток у мышей и людей и стимулировали создание новых иммунотерапевтических режимов. Дендритные клетки – посредники между врожденным и приобретенным иммунитетом. Они участвуют в процессе презентации антигена – представляют чужеродные молекулы T-лимфоцитам, чтобы запустить иммунный ответ.
  • ИФН-I объединяет врожденный и приобретенный иммунитет.  ИФН-I стимулирует  продукцию различных цитокинов (TNF, IL-1, IL-6, IL-8, IL-12 и IL-18) макрофагами. ИФН-I улучшает удержание дендритными клетками TAA и перекрестную презентацию антигенов. Перекрестная презентация позволяет дендритным клеткам активировать CD8+ цитотоксические Т-лимфоциты для иммунной защиты от вирусов и опухолей, которые не поражают дендритные клетки. ИФН-I стимулирует антителозависимую клеточную цитотоксичность в отношении установленных микрометастазов печени мышиной меланомы B16. ИФН-I играют важную роль в развитии и дифференцировке подмножества T-хелперов Th1, которые активируют макрофаги, а также в генерации, активности, экспансии и долгосрочном выживании цитотоксических T-лимфоцитов. ИФН-I также ответственны за противоопухолевую активность NK-клеток, которые предотвращают рост опухоли.

Роль ИФН-I в иммунометаболизме – взаимодействии между иммунологическими и метаболическими процессами:

  • Передача сигналов, следующая за активацией рецептора распознавания образов (PRR), запускает изменения в метаболизме дендритных клеток и макрофагов. Эти изменения определяют функции этих клеток. Потребности клеток в липидах достигаются за счет комбинации программ биосинтеза и импорта. После активации TLR3 в макрофагах ИФН-I индуцировал сдвиг в балансе липидного метаболизма от синтеза холестерина и жирных кислот в пользу поглощения экзогенных липидов. Такого метаболического сдвига в макрофагах было достаточно, чтобы сделать мышей устойчивыми к вирусному заражению.
  • Стимуляция рецептора распознавания образов TLR9 в плазмацитоидных дендритных клетках (pDC) привела к аутокринной передаче сигналов IFNAR (сигналов, воздействующих на ту же самую клетку), что привело к усилению окисления жирных кислот и окислительного фосфорилирования. Эти реакции – ключевые для иммунных функций pDC.
  • Голодание или введение миметиков ограничения калорийности – добавок, имитирующих эффект голодания, – улучшает эффективность иммуногенной химиотерапии, истощая регуляторные T-клети (Treg) из микроокружения опухоли, которые ослабляют противоопухолевый иммунитет. Кратковременное голодание или лечение несколькими химически несвязанными миметиками ограничения калорийности улучшают противораковый иммунный надзор и уменьшают массу опухоли. Примечательно, что ИФН-I подавляет пролиферацию и активность Treg-клеток и других иммуносупрессивных клеток, таких как клетки-супрессоры миелоидного происхождения (MDSC).

Понимание многоуровневого взаимодействия между метаболическими, иммунологическими сетями и сетями интерферона I типа позволит управлять положительными и пагубными иммунными эффектами ИФН-I и изменит способ терапевтического использования оси ИФН-I-IFNAR во время инфекций и рака.

Роль интерферонов I типа в противоопухолевой терапии

После открытия интерферонов наибольший интерес вызвала противовирусная активность ИФН I типа. Однако первое одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США для ИФН-α2 в 1986 г. касалось лечения рака.

Еще до того, как были доступны рекомбинантные ИФН, в нескольких исследованиях, проведенных на пациентах с волосатоклеточным лейкозом и хроническим миелогенным лейкозом, сообщалось о снижении заболеваемости после лечения частично очищенным ИФН-α. Позже в обоих случаях были разработаны более эффективные терапевтические схемы, чем ИФН.

В следующих клинических исследованиях сообщалось о терапевтической эффективности ИФН-α2 – либо в виде немодифицированных рекомбинантных белков, либо в виде пегилированных вариантов. Интерферон-альфа-2 способствовал по крайней мере частичной регрессии гематологических и солидных (с конкретной локализацией) опухолей, включая миеломы, лимфомы, меланомы, саркому Капоши, почечно-клеточные опухоли и карциному мочевого пузыря.

На сегодняшний день ИФН-α2 все еще широко используется в сочетании с интерлейкином-2 (IL-2) в иммунотерапевтических схемах лечения метастатических почечно-клеточных карцином и кожной меланомы. В настоящее время во всем мире проводится более 100 клинических испытаний с использованием ИФН-α2 в качестве монотерапии или в комбинированных схемах как для гематологических, так и для солидных злокачественных новообразований.

