Кто придумал вирус от рака

Обновлено: 28.03.2024

Михаил Сергеевич Гельфанд — доктор биологических наук, профессор, член Европейской академии, заместитель директора Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Область научных интересов — биоинформатика, молекулярная эволюция, системная биология, сравнительная и функциональная геномика, метагеномика.

Однако есть заболевания, которые переносятся самими раковыми клетками. Попав в новый организм, они становятся родоначальниками опухоли. Тем самым, мы имеем дело с классическим инфекционным агентом, использующим хозяина для размножения и дальнейшего переноса в другой организм. Хотя известно всего несколько таких случаев, их список постепенно растет — и, похоже, то, что раньше считалось исключением, вполне может оказаться правилом. Изучение таких видов рака (в частности, выяснение их эволюционной истории и эпидемиологические исследования) существенно продвинулось в последние несколько лет благодаря секвенированию геномов опухолевых клеток.

Собаки

Один из таких видов рака — трансмиссивная венерическая саркома собак (Canine Transmissible Venereal Tumor — CTVT). Это опухоль наружных половых органов псовых, известная как отдельное заболевание уже более 200 лет [2]. В 1876 г. российский ветеринар М. А. Новинский продемонстрировал передачу болезни при переносе раковых клеток от больной собаки здоровой [3]. Хотя опухоль выглядит ужасно, в большинстве случаев она поддается полному излечению с помощью химиотерапии, а иногда даже сама исчезает через несколько месяцев.

Аляскинский маламут — ближайший родственник собаки, впервые заболевшей трансмиссивной венерической саркомой 11 тыс. лет назад

Геном этой опухоли, а точнее, два генома — опухолей чистопородного американского кокер-спаниеля из Бразилии и собаки австралийских аборигенов, секвенировали в 2014 г. [4]. Количество мутаций в каждом из геномов примерно в 100 раз превышало число мутаций других раковых опухолей, что отражает давнюю историю накопления этих изменений. Свыше 10 тыс. генов — чуть меньше половины — имеют мутации, которые полностью разрушают более чем 600 генов. Спектр наблюдаемых нуклеотидных замен напоминает некоторые виды человеческого рака; в частности, хорошо заметны мутации, вызываемые ультрафиолетовым излучением.

Из сопоставления с геномами современных собак выяснилось, что представитель семейства псовых, в котором зародилась опухоль, жил около 11 тыс. лет назад и больше всего походил на аляскинского маламута. Это была среднего или крупного размера собака, черная либо двухцветная — темная на большей части тела и более светлая на животе, лапах. Часть генов, связанных с одомашниванием, имела аллели, характерные для волков, что отражает древность и некоторую примитивность породы. При этом секвенированные геномы двух опухолей разошлись менее 500 лет назад. Это может означать, что трансмиссивная венерическая саркома была занесена в Австралию собаками первых европейских поселенцев.

Оказалось также, что древняя собака происходила из небольшой, генетически однородной популяции. Возможно, это сказалось на первых этапах возникновения патогенного клона: поскольку собаки были близкими родственниками, клетки одной особи после заражения другой не уничтожались ее иммунной системой.

Тасманийские дьяволы

Клетки еще одного вида инфекционного рака — лицевой опухоли тасманийского дьявола (Devil Facial Tumor Disease — DFTD) — молодой патоген в отличие от клеток венерической саркомы собак. Тасманийские дьяволы — самые крупные хищники среди сумчатых млекопитающих, живущие на о. Тасмания. В 1996 г. на северо-западе острова было отмечено начало эпизоотии. Болезнь, проявляющаяся в больших и часто метастазирующих опухолях морды и полости рта, быстро распространяется и угрожает существованию вида.

Тасманийский дьявол (Sarcophilus laniarius)

Довольно быстро выяснилось, что заболевание разносится за счет передачи раковых клеток при укусах (а тасманийские дьяволы достаточно агрессивны) [5]. Некоторые особенности экспрессии генов этих клеток указывают на то, что они происходят из нервного гребня — вероятно, из шванновских клеток, в норме формирующих миелиновые оболочки нервных волокон.

В 2012 г. были секвенированы геномы двух здоровых особей тасманийского дьявола и двух заболевших DFTD из географически отдаленных областей. Анализ филогенетических деревьев, построенных по митохондриальным геномам; отсутствие следов опухолевых клеток в музейных образцах, собранных в 1941–1989 гг.; высокая заразность и бросающиеся в глаза внешние проявления — все эти факторы делают маловероятным возможность того, что болезнь долго существовала незамеченной в популяции тасманийских дьяволов [6]. Подсчет количества различий между двумя опухолевыми геномами и сопоставление их с геномами нормальных клеток позволили оценить скорость накопления мутаций и давление естественного отбора, а также показали, что прочитанные раковые геномы разошлись вскоре после появления предковой опухолевой клетки. При этом в обоих раковых геномах присутствует один и тот же набор предпочитаемых типов замен (какой нуклеотид каким заменяется чаще всего), что свидетельствует о каком-то молекулярном дефекте в механизме репликации или репарации у общего предка. Дополнительное генотипирование еще 69 больных животных позволило предположить не только время, но и место появления предкового клона на п-ове Форестье, а также подтвердило происходящее сейчас быстрое распространение одного из генетических вариантов опухоли.

