Всего 5% клеток могут создать иммунное укрытие для рака поджелудочной

Опухоль оказалась не единой крепостью: небольшие группы клеток перестраивают среду вокруг себя и защищают соседей от иммунной атаки

Рак поджелудочной железы известен парадоксом. Иммунная система способна распознавать опухолевые клетки, а препараты, снимающие торможение с T-клеток, уже изменили лечение многих видов рака. Но при протоковой аденокарциноме поджелудочной железы — PDAC, наиболее распространённом её типе — такая иммунотерапия обычно работает плохо.

Исследование группы из Icahn School of Medicine at Mount Sinai, опубликованное в Nature, предлагает неожиданное объяснение части этой устойчивости.

Дело может быть не только в свойствах всей опухоли.

Иногда достаточно небольшого меньшинства клеток, способного изменить правила жизни для окружающих.

Опухоль — не армия одинаковых клеток

Мы привыкли говорить «опухоль» так, будто это однородная масса. На самом деле внутри одного новообразования соседствуют генетически и функционально разные популяции клеток.

Для исследователей это создаёт важный вопрос: если иммунитет плохо атакует опухоль, значит ли это, что вся опухоль обладает способностью его подавлять?

Или существуют отдельные клетки, которые организуют вокруг себя защищённые территории?

Авторы решили посмотреть на опухоль именно как на карту таких территорий. Для этого они использовали Perturb-map — технологию пространственной функциональной геномики, объединяющую CRISPR-редактирование, молекулярные метки и многопараметрическую визуализацию.

Исследователи могли одновременно видеть, где находятся клетки с определённым генетическим изменением и какие иммунные клетки располагаются рядом.

В первоначальном пространственном анализе было изучено более 4,5 млн опухолевых и иммунных клеток у 20 мышей. Выяснилось нечто принципиально важное: различия в иммунном окружении возникали ещё до того, как отдельные клоны опухолевых клеток начинали доминировать.

Иными словами, некоторые клетки, вероятно, получают преимущество не просто потому, что быстрее размножаются. Сначала они меняют район вокруг себя — а уже затем этот район помогает им выживать и распространяться.

Два гена оказались особенно важными

Среди исследованных факторов выделились два гена — SERPINE1 и SERPINB2.

Первый кодирует белок PAI1, второй — PAI2. Оба относятся к ингибиторам сериновых протеаз и вмешиваются в систему, регулирующую распад фибрина.

Фибрин знаком нам прежде всего по свёртыванию крови. Когда повреждается сосуд, образующаяся фибриновая сеть помогает стабилизировать сгусток. Фибрин также участвует в восстановлении повреждённой ткани.

Но опухоль, похоже, способна использовать этот нормальный механизм заживления в собственных интересах.

PAI1 и PAI2 подавляют активаторы плазминогена — белки, участвующие в образовании плазмина. А плазмин, в свою очередь, помогает разрушать фибрин.

Проще говоря:

меньше разрушения фибрина → больше сохраняющегося фибрина → меняется микроокружение опухоли.

И именно здесь начинается самая интересная часть истории.

Фибрин оказался не просто физической стеной

Плотную внеклеточную среду рака поджелудочной давно рассматривают как одну из причин его устойчивости. Можно представить её как физический барьер, через который иммунным клеткам трудно проникнуть к опухоли.

Новое исследование показывает, что эта картина слишком проста.

Фибрин не просто лежит между клетками. Он способен влиять на то, какие иммунные клетки находятся рядом и как они себя ведут.

В богатых фибрином областях исследователи обнаружили накопление макрофагов.

Макрофаги — клетки врождённой иммунной системы, которые могут выполнять очень разные функции. Они способны поддерживать воспаление и иммунную защиту, но в опухолевой среде часть из них переключается в состояние, благоприятное для опухоли.

Фибрин связывается с интегрином αMβ2, состоящим из CD11b и CD18 и присутствующим на макрофагах. В исследованных опухолях это помогало удерживать макрофаги внутри фибриновых ниш.