Традиционная химиотерапия, лучевая терапия и иммунотерапия, включая онколитическую виротерапию, – особенно эффективны, если они вызывают нацеленные на опухоль иммунные ответы. Текущее мнение состоит в том, что терапевтические агенты должны вызывать комбинацию стрессовых сигналов, которые обычно связаны с вирусной инфекцией, такие как сигналы ИФН I типа.

ИФН-I участвует в иммуногенной гибели клеток, что является отличительной чертой успешной химиотерапии. Лечение различных типов опухолей (фибросаркомы MCA205 и карциномы молочной железы AT3) антрациклинами или оксалиплатином приводит к быстрой выработке ИФН-I, имитируя иммунные реакции, вызываемые вирусами. Механизм ИФН-I-опосредованной иммуногенной гибели клеток:

  1. Пораженные умирающие раковые клетки выделяют собственные нуклеиновые кислоты (особенно одноцепочечные РНК) в микроокружение опухоли. Эти нуклеиновые кислоты воспринимаются рецептором распознавания образов TLR3 на окружающих здоровых клетках.
  2. Высвобожденные интерфероны I типа соединяют врожденный и приобретенный противовирусный иммунитет через специфическую сигнатуру ISG. Это имеет решающее значение для рекрутинга, отбора и дифференцировки / созревания поглощающих клеток, что определяет иммуногенную гибель раковых клеток.

Это подтверждается тем, что эффективность антрациклинов теряется при совместном введении нейтрализующих антител против IFNAR или против ИФН-α / β.

В предыдущих исследованиях ИФН-I были описаны как решающие медиаторы нецелевых иммуномодулирующих эффектов циклофосфамида – агента, который запускает иммуногенную гибель раковых клеток и отвечает за расширение памяти Т-клеток CD4 + и CD8 +, а также дендритных клеток. У пациентов с гематологическими злокачественными новообразованиями введение высоких доз циклофосфамида запускало повреждение ДНК и гибель опухолевых клеток и приводило к экспрессии ИФН-I. Это способствовало установлению системной стерильной воспалительной реакции, характеризующейся высвобождением эндогенных сигналов, способных повысить эффективность иммунотерапии.

Как и химиотерапия, лучевая терапия увеличивает уровни ИФН-I и белка CXCL10 с противоопухолевой активностью в микроокружении опухоли. CXCL10 способствует уничтожению опухоли CD8+ Т-клетками. ИФН-I усиливает противоопухолевую активность антител, специфичных к онкогенным рецепторам, мобилизуя дендритные клетки для перекрестного представления TAA цитотоксическим T-лимфоцитам.

Однако, несмотря на то, что эти наблюдения убедительно подтверждают противоопухолевые и иммуностимулирующие эффекты ИФН-I, также сообщается о пагубной роли интерферонов в стимуляции роста опухоли. Как сообщалось выше, ИФН-I активируют PD-L1 в опухолевых клетках, что может привести к истощению Т-клеток.

Основной целью исследований противоопухолевого иммунитета остается выявление множества молекулярных сетей, активируемых ИФН-I. Когда и какими путями ИФН-I противодействуют или способствуют росту опухоли – на этот вопрос предстоит ответить в дальнейших исследованиях.

Выводы и перспективы

Интерфероны I типа играют важную роль в иммунном надзоре за раком и в борьбе с опухолевыми клетками. ИФН-I могут продуцироваться как злокачественными, так и иммунными клетками и действовать на них, вызывая иммунные ответы с помощью внутренних и внешних средств опухолевых клеток.

ИФН-I, продуцируемые естественным путем, вводимые экзогенно или индуцируемые химиотерапией, радиотерапией или онколитической виротерапией, оказывают все биологические эффекты через действие ISG. Попытки расшифровать специфические функции отдельных ISG во взаимодействии между раковыми и иммунными клетками смогут помочь в достижении терапевтической эффективности ИФН и выявить прогностические биомаркеры иммунного ответа.

Принимая во внимание двойственную роль ИФН I типа в сдерживании и стимулировании роста опухоли, будет важно понять, какой подтип ИФН I типа, в какой момент времени и через какие механизмы теряет противораковую эффективность и начинает подавлять иммунитет и стимулировать образование раковых стволовых клеток.

Источник

Type-I-interferons in infection and cancer: Unanticipated dynamics with therapeutic implications