Одно из предположений о том, как клетки лицевой опухоли избегают реакции со стороны иммунной системы нового хозяина, было основано на относительно малом генетическом разнообразии тасманийских дьяволов. У нескольких заболевших особей обнаружили два генетически различных типа клеток — т.е. эти животные как минимум дважды заразились патогенными клетками. Оказалось, однако, что у здоровых тасманийских дьяволов развивается нормальная реакция отторжения при пересадке ткани от другой особи. В дальнейшем выяснилось, что клетки лицевой опухоли не экспрессируют гены главного комплекса гистосовместимости и, видимо, таким образом избегают атаки иммунной системы [7].

Стратегия спасения вида понятна, хотя и печальна: нужно изолировать достаточное для сохранения генетического разнообразия количество особей тасманийского дьявола и повторно заселить ареал после вымирания диких животных — носителей и жертв болезни. Современные ученые имеют уникальную возможность наблюдать взрывную эпидемию инфекционного рака, и их первоочередная задача — собрать как можно большее число образцов для дальнейшего изучения.

Двустворчатые моллюски

Впрочем, уникальна ли эпизоотия лицевой опухоли тасманийского дьявола? Оказывается, аналогичная быстро распространяющаяся болезнь поражает двустворчатых моллюсков на Атлантическом побережье Северной Америки. Впервые развитие заболевания заметили в 1970-х годах у съедобных моллюсков Mya arenaria [8]. Оно выражается в неконтролируемом делении клеток иммунной системы и напоминает лимфому.

Двустворчатый моллюск Mya arenaria. Представителей этого вида охватила эпидемия инфекционной лимфомы

В раковых клетках обнаружили высокую экспрессию гена обратной транскриптазы, характерного для вирусов и подвижных элементов генома. Источником этой повышенной экспрессии оказался новый ретротранспозон (мобильный элемент генома, распространяющийся в нем через промежуточную стадию молекулы РНК) — Steamer. Естественно, предположили, что причина рака — вызванная ретротранспозоном геномная нестабильность [9]. Однако более подробный анализ показал, что у раковых клеток разных особей места внедрения ретротранспозона в геном совпадают и при этом отличаются от позиций Steamer в геномах хозяев [10]. Тем не менее множество копий ретротранспозона в геноме раковых клеток (150–300 штук в отличие от 2–10 в нормальных клетках) и тот факт, что большинство мест интеграции совпадает у разных экземпляров опухоли, позволяют предположить, что Steamer сыграл роль в первичной трансформации клеток.

Похожие опухоли были замечены и у других двустворчатых моллюсков: мидий, устриц, гребешков [11]. Интересно, что у тихоокеанских мидий (Mytilus trossulus) раковые клетки разных особей имеют одинаковый набор полиморфизмов. Это также может быть свидетельством общности происхождения опухолей и, стало быть, инфекционного пути возникновения рака [12]. У беспозвоночных нет главного комплекса гистосовместимости — основного защитника от внедрения чужеродных клеток — и потому нет возможности препятствовать экспансии инфекционных опухолевых клонов. Будем надеяться, что понимание механизма распространения инфекционного рака моллюсков поможет найти новые примеры среди других беспозвоночных.

Человек

Человек может заразиться раком при трансплантации органов, если в пересаженных тканях был незамеченный опухолевый клон [13]. Известен также случай, когда хирург, повредивший руку при операции, заразился саркомой [14]. Но, пожалуй, самая удивительная (и, увы, трагичная) история произошла с сорокалетним мужчиной из Колумбии, больным синдромом приобретенного иммунодефицита [15].

При первичном обследовании оказалось, что он заражен карликовым цепнем (Hymenolepis nana), но главным, разумеется, было не это, а многочисленные неоплазии в легких и в лимфатических узлах. Новообразования состояли из атипичных клеток малого размера, хотя некоторые были крупными и содержали множественные ненормальные ядра с большим количеством ядрышек.

