Как иммунитет превращает железо в оружие против раковых клеток

Учёные обнаружили, что белок перфорин способен уничтожать опухолевые клетки без помощи основных ферментов-убийц. Новый механизм может помочь объяснить эффективность иммунотерапии

Раковая клетка может погибнуть не непосредственно от атаки иммунитета, а в результате попытки устранить нанесённое повреждение. Именно такую неожиданную последовательность событий обнаружила международная группа исследователей под руководством специалистов Мичиганского университета.

В центре открытия оказался перфорин — белок, который десятилетиями считался преимущественно средством доставки других молекул, уничтожающих клетки. Теперь выяснилось, что у него есть самостоятельный механизм действия, использующий одну из важнейших особенностей клеточного обмена веществ — способность поглощать железо.

Перфорин без гранзимов — почему открытие удивило учёных

Иммунная система располагает специализированными клетками, способными распознавать и уничтожать опасные клетки организма. Среди них особую роль играют цитотоксические CD8+ T-лимфоциты и NK-клетки (естественные киллеры).

Традиционная модель их работы выглядит следующим образом.

Обнаружив потенциально опасную клетку, иммунный лимфоцит выделяет перфорин. Этот белок образует небольшие отверстия в клеточной мембране, через которые внутрь могут проникать гранзимы — ферменты, запускающие процессы клеточной гибели.

Один из таких процессов называется апоптозом. Это регулируемая программа уничтожения клетки, при которой её содержимое постепенно разбирается и удаляется без немедленного разрушения внешней оболочки.

Перфорину в этой модели отводилась главным образом роль проводника. Он открывал путь гранзимам, которые выполняли основную разрушительную работу.

Однако предыдущие эксперименты показывали, что иммунные клетки способны сохранять противоопухолевую активность даже при отсутствии двух важнейших гранзимов — A и B.

Почему это происходит, оставалось не вполне понятно.

Чтобы разобраться, исследователи сравнили работу иммунных клеток с различными генетическими нарушениями. Одни клетки не могли производить определённые гранзимы, другие были лишены функционального перфорина.

Результаты оказались принципиально разными.

При отсутствии гранзима B NK-клетки сохраняли способность уничтожать исследованные опухолевые клетки. Но потеря перфорина резко снижала их цитотоксическую активность.

Аналогичная закономерность проявилась в экспериментах на мышах. В четырёх опухолевых моделях отсутствие перфорина приводило к более выраженному росту опухолей, чем отсутствие гранзимов A и B.

Это указывало на существование ещё одного механизма, в котором перфорин участвует не только как средство доставки ферментов.

Как перфорин запускает ферроптоз в раковой клетке

Чтобы понять новый механизм, необходимо вспомнить о ферроптозе.

Ферроптоз — особая форма регулируемой клеточной гибели, зависящая от железа и окисления липидов. Липиды представляют собой жировые молекулы, из которых, в частности, построены клеточные мембраны.

Когда определённые мембранные липиды подвергаются чрезмерному окислению, образуются токсичные продукты. Если защитные антиоксидантные системы клетки не справляются с повреждением, мембраны теряют свои функции и клетка погибает.

В отличие от апоптоза, ферроптоз связан прежде всего с нарушением химической устойчивости мембран.

Исследователи обнаружили, что перфорин способен самостоятельно запускать именно этот процесс.

Причём наиболее интересным оказался способ, которым он заставляет опухолевую клетку накапливать железо.

Опухолевая клетка пытается защититься — и приближает собственную гибель

Когда перфорин образует отверстия в клеточной мембране, клетка пытается восстановить её целостность.

Для этого активируется эндоцитоз — процесс, при котором участки клеточной оболочки втягиваются внутрь, образуя небольшие мембранные пузырьки, называемые эндосомами.

Вместе с повреждёнными участками мембраны внутрь клетки перемещаются и расположенные на её поверхности молекулы.

Среди них находится рецептор трансферрина, известный также как CD71.

Трансферрин — белок, который переносит железо в организме. Связываясь со своим рецептором на поверхности клетки, он обеспечивает поступление железа внутрь.

Именно здесь возникает неожиданный эффект.

