Противоопухолевый иммунный ответ и фотодинамическая терапия

Противоопухолевый иммунный ответ и фотодинамическая терапия

Абакушина Е.В., Романко Ю.С., Каплан М.А., Каприн А.Д.

МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиал ФГБУ «ФМИЦ им. П.А. Герцена» Минздрава России, Обнинск

Фотодинамическая терапия (ФДТ) является относительно новой процедурой для лечения рака. Она была предложена в качестве перспективного малоинвазивного терапевтического метода, который использует три основных элемента для индукции клеточной гибели: фотосенсибилизатор, свет определённой длины волны и молекулярный кислород. Сочетание поглощения фотосенсибилизатора опухолевыми тканями и селективной доставки света лазера обеспечивает эффективную терапию, с прямым цитотоксическим эффектом на клетки опухоли и минимальным повреждением здоровых тканей. Фотодинамическая терапия повышает системный противоопухолевый иммунитет и может эффективно стимулировать как врождённый, так и адаптивный иммунитет. Известно, что долгосрочный эффект ФДТ зависит от ин-тактного приобретённого иммунитета. Было показано, что ФДТ запускает высвобождение различных медиаторов, которые участвуют в провоспалительной и острой фазах воспалительных реакций, что приводит к инфильтрации области воздействия большим количеством нейтрофилов, дендритных клеток и лимфоцитов. ФДТ усиливает активность Т-клеток и естественных киллеров. Было продемонстрировано, что опухолевые клетки после воздействия ФДТ становятся более чувствительными к лизису, опосредованному NK-клетками. В обзоре описаны основные механизмы воздействия ФДТ на противоопухолевый иммунный ответ за счёт активации цитотоксических лимфоцитов.

Ключевые слова: фотодинамическая терапия, онкологические заболевания, NK-клетки, рецепторы, молекулы MICA, MHC-подобные молекулы, NKG2D, активация лимфоцитов, противоопухолевый иммунный ответ, противоопухолевая терапия.

Ежегодно во всем мире наблюдается рост уровня заболеваемости злокачественными новообразованиями, а также повышается смертность от данных заболеваний. В то же время наибольшее число пациентов - трудоспособного и социально активного возраста. Данные обстоятельства придают важный социальный оттенок работам, посвящённым усовершенствованию методов лечения этой патологии. Применение стандартных подходов лечения онкологических заболеваний, включающих лучевую и химиотерапию, при малой их эффективности, часто сопровождается развитием нежелательных реакций и осложнений, приводящих, в том числе, к иммунодефицитным состояниям. Результаты исследований последних лет показывают способность опухоли привлекать клетки иммунной системы и создавать в своем микроокружении им-муносупрессивный фон, что препятствует формированию адекватного клеточного иммунного ответа. Таким образом, усовершенствование методов лечения злокачественных новообразований, увеличение их эффективности и безопасности является основной медицинской проблемой в лечении указанной категории больных.

Фотодинамическая терапия (ФДТ) - эффективный органосохраняющий метод лечения различных злокачественных новообразований, особенно при неблагоприятной локализации процесса и в тех случаях, когда возможности традиционных методов лечения ограничены. Установлено, что полная резорбция опухоли может быть достигнута при однократном или поэтапном воздействии без развития побочных эффектов, с максимальным сохранением жизнеспособности окружающих здоровых тканей [1, 2].

Абакушина Е.В.* - ст. научн. сотр., к.м.н.; Романко Ю.С. - зав. отд., д.м.н.; Каплан М.А. - зав. отд., проф., д.м.н.; Каприн А.Д. - ген. директор ФГБУ «ФМИЦ им. П.А. Герцена» Минздрава России, чл.-корр. РАН, проф., д.м.н. МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиал ФГБУ «ФМИЦ им. П.А. Герцена» Минздрава России.

•Контакты: 249036, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, 4. Тел.: +7 (484) 392-96-04, e-mail: abakushina@mail.ru.

