PNAS: Клеточный каннибализм помогает в лечении рака

Ученые раскрыли тайну клеточного убийства спустя почти 25 лет после того, как дело замяли. Проследив путь от плодовых мушек до мышей и людей, ученые обнаружили, что клетки-каннибалы, вероятно, вызывают редкий иммунодефицит человека. Теперь это открытие открывает перспективы для усовершенствования перспективного метода лечения рака.

Эта работа ведет нас от фундаментальной клеточной биологии мухи к объяснению человеческой болезни и использованию этих знаний для лечения рака, — говорит Дениз Монтелл из Университета Санта-Барбары.

Каждый из этих шагов кажется важным открытием, но здесь они собраны в одной статье.

Исследователи из лаборатории Монтелл опубликовали свои результаты в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences и теперь изучают механизмы и последствия.

Древний ген

Главный герой этой истории — ген Rac2 и кодируемый им белок. Rac2 — один из трех генов Rac у человека.

Ген Rac очень древний в эволюции, поэтому он должен выполнять фундаментальную функцию, — говорит старший автор исследования Монтелл, профессор Дагган и заслуженный профессор молекулярной, клеточной биологии и биологии развития.

Белки Rac помогают строить строительные леса клетки, называемые цитоскелетом. Цитоскелет состоит из динамических филаментов, которые позволяют клеткам сохранять свою форму или деформироваться в зависимости от необходимости. В 1996 году, изучая небольшую группу клеток в яичнике плодовой мушки, Монтелл определил, что белки Rac играют важную роль в движении клеток. С тех пор стало ясно, что Rac является почти универсальным регулятором клеточной подвижности в животных клетках.

Еще в 90-х годах она заметила, что гиперактивная форма белка Rac1, экспрессируемая всего в нескольких клетках яйцевода мухи, разрушает всю ткань.

Всего лишь экспрессия этого активного Rac в шести-восьми клетках убивает всю ткань, состоящую примерно из 900 клеток, — объясняет ведущий автор исследования Абхинава Мишра, научный сотрудник лаборатории Монтелла.

Почему это произошло? Как это работает? «Это было наше 25-летнее „холодное дело“, — говорит Монтелл.

Несколько лет назад стали появляться доказательства того, что поедание клеток, также известное как каннибализм, способствует разрушению тканей. В нормальном развитии яйца мухи есть этап, когда определенные клетки, похожие на пограничные, поглощают своих соседей, потому что они больше не нужны. Действительно, клеточный каннибализм — не такое уж редкое явление, как можно было бы ожидать: Миллионы старых эритроцитов выводятся из человеческого организма таким образом каждую секунду.

Rac2 — один из компонентов сложного процесса поедания. Rac помогает клетке-пожирателю обхватить свою цель. Команде было интересно, не заставляет ли гиперактивная форма этого белка пограничные клетки преждевременно поглощать своих соседей.

Чтобы это произошло, пограничные клетки должны распознать свою мишень, для чего необходим особый рецептор. И действительно, когда Мишра заблокировал этот рецептор, пограничные клетки, экспрессирующие активированный Rac, не стали поглощать своих соседей, и яйцевая камера осталась живой и здоровой.

Наше 25-летнее «холодное дело» было раскрыто, и это нас очень порадовало, — удивилась Монтелл.

Но это довольно нишевая область развития яиц дрозофилы. Однако в скором времени значение этого явления возросло.

Загадочное иммунное заболевание

Примерно в то время, когда ее лаборатория совершила прорыв, Монтелл узнала об интригующем исследовании, опубликованном в журнале Blood. В этой работе выяснилось, что у трех неродственных людей, страдающих от рецидивирующих инфекций, была обнаружена одна и та же мутация, которая гиперактивирует Rac2, белок Rac, вырабатываемый в клетках крови. Она подозревает, что недавнее открытие, сделанное ее лабораторией на плодовых мушках, может пролить свет на эту загадку.

Мутация у пациентов была лишь слегка активирована, но этого оказалось достаточно, чтобы все они страдали от многочисленных инфекций и в конечном итоге нуждались в пересадке костного мозга. Анализ крови показал, что у этих пациентов практически отсутствовали Т-клетки — специализированный вид белых кровяных телец, играющих важнейшую роль в работе иммунной системы. Команда из Национального института здоровья ввела мутацию Rac2 мышам и обнаружила такую же загадочную потерю Т-клеток. Они также обнаружили, что Т-клетки с гиперактивным Rac нормально развивались в костном мозге животных и мигрировали в тимус, где продолжали созревать без каких-либо инцидентов. Но затем они просто исчезли. В конце статьи осталась загадка: что же стало причиной исчезновения Т-клеток?

Авторы исследования заметили, что у многих пациентов нейтрофилы — еще один тип белых кровяных клеток — были увеличены. Казалось, что они потребляют довольно много материала — необычное поведение для здорового человека.

Монтелл задалась вопросом, не исчезают ли у пациентов Т-клетки потому, что клетки врожденного иммунитета, такие как нейтрофилы с активным Rac2, поедают их, подобно тому как пограничные клетки плодовой мушки с активным Rac поедают яйцевую камеру. Ее команда обратила внимание на макрофаги — более прожорливый аналог нейтрофилов. Мишра культивировал человеческие макрофаги с гиперактивным Rac2 и без него вместе с Т-клетками. Он заметил, что макрофаги с гиперактивным Rac потребляли больше клеток, что подтвердило гипотезу, выдвинутую группой в ходе работы с плодовыми мушками.

