Метаболит кишечных бактерий научил Т-клетки дольше бороться с опухолью

Учёные превратили природную молекулу DHB в пероральный нанопрепарат, который усилил противоопухолевую иммунную память у мышей

Иммунотерапии мало снять тормоз — иммунным клеткам ещё нужны силы

Ингибиторы иммунных контрольных точек стали одним из крупнейших достижений современной онкологии. Препараты против PD-1 и других контрольных молекул снимают сигналы, которыми опухоль подавляет иммунный ответ, и позволяют Т-клеткам снова атаковать рак.

Но снять тормоз недостаточно.

При длительной борьбе с опухолью CD8+ Т-клетки — клетки иммунной системы, способные уничтожать поражённые клетки, — могут постепенно переходить в функционально истощённое состояние. Они хуже размножаются, теряют часть противоопухолевой активности и хуже поддерживают продолжительный иммунный ответ.

Поэтому исследователей всё больше интересует другой вопрос: можно ли сохранить резерв Т-клеток, способных обновляться и при необходимости снова давать начало активным противоопухолевым клеткам?

Именно здесь появился кишечный микробиом.

Что искали учёные среди молекул кишечного микробиома

Работа группы из Университета Мичигана, опубликованная в Nature Nanotechnology, выросла из предыдущих исследований связи пищевых волокон, кишечных бактерий и противоопухолевого иммунитета.

Кишечные микроорганизмы постоянно перерабатывают компоненты пищи и производят множество небольших химических соединений — микробных метаболитов. Некоторые из них способны попадать за пределы кишечника и влиять на иммунную систему.

Исследователи проверили несколько таких соединений на Т-клетках. Среди них особенно выделилась 3,4-дигидроксибензойная кислота — DHB, известная также как протокатеховая кислота.

DHB увеличивала долю CD8+ Т-клеток с признаками центральной иммунологической памяти и «стволоподобного» состояния. У таких клеток были повышены маркеры Tcf1, Sca-1 и Foxo1, связанные со способностью сохраняться, обновляться и формировать последующие поколения иммунных клеток.

При этом происходило не просто усиление активности Т-клеток.

Исследователи увидели нечто более интересное: менялся сам режим их энергетического обмена.

Ключ оказался в том, как Т-клетка расходует энергию

Активированная Т-клетка, которая должна быстро делиться и атаковать цель, интенсивно использует гликолиз — процесс переработки глюкозы для обеспечения клетки энергией и строительным материалом.

Это полезно для немедленной атаки. Но длительная противоопухолевая защита требует и другого типа клеток — менее терминально дифференцированных, способных сохраняться и снова размножаться в будущем.

DHB подавляла гликолиз в CD8+ Т-клетках. Метаболический анализ показал снижение ряда промежуточных продуктов этого пути, а измерения клеточного обмена подтвердили уменьшение гликолитической активности.

Проще говоря, DHB не заставляла иммунные клетки «жать на газ».

Она, наоборот, переводила часть из них из режима немедленного максимального расхода ресурсов в более спокойное состояние, характерное для клеток памяти.

И это принципиальное различие.

Вот где исследование становится особенно интересным

Учёные проследили цепочку изменений глубже.

DHB взаимодействовала с восстановленным глутатионом — GSH, одной из ключевых молекул, поддерживающих внутриклеточный окислительно-восстановительный баланс. В обработанных DHB Т-клетках уровень GSH резко снижался, а масс-спектрометрия показала образование комплекса DHB–GSH.

Дальше менялась работа сигнальной цепи Akt–mTORC1–Myc.

Эта система тесно связана с тем, насколько активно клетка растёт, перерабатывает питательные вещества и использует гликолиз. После воздействия DHB активность Akt и mTOR снижалась, уменьшалась экспрессия Myc — важного регулятора метаболической активности.

В результате гликолиз ослабевал, а Т-клетки чаще сохраняли признаки долгоживущего, менее дифференцированного состояния.

Дополнительные эксперименты поддержали эту модель: отдельное подавление гликолиза или некоторых звеньев той же сигнальной системы тоже способствовало формированию Т-клеток памяти.

Это и есть главный «момент осознания» исследования: потенциально усилить противоопухолевый иммунитет можно не только дополнительной активацией иммунных клеток. Иногда полезнее сохранить клетки, которые ещё не израсходовали свой функциональный ресурс.

Генетические данные подтвердили метаболическое переключение

Авторы не ограничились анализом поверхностных маркеров клеток.

С помощью секвенирования РНК они обнаружили усиление экспрессии генов, связанных с более ранним, стволоподобным состоянием Т-клеток, включая Tcf7, Sell и Ccr7.

Исследование доступности хроматина также показало изменения в регуляторных областях генома, соответствующие этой программе.

Иными словами, речь шла не только о временном изменении нескольких белков. DHB сопровождалась более широким метаболическим и эпигенетическим перепрограммированием Т-клеток в сторону состояния, способного поддерживать продолжительный иммунный ответ.

Но обнаружить работающую молекулу оказалось только половиной задачи.

Природная молекула оказалась плохим лекарством

DHB хорошо работала в клеточных экспериментах, но обладала типичной проблемой многих природных метаболитов: она плохо подходила для системной доставки.