Перфорин стимулирует эндоцитоз рецепторов трансферрина, усиливая захват связанного с ним железа. Затем железо переносится внутри клетки, в том числе в митохондрии.

Митохондрии обеспечивают значительную часть энергетического обмена клетки и участвуют во множестве биохимических процессов. Для нормальной работы им необходимо определённое количество железа.

Но его избыток становится опасным.

Исследователи обнаружили, что под действием перфорина увеличивается количество контактов между эндосомами и митохондриями. Это сопровождается накоплением железа в митохондриях, ростом окислительного стресса и повреждением мембранных липидов.

В результате запускается ферроптоз.

Важно, что железо не просто бесконтрольно проникает через отверстия, созданные перфорином.

Эксперименты показали участие активного транспорта и рецепторов трансферрина. Когда исследователи блокировали необходимые этапы поступления железа, гибель опухолевых клеток уменьшалась.

Дополнительным подтверждением стали опыты с веществами, подавляющими ферроптоз. Они защищали исследованные клетки от повреждения перфорином, тогда как ингибиторы некоторых других механизмов клеточной гибели не давали аналогичного результата.

Почему ферроптоз стал важной темой исследований рака

Ферроптоз как отдельную форму регулируемой клеточной гибели описали в 2012 году. С тех пор учёные изучают его возможную роль в нейродегенеративных заболеваниях, повреждении тканей и онкологии.

Особенно важным оказался вопрос о взаимодействии ферроптоза с противоопухолевым иммунитетом.

В 2019 году исследователи из группы Вэйпина Цзоу показали, что активированные T-лимфоциты могут повышать чувствительность опухолевых клеток к ферроптозу.

Тогда ключевую роль отвели интерферону-гамма — сигнальной молекуле, выделяемой иммунными клетками.

Интерферон-гамма подавляет работу системы, обеспечивающей поступление цистина в опухолевую клетку. Цистин необходим для поддержания антиоксидантной защиты, поэтому его недостаток делает клетку более уязвимой к окислительному повреждению.

Новое исследование добавляет к этой картине ещё один механизм.

Перфорин не просто повышает чувствительность опухоли к ферроптозу. Он способен непосредственно инициировать последовательность событий, ведущую к железозависимой клеточной гибели.

При этом оба механизма могут усиливать друг друга: интерферон-гамма ослабляет антиоксидантную защиту, а перфорин способствует накоплению железа.

Это помогает объяснить, почему иммунная система может использовать несколько взаимодополняющих способов уничтожения одной и той же опухолевой клетки.

Почему богатая железом диета замедляла рост опухолей у мышей

Следующий этап исследования был связан с доступностью железа.

Учёные предположили, что увеличение его поступления может усиливать ферроптоз, запускаемый перфорином.

Для проверки мышей переводили на экспериментальную диету с повышенным содержанием железа.

Контрольный рацион содержал 80 частей железа на миллион, тогда как экспериментальный — 3000. Таким образом, концентрация железа в корме была в 37,5 раза выше.

В нескольких опухолевых моделях, включая модели колоректального рака и меланомы, у животных на обогащённом железом рационе наблюдалось уменьшение опухолевой нагрузки.

Но решающим оказалось другое наблюдение.

У мышей, лишённых перфорина, дополнительное железо не обеспечивало такого противоопухолевого эффекта.

Это свидетельствовало, что действие железа зависело не только от его непосредственного влияния на опухолевые клетки, но и от функционирования иммунного механизма с участием перфорина.

Исследователи также проверили сочетание богатого железом рациона с антителами против PD-L1.

Такие антитела относятся к ингибиторам иммунных контрольных точек — лекарствам, которые снимают определённые молекулярные ограничения с противоопухолевого иммунного ответа.

В мышиной модели сочетание анти-PD-L1 и экспериментального рациона дополнительно уменьшало объём опухолей по сравнению с одной иммунотерапией.

Это важное экспериментальное наблюдение, но оно не означает, что добавление железа повысит эффективность лечения людей.

Что обнаружили при анализе пациентов с раком

Для оценки возможного клинического значения нового механизма учёные проанализировали данные пациентов с различными злокачественными опухолями.

В одном из анализов, охватывавшем 7489 пациентов, более высокая экспрессия гена перфорина PRF1 была связана с лучшей общей выживаемостью.