Фотодинамическая терапия была одобрена для лечения раннего и позднего эндобронхи-ального немелкоклеточного рака лёгких и паллиативного лечения рака пищевода у пациентов, которым операция и радиотерапия противопоказаны. Кроме того, различные варианты ФДТ используют при лечении новообразований желудочно-кишечного тракта, таких как рак желудка, рак двенадцатиперстной кишки, желчного пузыря, поджелудочной железы и колоректального рака [2]. Показано, что ФДТ расширяет возможности оказания паллиативной медицинской помощи больным с часто рецидивирующим течением заболевания, так как обладает преимуществом повторного и многократного проведения облучения без рисков развития местных и системных осложнений. Эффективным лечением может стать сочетание ФДТ с лучевой терапией, химиотерапией и/или иммунотерапией. В настоящее время рассматриваются три основных механизма противоопухолевого действия ФДТ: прямое повреждающее воздействие на опухолевые клетки, нарушение сосудов опухоли, элиминация злокачественных клеток за счёт цитоток-сического действия клеток иммунной системы. Разрушение клеток и эндотелия сосудов опухоли служит пусковым фактором развития иммунных реакций. Фотоокислительные нарушения индуцируют выделение медиаторов, провоцирующих местную воспалительную реакцию. Следствием этих процессов является окклюзия сосудов опухоли и индуцированная цитотоксическая активность клеток-киллеров в отношении опухолевых клеток. Реактивные формы кислорода (РФК), образующиеся во время ФДТ, как известно, приводят к удалению опухолей за счёт многофакторных механизмов. РФК способны непосредственно убивать опухолевые клетки за счёт индукции некроза и /или апоптоза, вызывать разрушение сосудов опухоли и индуцировать острую воспалительную реакцию за счёт привлечения дендритных клеток и нейтрофилов [3-5]. В частности, достигнуты значительные успехи в понимании механизма воздействия ФДТ на иммунную систему и противоопухолевый иммунный ответ. Исследования последних лет показали, что действие ФДТ может приводить к системной нейтрофилии, индукции белков острой фазы, увеличению уровня циркулирующих компонентов системы комплемента и высвобождению про-воспалительных цитокинов. Все эти изменения указывают на наличие системного воспалительного процесса и активацию различных звеньев иммунитета [2].

Существует предположение о том, что В-лимфоциты, цитотоксические Т-лимфоциты и NK-клетки (natural killer cells) также активируются после локальной и системной ФДТ и играют важную роль в противоопухолевом иммунном ответе. Кроме того, было показано, что NK-клеточная адаптивная (от англ. adopt - принимать) иммунотерапия является весьма эффективным адъювантом при фотодинамическом лечении злокачественных опухолей EMT6 у иммуно-компетентных сингенных мышей BALB/c [2, 6]. Однако роль NK-клеток при ФДТ не до конца понятна. Хорошо известно, что NK-клетки являются важными эффекторами врождённого иммунитета и участвуют в лизисе инфицированных вирусом и опухолевых клеток, у которых отсутствует поверхностная экспрессия молекул главного комплекса гистосовместимости 1 класса (МНС-I - major histocompatibility complex class I). Они обладают естественной цитолитической активностью, способны продуцировать цитокины и хемокины. Натуральные киллеры содержат азуро-фильные гранулы, в состав которых входят перфорин, гранзимы, гранулизины и другие компоненты, с помощью которых они осуществляют контактный цитолиз. На разных стадиях развития NK-клетки экспрессируют множество рецепторов и поверхностных маркеров, характерных для клеток как миелоидного, так и лимфоидного происхождения, формируя гетерогенную смесь разнообразных субпопуляций. Однако натуральные киллеры не обладают антиген-