Молекула гидрофильна, быстро выводится и после приёма внутрь имеет низкую биодоступность. В одном из подкожных вариантов опухолевой модели обычная пероральная DHB не смогла заметно усилить анти-PD-1 терапию, хотя введение непосредственно в опухоль показало эффект.

Это важная деталь исследования.

Она показывает разницу между обнаружением биологически активной молекулы и созданием лекарства. Соединение может прекрасно работать с клетками в лаборатории и почти не работать как препарат, если организм слишком быстро его разрушает или выводит.

Поэтому исследователи занялись фармацевтической инженерией.

Из метаболита сделали пролекарство

Команда синтезировала несколько производных DHB и создала для них пероральную наноэмульсию. Лучший вариант получил рабочее название Prodrug 201.

Пролекарство — это химически модифицированная форма активного вещества, рассчитанная на то, чтобы улучшить его доставку, всасывание или распределение, а затем превратиться в организме в активное соединение.

В исследованиях фармакокинетики на крысах разница оказалась значительной.

После обычной DHB период полувыведения из плазмы составлял около 0,4 часа. У Prodrug 201 он увеличился примерно до 4,1 часа. Площадь под фармакокинетической кривой — показатель общей экспозиции вещества в организме — выросла примерно в 14 раз, а рассчитанная пероральная биодоступность была почти в десять раз выше, чем у свободной DHB.

То есть наноформуляция не просто «упаковала» полезный метаболит. Она решила одну из главных причин, по которой исходная молекула плохо работала как системный препарат.

Что произошло с опухолями у мышей

Prodrug 201 исследовали вместе с антителами против PD-1 в нескольких моделях рака у мышей, включая колоректальный рак, меланому, плоскоклеточную карциному и модель рака молочной железы.

В ряде экспериментов комбинация подавляла рост опухолей сильнее, чем анти-PD-1 терапия сама по себе.

Особенно важно, что исследователи обнаружили увеличение числа опухоль-специфичных CD8+ Т-клеток с признаками памяти и стволоподобного состояния как в опухолевом микроокружении, так и в лимфатических узлах.

Когда CD8+ Т-клетки экспериментально удаляли, противоопухолевый эффект комбинации исчезал. Это стало дополнительным аргументом в пользу того, что именно эти клетки были важным механизмом действия терапии.

У части животных удалось проследить и более долгий эффект. Мыши, избавившиеся от опухоли после комбинированного лечения в модели CT26, при повторном введении тех же опухолевых клеток через 90 дней оказались устойчивы к повторному росту опухоли.

Это соответствует формированию длительной противоопухолевой иммунной памяти.

DHB заинтересовала исследователей и в клеточной терапии

Авторы проверили идею не только с ингибиторами контрольных точек.

Т-клетки, предварительно обработанные DHB вне организма, приобретали больше признаков долгоживущих клеток памяти. После переноса мышам такие клетки лучше проникали в опухоль и эффективнее тормозили её рост, чем контрольные Т-клетки.

В одной из моделей меланомы полный регресс опухоли наблюдался у 2 из 10 животных после переноса обработанных DHB Т-клеток, тогда как контрольный перенос не замедлял рост опухоли.

Авторы также показали усиление экспериментальной адоптивной Т-клеточной терапии при использовании перорального Prodrug 201.

Это расширяет значение работы: DHB рассматривается не как самостоятельное средство уничтожения опухоли, а как потенциальный инструмент управления состоянием противоопухолевых Т-клеток.

Это не означает, что клетчатка стала средством лечения рака

Здесь особенно важно не сделать привлекательный, но неверный вывод.

Исследование не показало, что употребление большего количества клетчатки лечит рак или способно заменить противоопухолевую терапию.

Авторы начали с метаболита, связанного с кишечным микробиомом, но для получения системного терапевтического эффекта им пришлось химически модифицировать DHB и создать специальную лекарственную наноэмульсию.

Это уже фармакологическая технология, а не диетическое вмешательство.

Поэтому из результатов нельзя определить, какое количество пищевых волокон могло бы создать сопоставимую концентрацию DHB в организме человека — и возможно ли это вообще.

Главный вопрос теперь — сработает ли механизм у человека

Все ключевые терапевтические результаты этой работы получены на клетках и животных. Клинических данных у пациентов нет.

Мышиные модели позволяют исследовать механизм и сравнивать варианты лечения, но не гарантируют такой же эффективности или безопасности у людей. Неизвестны оптимальная человеческая доза, фармакокинетика, возможные побочные эффекты длительного вмешательства в метаболизм Т-клеток и то, какие опухоли потенциально окажутся наиболее чувствительными.

Есть и ещё одна важная деталь: авторы сообщили о патентных заявках на пероральные препараты на основе микробных метаболитов для усиления ингибиторов контрольных точек. Несколько исследователей указаны как изобретатели, а руководитель работы Джеймс Мун сообщил о финансовых интересах в биотехнологических компаниях. Это не отменяет результатов исследования, но относится к информации, которую необходимо учитывать при оценке потенциальной трансляции технологии.

Следующий решающий этап — переход от убедительной биологии у мышей к исследованиям безопасности и эффективности у людей.

И только после этого станет понятно, превратится ли DHB из интересного продукта взаимодействия микробиома и иммунной системы в реальный компонент противоопухолевой терапии.