Дополнительные исследования пациентов, получавших ингибиторы иммунных контрольных точек, также выявили связь между уровнем перфорина и результатами лечения.

Особенно интересным оказалось соотношение экспрессии перфорина и гранзимов.

В отдельных группах пациентов относительное преобладание перфорина сопровождалось более благоприятными клиническими показателями.

Эти наблюдения согласуются с лабораторными результатами: противоопухолевая активность иммунных клеток может зависеть не только от гранзимов, но и от самостоятельного действия перфорина.

Однако здесь необходимо различать корреляцию и причинно-следственную связь.

Высокая экспрессия PRF1 может отражать более выраженное присутствие активных цитотоксических лимфоцитов в опухоли. Само по себе такое наблюдение не доказывает, что именно перфорин определяет успешность лечения.

Кроме того, исследователи анализировали уже существующие клинические данные. Они не проводили испытаний, в которых пациентам назначали железо для усиления иммунотерапии.

Поэтому рассматривать уровень перфорина как готовый клинический тест для выбора лечения пока преждевременно.

Почему железо нельзя считать противораковым средством

Наиболее опасным упрощением результатов стало бы утверждение, что увеличение потребления железа помогает бороться с раком.

Железо необходимо не только иммунным клеткам. Опухолевые клетки также используют его для роста, энергетического обмена и синтеза молекул, необходимых для деления.

Более того, некоторые опухоли обладают механизмами, позволяющими эффективно использовать повышенную доступность железа.

Поэтому один и тот же элемент способен участвовать в двух противоположных процессах: поддерживать рост опухоли и способствовать её гибели через ферроптоз.

Какой эффект окажется сильнее, вероятно, зависит от биологии конкретной опухоли, состояния иммунной системы и особенностей обмена железа.

Авторы исследования отдельно подчёркивают необходимость выяснить, в каких условиях дополнительное железо может усиливать противоопухолевый иммунитет, а в каких — создавать благоприятные условия для опухоли.

Есть и другие ограничения.

• Основная часть механистических доказательств получена на клеточных культурах и животных.
• Отдельные эксперименты на мышах включали небольшие группы животных, что требует дальнейшего воспроизведения результатов.
• Использованные экспериментальные концентрации железа нельзя напрямую переносить на рацион человека.

Наконец, пока неизвестно, насколько сильно новый механизм влияет на результаты лечения различных онкологических заболеваний в реальной клинической практике.

Если пациенту с онкологическим заболеванием необходимо лечение железодефицита, решение принимается по медицинским показаниям. Это отдельная задача, которую нельзя смешивать с экспериментальной попытой усиления ферроптоза.

Может ли открытие изменить современную иммунотерапию

Главная ценность исследования заключается не в идее назначения железа, а в более точном понимании способов, которыми иммунная система уничтожает опухолевые клетки.

Современная иммунотерапия способна восстанавливать активность T-лимфоцитов, однако даже активированные иммунные клетки не всегда успешно устраняют опухоль.

Одна из возможных причин — устойчивость раковых клеток к определённым программам клеточной гибели.

Если опухоль научилась противостоять апоптозу, это ещё не означает, что она столь же устойчива к ферроптозу.

Именно поэтому обнаружение дополнительного механизма имеет значение.

В перспективе исследователи могут попытаться определить молекулярные особенности опухолей, наиболее чувствительных к перфорин-зависимому ферроптозу.

Особый интерес представляют рецепторы трансферрина, процессы транспорта железа, состояние митохондрий и способность опухолевых клеток нейтрализовать окислительное повреждение.

Эти характеристики потенциально могут использоваться для разработки новых терапевтических комбинаций или для более точного отбора пациентов.

Но сначала предстоит ответить на несколько фундаментальных вопросов.

Насколько универсален новый механизм для разных опухолей? Как он взаимодействует с гранзимами и другими программами клеточной гибели? Можно ли усилить его преимущественно в опухолевых клетках, не увеличивая повреждение здоровых тканей?

Не менее важно выяснить, какие изменения в обмене железа действительно повышают эффективность иммунотерапии у человека.

Без таких исследований говорить о новом клиническом подходе преждевременно.