Чтобы проверить, может ли это быть причиной наблюдаемого иммунодефицита, соавтор работы Мелани Родригес (аспирантка в лаборатории Монтелла) взяла образцы костного мозга у мышей с той же гиперактивной мутацией Rac2, которая была обнаружена у пациентов. Затем она вырастила стволовые клетки костного мозга в макрофаги и провела эксперимент, аналогичный эксперименту Мишры, но на этот раз смешав макрофаги и Т-клетки с мутацией Rac2 и без нее.

Она обнаружила, что макрофаги с активным Rac2 потребляли значительно больше Т-клеток, чем их нормальные собратья. Однако Т-клетки с активным Rac2 были также более уязвимы к потреблению со стороны макрофагов любого типа. Таким образом, наиболее вероятным объяснением недостатка Т-клеток у пациентов было сочетание повышенного потребления макрофагами и повышенной уязвимости самих Т-клеток. Загадка человеческой медицины была решена на основе фундаментальных наблюдений за плодовыми мушками.

Использование «спящих» клеток

Последствия этих открытий расширились в январе 2020 года, когда соавтор работы Меган Моррисси прошла собеседование на должность преподавателя в UCSB. В своем выступлении она рассказала о программировании макрофагов на поедание раковых клеток в качестве нового метода лечения болезни — подход, названный CAR-M. Моррисси обнаружила, что добавление рецептора CAR к макрофагам способствует такому поведению. Но было также ясно, что если побудить макрофаги есть больше, то подход станет более эффективным — особенно если они будут специально поглощать и убивать целые раковые клетки.

Что ж, если Монтелл и ее лаборатория чему-то и научились, так это тому, как заставить макрофагов есть и убивать целые живые клетки. Поэтому они в сотрудничестве с Моррисси, ныне доцентом кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития, попытались выяснить, повысит ли добавление активированного Rac2 эффективность подхода CAR-M.

Родригес вырастил макрофаги из костного мозга нормальных и мутантных мышей с активированным Rac2. В каждой из этих групп Моррисси экспрессировал либо фиктивный рецептор, либо рецептор CAR, который распознает B-клетки (другой тип белых кровяных клеток). Они обнаружили, что нормальные и гиперактивные Rac-клетки с фиктивными рецепторами не поедали многие мишени В-клеток. Нормальные макрофаги с рецепторами CAR потребляли гораздо больше В-клеток, как ранее показал Моррисси. Однако макрофаги с гиперактивным Rac и рецепторами CAR съели в два раза больше В-клеток, чем группа, состоящая только из рецепторов CAR. Активированный Rac2 также увеличивал количество так называемых «суперпожирателей» — прожорливых макрофагов, которые поедают и убивают множество раковых клеток.

Результаты показали, что для усиления эффекта необходимы и активированный Rac, и рецептор.

Если вы добавите активный Rac без нужного рецептора, он ничего не сделает, — объясняет Монтелл.

Такой уровень контроля — хорошая новость для любых потенциальных методов лечения, потому что это даст врачам возможность сфокусировать атаку модифицированных макрофагов на раковых клетках. Клиницисты надеются, что им не придется беспокоиться о том, что модифицированные клетки будут поедать Т-клетки пациента, поскольку в Т-клетках не будет активной мутации Rac2, делающей их более уязвимыми для этого, как ранее обнаружил Родригес.

В настоящее время существует метод лечения рака под названием CAR-T, который использует рецептор CAR и собственные Т-клетки пациента для атаки и уничтожения раковых опухолей. Оно очень эффективно против некоторых видов рака, но есть много тех, кто не реагирует на него. CAR-M, более новый родственник CAR-T, недавно прошел клинические испытания на людях и пока кажется безопасным. Монтелл и ее группа заинтересованы в использовании CAR-макрофагов, усиленных Rac, для повышения эффективности лечения CAR-M. Они подали предварительный патент на этот метод, который они назвали RaceCAR-M, и приглашают биотехнологические компании к партнерству в дальнейшей разработке этого подхода.

Эта новая многогранная работа поднимает как фундаментальные научные, так и практические вопросы, которые лаборатория уже начала решать. Они выясняют, будет ли этот метод, столь эффективный в лабораторных условиях, работать и на свежесобранных иммунных клетках человека, а также на животных моделях рака — мышах и зебрафишах. Команда также изучает, как Rac2 обеспечивает все это на молекулярном уровне, глубоко внутри клеток.

В дальнейшем Монтелл хочет узнать, против скольких видов рака может успешно применяться лечение RaceCAR-M. Для сравнения, CAR-T был эффективен против таких видов рака, как лейкемия и лимфома, но не против солидных опухолей, таких как рак груди, легких или толстой кишки.

Полученные результаты поразили Монтелл, признанного клеточного биолога, на счету которого более 100 работ. «Это моя самая любимая работа на сегодняшний день», — сказала она.

У нас было 25-летнее «холодное дело» по фруктовым мушкам, и мы его раскрыли, — добавила Монтелл.

И это помогло нам разгадать тайну необъяснимого иммунодефицита человека. А затем мы использовали эти знания для усовершенствования потенциальной иммунотерапии рака.

Загадки следовали одна за другой, и рак оказался ответом на каждую из них.

06.01.2024