специфическими рецепторами, подобно тем, которые экспонируют Т- и В-клетки [7]. NK-клетки широко распространены в организме, они обнаруживаются в селезёнке, печени, в периферической крови, в небольшом количестве в лимфоузлах, в децидуальной оболочке матки. Натуральные киллеры относятся к короткоживущим клеткам. Время их жизни составляет несколько дней, хотя в настоящее время обнаружено, что определённые NK-клетки могут персистировать в организме несколько месяцев. Наиболее важными функциями NK-клеток являются цитолити-ческая активность по отношению к клеткам-мишеням и секреция хемокинов и цитокинов, играющих важную роль в регуляции иммунного ответа. Цитолиз клеток-мишеней идёт независимо от антител и комплемента, что подтверждает название клеток - «естественные киллеры». Контактный цитолиз, путём которого NK-клетки убивают чувствительные к лизису клетки-мишени, реализуется с участием цитотоксических гранул, либо при непосредственном контакте с рецепторами «смерти» на поверхности клеток-мишеней (Fas, TRAIL и др.).

Функциональная активность NK-клеток регулируется растворимыми факторами, продуцируемыми окружающими клетками, и контактными взаимодействиями натуральных киллеров с потенциальными клетками-мишенями. Каждая NK-клетка несёт на своей поверхности множество рецепторов хемокинов и цитокинов. Связывание этих рецепторов с соответствующими ли-гандами может влиять на развитие NK-клеток, индуцировать хемотаксис и пролиферацию, приводить к изменению их цитотоксичности и продукции цитокинов. Посредством набора поверхностных рецепторов натуральные киллеры распознают на клетках-мишенях молекулы, экспрессия которых указывает на вирусную инфекцию, опухолеобразование или повреждения, вызванные клеточным стрессом. NK-клетки вовлечены в широкий спектр существенных биологических процессов в организме, играют критическую роль в иммунном надзоре и могут быть использованы в противоопухолевой терапии. Цитолитическая активность NK-клеток контролируется балансом сигналов между ингибирующими и стимулирующими рецепторами. Многие из этих молекул принадлежат к семейству иммуноглобулиноподобных рецепторов (семейство KIR) либо представляют собой лектиноподобные кальций-зависимые рецепторы (лектины типа С). Как те, так и другие могут ингибировать или активировать NK-клетки. Формирование NK-клетками определённого цитотоксического ответа зависит от комбинации на их поверхности различных активирующих и ингибирующих рецепторов, которые регулируют их функциональную активность [8, 9]. Снижение или отсутствие ингибирующих сигналов приводит к преобладанию сигналов активации, что, в конечном итоге, ведёт к лизису клетки-мишени и выбросу цитокинов. С другой стороны, высокая экспрессия активирующих лигандов на клетках-мишенях может привести к запуску цитолитической активности NK-клеток, несмотря на нормальную экспрессию молекул MHC-I. Важным представителем лектиноподобных активирующих рецепторов NK-клеток является гликопротеин типа II NKG2D. Помимо NK-клеток, этот рецептор экспрессируется на NKT-клетках, у5Т-клетках и CD8+-apТ-клетках. Рецептор NKG2D способен узнавать высокополиморфные стресс-индуцируемые лиганды MICA, MICB (major histocompatibility complex class I chain-related protein A or B) и UL16-связывающие белки (ULBP), родственные антигенам МНС класса I. На поверхности нормальных клеток белки MICA/B отсутствуют либо содержатся в незначительном количестве на клетках эндотелия и фибробластах, однако их экспрессия может индуцироваться в условиях клеточного стресса при повреждении ДНК, тепловом шоке, подавлении гистон деацетилазы и окислительном стрессе, а также может многократно возрастать при опухолеобразовании [2, 10]. Взаимодействие лиганда MICA или MICB с рецептором NKG2D

приводит к активации NK-клеток и субпопуляций Т-лимфоцитов и уничтожению измененных клеток [7, 11]. Таким образом, экспрессия стресс-индуцированных молекул не только позволяет отторгать опухолевые клетки, но и стимулирует формирование длительного противоопухолевого иммунитета. Однако при развитии онкологического процесса с поверхности опухолевых клеток молекулы MICA могут сбрасываться. Таким образом, они могут быть обнаружены в сыворотке крови у онкологических больных. Достоверное увеличение количества растворимых форм MICA в сыворотке крови онкологических больных по сравнению с контрольной группой было обнаружено у больных со следующими заболеваниями: неходжкинские лимфомы, рак гортаног-лотки, рак молочной железы, рак шейки матки, а также рак толстого кишечника и желудка. Максимальные значения были зарегистрированы в группах пациентов с меланомой и неходжкин-скими лимфомами [11]. Сывороточный уровень MICA отрицательно коррелировал с экспрессией рецептора NKG2D на поверхности лимфоцитов.