Но происходило не только их накопление.

Когда макрофаги выращивали на поверхности, покрытой фибрином, в присутствии среды от клеток рака поджелудочной, у них увеличивалась экспрессия ARG1 и PD-L1 — признаков иммуноподавляющего состояния.

Получается своеобразная цепочка:

SERPINE1 / SERPINB2
→ PAI1 / PAI2
→ сохранение фибрина
→ удержание и перепрограммирование макрофагов
→ подавление противоопухолевой иммунной среды
→ меньше эффективных CD8+ T-клеток рядом с опухолью.

Это уже не просто барьер.

Самое неожиданное — сколько клеток для этого требуется

Здесь исследователи провели особенно показательный эксперимент.

Они взяли опухолевые клетки с выключенным Serpine1, а затем добавили к ним всего 5% обычных клеток, способных производить PAI1.

То есть исходная смесь состояла из 95% Serpine1-дефицитных клеток и лишь 5% клеток с работающим механизмом.

Этого меньшинства оказалось достаточно, чтобы заметно изменить иммунную среду опухоли.

В смешанных опухолях стало больше макрофагов и меньше активированных GZMB+ CD8+ T-клеток. Причём защитный эффект распространялся не только на клетки, производившие PAI1, но и на их соседей.

Есть ещё одна любопытная деталь.

Начав с 5%, клетки с сохранённым Serpine1 к концу эксперимента составляли уже около 17% опухолевых клеток. Это указывает на конкурентное преимущество, которое они получали в такой среде.

Но главный результат даже не в этом.

Чем больше в конкретном участке опухоли было клеток с работающим Serpine1, тем меньше там обнаруживали CD8+ T-клеток. Причём эффект не увеличивался просто пропорционально количеству таких клеток: даже сравнительно небольшого их присутствия уже хватало для выраженного локального подавления иммунитета.

Вот ключевой поворот исследования.

Что произошло, когда защиту убрали

Исследователи по отдельности выключали Serpine1 или Serpinb2 в клетках рака поджелудочной.

В иммунокомпетентных мышах средняя опухолевая нагрузка уменьшалась более чем на 50%.

При этом в опухолях становилось более чем вдвое больше CD8+ T-клеток.

Изменилось и их состояние. При выключении Serpinb2 количество терминально истощённых CD8+ T-клеток снизилось примерно в 3,5 раза, а при выключении Serpine1 — примерно в 1,7 раза. Одновременно увеличивалось количество эффекторных T-клеток, способных непосредственно атаковать опухоль.

Особенно показательно, что в иммунодефицитных мышах картина менялась. Если животные не имели нормального адаптивного иммунитета, потеря этих генов уже не давала опухоли такого преимущества в контроле роста.

Это важный контрольный эксперимент: он показывает, что эффект SERPINE1 и SERPINB2 действительно тесно связан с противоопухолевым иммунитетом, а не просто с непосредственным ускорением деления раковых клеток.

Почему anti-PD-1 почти не работает — и что изменилось в эксперименте

Препараты anti-PD-1 снимают один из молекулярных «тормозов» с T-клеток. Но снять тормоз имеет смысл лишь тогда, когда T-клетки способны добраться до опухоли и сохраняют способность её атаковать.

В контрольной модели рака поджелудочной anti-PD-1 практически не влиял на рост опухоли.

После удаления Serpine1 или Serpinb2 ситуация изменилась.

В одном эксперименте медиана выживаемости мышей при anti-PD-1 составляла 24 дня. При сочетании anti-PD-1 с выключением одного из этих генов она увеличивалась до 47 дней.

Авторы пошли дальше и использовали PAI-039 — экспериментальный ингибитор PAI1.

Комбинация PAI-039 с anti-PD-1 увеличивала выживаемость в двух моделях PDAC, тогда как один anti-PD-1 давал мало пользы.