В последние годы проводятся исследования, в которых изучают эффекты фотосенсибилизаторов и фотодинамического воздействия на индукцию NKG2D-лигандов молекул MICA на опухолевых клетках и увеличение цитотоксической активности NK-клеток. В единичных работах показано, что ФДТ индуцирует экспрессию MICA на клетках аденокарциномы человека Colo205, клетках линии SNU-1 и SW-900 in vitro и на привитых опухолях CT26 у мышей in vivo [2, 12]. Адаптивный перенос NK-клеток мышам после ФДТ увеличивает долю лизированных опухолевых клеток, таким образом, являясь хорошим методом иммунотерапевтического воздействия в дополнение к ФДТ и существующей терапии. В цитотоксических тестах клетки с повышенной экспрессией NKG2D-лигандов лизировались NK-клетками человека более эффективно, чем контрольные. Можно сделать вывод, что ФДТ положительно влияет на поверхностную экспрессию NKG2D лигандов на опухолевых клетках, таким образом, повышая их чувствительность к NK-клеточной цитотоксичности [13]. В литературе описано, что сублетальная ФДТ приводит к увеличению способности NK-клеток лизировать опухолевые клетки путём положительного регулирования NKG2D-лигандов. Некоторые авторы полагают, что эффект ФДТ может частично зависеть от индукции NKG2D-лигандов на опухолевых клетках, которые выжили после воздействия ФДТ и их восприимчивости к NK-клеткам через ассоциацию с адаптерными молекулами DAP10, которые воспринимают сигнал, возникающий при связывании рецептора NKG2D на поверхности лимфоцитов со стресс-индуцированными молекулами MICA на поверхности клеток-мишеней, и осуществляют его дальнейшую передачу, индуцирующую цитотоксическое действие лимфоцита. Экспрессия стресс-индуцированных молекул приводит к иммунологическому уничтожению трансформированной клетки. Данный феномен может являться свидетельством активации врождённого звена иммунитета за счёт физико-химических механизмов фотодинамического воздействия на иммунную систему человека и запуск каскадных реакций, приводящих к усилению противоопухолевого иммунного ответа в целом.

Таким образом, можно заключить, что NK-клетки прямо или косвенно активизируются после фотодинамической терапии онкологических заболеваний за счёт сложных молекулярных механизмов межклеточного взаимодействия. Дальнейшее изучение этих механизмов в регуляции функциональной активности NK-клеток человека поможет разобраться в процессах направленного воздействия ФДТ на адаптивный иммунный ответ, а также даст основу для разработки новых терапевтических подходов, основанных на сочетании использования свойств NK-клеток и ФДТ при лечении злокачественных новообразований.

Литература

1. Каплан М.А., Капинус В.Н., Попучиев В.В., Романко Ю.С., Ярославцева-Исаева Е.В., Спиченкова И.С., Шубина А.М., Боргуль О.В., Горанская Е.В. Фотодинамическая терапия: результаты и перспективы //Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 3. С. 115-123.

2. Park M.J., Bae J.H., Chung J.S., Kim S.H., Kang C.D. Induction of NKG2D ligands and increased sensitivity of tumor cells to NK cell-mediated cytotoxicity by hematoporphyrin-based photodynamic therapy //Immunol Investigat. 2011. V. 40. P. 367-382.

3. Buytaert E., Dewaele M., Agostinis P. Molecular effectors of multiple cell death pathways initiated by photodynamic therapy //Biochim. Biophys. Acta. 2007. V. 1776. P. 86-107.

4. Castano A.P., Mroz P., Hamblin M.R. Photodynamic therapy and anti-tumour immunity //Nat. Rev. Cancer. 2006. V. 6. P. 535-545.

5. Ortel B., Shea C.R., Calzavara-Pinton P. Molecular mechanisms of photodynamic therapy //Front. Biosci. 2009. V. 14. P. 4157-4172.

6. Korbelik M., Sun J. Cancer treatment by photodynamic therapy combined with adoptive immunotherapy using genetically altered natural killer cell line //Int. J. Cancer. 2001. V. 93. P. 269-274.

7. Абакушина Е.В., Кузьмина Е.Г. Стресс-индуцированные молекулы MICA/B и их роль в развитии онкологических заболеваний //Молекулярная медицина. 2012. № 2. С. 16-20.

8. Абакушина Е.В., Кузьмина Е.Г., Коваленко Е.И. Основные свойства и функции NK-клеток человека //Иммунология. 2012. Т. 33, № 4. С. 210-216.

9. Bauer S., Groh V., Wu J., Steinle A., Phillips J.H., Lanier L.L., Spies T. Activation of NK cells and T cells by NKG2D, a receptor for stress-inducible MICA //Science. 1999. V. 285. P. 727-729.

10. Коваленко Е.И., Стрельникова Ю.И., Каневский Л.М., Абакушина Е.В. Влияние стресс-индуцируемой молекулы MICA на активность NK-клеток человека //Омский научный вестник. 2007. № 3 (61). С. 29-31.

11. Абакушина Е.В., Клинкова А.В., Каневский Л.М., Коваленко Е.И. Увеличение растворимых форм стресс-индуцированных молекул MICA при онкологических заболеваниях //Молекулярная медицина. 2014. № 3. С. 34-38.

12. Belicha-Villanueva A., Riddell J., Naveen B., Gollnick S.O. The Effect of Photodynamic Therapy on Tumor Cell Expression of Major Histocompatibility Complex (MHC) Class I and MHC Class I-Related //Molecules Lasers Surg Med. 2012. V. 44, N 1. P. 60-68.

13. Zhang C., Wang Y., Zhou Z., Zhang J., Tian Z. Sodium butyrate upregulates expression of NKG2D ligand MICA/B in HeLa and HepG2 cell lines and increases their susceptibility to NK lyses //Cancer Immunol. Immunother. 2009. V. 58. P. 1275-1285.

Anticancer immune response and photodynamic therapy

Abakushina E.V., Romanko Yu.S., Kaplan M.A., Kaprin A.D.

A. Tsyb MRRC of A. Hertsen FMRC MH RF, Obninsk, Russia

Photodynamic therapy (PDT) is a relatively new modality for anticancer treatment. It has been proposed as a promising minimally invasive therapeutic approach that employs three essential elements to induce cell death: a photosensitizer, light of a specific wavelength, and molecular oxy-gen.The combination of photosensitizer uptake in malignant tissues and selective delivery of light of laser provides effective therapy, with direct tumor cytotoxicity and minimal damage of normal tissue. The photodynamic therapy enhances systemic antitumor immunity and can effectively stimulate both the innate and the adaptive immune systems. It has long been known that the long-term efficacy of PDT depends on the presence of an intact adaptive immune system. It has been shown that PDT can triggering the release of various pro-inflammatory and acute-phase response mediators that lead to infiltration of the treated site by a large number of neutrophils, dendritic cells and lymphocytes. PDT enhances T-cells and natural killer (NK) cells activity. nK cells have been shown to have an indirect effect on the control of tumour growth by PDT. It was demonstrate that tumor cells have increased sensitivity to NK cell lyses following PDT. This review describes the basic mechanisms of action of PDT on the anti-tumor immune response by activation of cytotoxic lymphocytes.

Keywords: photodynamic therapy, cancer, NK-cells, receptors, molecules MICA, MHC class I-related molecules, NKG2D, activation of lymphocytes, antitumor immune response, anticancer therapy.