Похожего результата удалось добиться и другим способом — нарушив взаимодействие фибрина с макрофагами посредством блокирования CD18.

Это важно концептуально: потенциальную защитную цепочку опухоли можно попытаться разорвать на разных уровнях — воздействовать на PAI1, на фибриновую нишу или на взаимодействие фибрина с иммунными клетками.

При чём здесь тромбы

Связь с фибрином делает исследование интересным ещё по одной причине.

Рак поджелудочной железы относится к опухолям с особенно высоким риском венозной тромбоэмболии. Нарушения свёртывания крови у таких пациентов известны давно.

PAI1 тоже связан с системой коагуляции и фибринолиза.

Поэтому один и тот же биологический механизм потенциально соединяет два, на первый взгляд, разных свойства болезни: склонность к тромбозам и способность опухоли формировать иммуноподавляющую среду.

Однако исследование не доказывает, что обнаруженный опухолевый механизм непосредственно является причиной тромбозов у пациентов. Авторы рассматривают эту связь как биологически важное направление для дальнейшего изучения.

Что нашли в опухолях людей

Главные эксперименты по вмешательству в этот механизм проводились на мышах, но исследователи проверили, существует ли похожая пространственная организация у людей.

Она существует.

В независимой группе из 30 образцов человеческого PDAC макрофаги чаще находились рядом с опухолевыми клетками, экспрессирующими PAI1 или PAI2, в богатых фибрином областях.

Кроме того, пространственная транскриптомика 57 образцов человеческого PDAC показала иммуноподавляющие миелоидные микроокружения вокруг областей с экспрессией SERPINE1 и SERPINB2.

А анализ данных одиночных клеток от 71 пациента подтвердил ещё одну важную деталь: эти гены действительно экспрессируются лишь частью опухолевых клеток.

То есть сама идея редких клеток, организующих вокруг себя особую среду, не ограничивается экспериментальной моделью мышей.

Но это ещё не доказательство эффективности лечения людей.

До нового лечения рака поджелудочной ещё далеко

Это исследование объясняет механизм и показывает потенциальные терапевтические мишени. Оно не демонстрирует, что ингибирование PAI1 или вмешательство в систему фибрина уже является эффективным и безопасным лечением пациентов с PDAC.

Терапевтические эксперименты проводились на животных.

Кроме того, сами авторы отмечают несколько ограничений. Их CRISPR-скрининг изучал заранее отобранную группу внеклеточных факторов, а значит, не охватывал все возможные механизмы иммунного уклонения опухоли.

Исследователи также оценивали изменения накопления фибрина и иммунной среды, но непосредственно не измеряли активность фибринолиза и не разделяли вклад двух активаторов плазминогена — tPA и uPA.

Наконец, генетические вмешательства проводились именно в опухолевых клетках. SERPINE1 может производиться и другими клетками опухолевого микроокружения, поэтому реальная система у человека сложнее.

Это особенно важно для любых будущих лекарств: система фибрина нужна организму для нормального гемостаза и восстановления тканей. Вмешательство в неё должно быть не только эффективным против опухоли, но и безопасным.

Исследование меняет сам взгляд на устойчивость опухоли

Обычно устойчивость рака представляют как сумму свойств отдельных злокачественных клеток: мутация позволяет клетке быстрее расти, переживать лекарство или избегать иммунной атаки.

Здесь обнаружена другая стратегия.

Некоторые клетки получают преимущество потому, что способны изменить пространство вокруг себя.

Они используют механизм, предназначенный организмом для заживления повреждений: сохраняют фибриновую матрицу, привлекают и перепрограммируют макрофаги и тем самым создают локальный район, куда противоопухолевым T-клеткам труднее проникнуть и эффективно работать.

И преимуществом пользуются уже не только создавшие эту нишу клетки.

Им пользуются их соседи.

Именно поэтому 5% оказываются биологически гораздо значимее, чем можно было бы предположить по одной только их численности.