References

1. Kaplan M.A., Kapinus V.N., Popuchiev V.V., Romanko Yu.S., Yaroslavtseva-Isaeva E.V., Spichenkova I.S., Shubina A.M., Borgul O.V., Goranskaya E.V. Photodynamic therapy: results and prospects. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2013, vol. 22, no. 3, pp. 115-123. (In Russian).

2. Park M.J., Bae J.H., Chung J.S., Kim S.H., Kang C.D. Induction of NKG2D ligands and increased sensitivity of tumor cells to NK cell-mediated cytotoxicity by hematoporphyrin-based photodynamic therapy. Immunol Investigat., 2011, vol. 40, pp. 367-382.

3. Buytaert E., Dewaele M., Agostinis P. Molecular effectors of multiple cell death pathways initiated by photodynamic therapy. Biochim. Biophys. Acta, 2007, vol. 1776, pp. 86-107.

4. Castano A.P., Mroz P., Hamblin M.R. Photodynamic therapy and anti-tumour immunity. Nat. Rev. Cancer, 2006, vol. 6, pp. 535-545.

5. Ortel B., Shea C.R., Calzavara-Pinton P. Molecular mechanisms of photodynamic therapy. Front. Biosci., 2009, vol. 14, pp. 4157-4172.

6. Korbelik M., Sun J. Cancer treatment by photodynamic therapy combined with adoptive immunotherapy using genetically altered natural killer cell line. Int. J. Cancer, 2001, vol. 93, pp. 269-274.

7. Abakushina E.V., Kuzmina E.G. Stress-induced molecules MICA/B and their role in the development of oncological diseases. Molekuljarnaja medicina - Molecular Medicine, 2012, no. 2, pp. 16-20. (In Russian).

8. Abakushina E.V., Kuzmina E.G., Kovalenko E.I. The main characteristics of human natural killer cells. Immunologija - Immunology, 2012, vol. 33, no. 4, pp. 220-224. (In Russian).

9. Bauer S., Groh V., Wu J., Steinle A., Phillips J.H., Lanier L.L., Spies T. Activation of NK cells and T cells by NKG2D, a receptor for stress-inducible MICA. Science, 1999, vol. 285, pp. 727-729.

Abakushina E.V*. - Senior Researcher, C. Sc., Med.; Romanko Yu.S. - Head of Dep., MD; Kaplan M.A. - Head of Dep., Prof., MD;

Kaprin A.D. - Head of Hertsen FMRC MH RF, Corresponding Member of RAS, Prof., MD. MRRC.

*Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. Tel.: +7 (484) 392-96-04, e-mail: abakushina@mail.ru.

10. Kovalenko E.I., Strelnikova Y.I., ^nevsky L.M., Abakushina E.V. Effect of the stress-induced molecule MICA on the activity of human natural killer cells. Omskij nauchnyj vestnik - Omsk Scientific Bulletin, 2007, vol. 61, no. 3, pp. 29-31. (In Russian).

11. Abakushina E.V., Klinkova A.V., Kanevskiy L.M., Larin S.S., Kovalenko E.I. Elevation of serum levels of soluble forms of stress-induced molecules MICA in oncological diseases. Molekuljarnaja medicina - Molecular Medicine, 2014, no. 3, pp. 34-38. (In Russian).

12. Belicha-Villanueva A., Riddell J., Naveen B., Gollnick S.O. The Effect of Photodynamic Therapy on Tumor Cell Expression of Major Histocompatibility Complex (MHC) Class I and MHC Class I-Related. Molecules Lasers Surg. Med., 2012, vol. 44, no. 1, pp. 60-68.

13. Zhang C., Wang Y., Zhou Z., Zhang J., Tian Z. Sodium butyrate upregulates expression of NKG2D ligand MICA/B in HeLa and HepG2 cell lines and increases their susceptibility to NK lyses. Cancer Immunol. Immunother., 2009, vol. 58, pp. 1275-1285.