Как пишут авторы публикации, этот случай был диагностическим кошмаром. С одной стороны, клинически опухоль вела себя как раковая — захватывала соседние ткани, клетки были одинаковыми и выглядели, как стволовые (высокое соотношение объемов ядра и цитоплазмы). С другой — маленький размер клеток указывал на инфекцию, вызванную неизвестным, возможно, одноклеточным эукариотическим патогеном. Клетки с множественными ядрами напоминали клетки слизевиков. Вероятность глистной инвазии рассматривалась, но была отклонена из-за примитивного, недифференцированного вида клеток и полного отсутствия цитологических признаков, характерных для паразитирующих червей.

Точный диагноз поставили лишь за 72 ч до смерти, когда из-за отказа почек состояние пациента было уже настолько плохим, что не было смысла применять специфическое лечение. Секвенирование генома клеток опухоли показало, что их источником был тот самый карликовый цепень, причем раковые клетки претерпели множественные геномные перестройки, как часто бывает и при обычных типах рака. Известно, что у пациентов с подавленной иммунной системой развитие ленточного червя часто идет по ненормальному пути — с образованием гигантских, плохо сформировавшихся организмов. По всей видимости, нормальное развитие требует взаимодействия с иммунной системой хозяина. Однако известны случаи неоплазий и у свободно живущих плоских червей. Таким образом, похоже, нет ничего исключительного в раке, вызванном перерождением клеток паразита.

Клетки HeLa

Однако жизнеспособность клеток HeLa имеет и плохие последствия. Уже в 1960-х годах обнаружилось, что многие лабораторные клеточные линии заражены HeLa; по состоянию на сегодня — 10–20% [16, 17]. Таким образом, линия HeLa ведет себя почти как патоген, только ее хозяин — не организм, а клетки, культивируемые в лабораториях.

Клетки линии HeLa

Итак, похоже, что раковые клоны иногда ведут себя как самостоятельные одноклеточные патогенные организмы. Они преодолевают иммунологические барьеры при их ослаблении или в ситуации малого антигенного разнообразия у хозяев. Естественно предположить, что известные примеры вовсе не исчерпывают имеющегося многообразия инфекционных типов рака. Приблизительно понятно, где искать новые — в относительно больших, но генетически однородных популяциях. Существование таких видов рака указывает на одну из возможных причин появления генов тканевой несовместимости (которые сейчас так мешают при пересадке органов) — эволюционное преимущество, которое они давали, могло состоять как раз в защите от инфекционных опухолевых клонов.

Во время подготовки данной статьи к печати, буквально в последние дни 2015 г., вышла публикация о втором клоне лицевой опухоли тасманийского дьявола — DFT2 [21]. Вызываемые этим клоном опухоли внешне неотличимы от тех, причина появления которых — первый описанный клон DFT1. Внешне, но не гистологически или цитогенетически! В частности, клон DFT2 имеет Y-хромосому, а значит, его родоначальником был самец, в то время как клетки DFT1 происходят от самки. Имеются также различия в длинах микросателлитов (коротких тандемных повторов ДНК) и в аллелях главного комплекса гистосовместимости. Вероятно, скоро выйдет статья про геном DFT2, которая, будем надеяться, позволит построить гипотезы о механизмах возникновения этих клонов. Хотя авторы предполагают, что тасманийские дьяволы по каким-то причинам особо склонны к порождению опухолевых клонов, сложно объяснить, почему тогда этот вид до сих пор не вымер, учитывая ураганный характер нынешней эпидемии. В качестве совсем уж дикой гипотезы можно предположить, что клон DFT2 все же происходит от клеток DFT1, испытавших (частичную?) гибридизацию с клеткой зараженной особи. В самом деле, история трансмиссивной венерической саркомы собак включает горизонтальный перенос митохондриального генома от хозяина к опухоли [22]. Нечто подобное могло произойти и в случае с лицевой опухолью тасманийского дьявола. Это будет ясно после определения геномной последовательности DFT2, пока же никаких общих специфических маркеров у двух клонов не найдено. Правда, если гибридизация привела к полной замене генетического материала, не очень понятно, как ее детектировать существующими сегодня методами.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14-24-00155).


Обзор

Онколитические вирусы — новая стратегия лечения рака

рисунок автора статьи

Автор
Редакторы


Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Во благо, не во вред

фраза

рисунок автора статьи

Схема действия онколитического вируса

Рисунок 2. Схема действия онколитического вируса. Онколитический вирус инфицирует опухолевую клетку, а затем размножается в ней. В итоге это приводит к уничтожению опухолевой клетки, что привлекает внимание иммунных клеток. При этом онколитический вирус не трогает здоровую клетку.

рисунок автора статьи

Случайное не случайно

Немалое количество научных открытий, изменивших мир, произошло по счастливой неслучайности. Падение яблока около Ньютона подарило миру понятие о гравитации, а открытое окно в лаборатории Флеминга — антибиотики. Так, еще в 1897 году врач в Мичигане отметил, что одна из пациенток с лейкемией вышла в долгую ремиссию после того, как переболела гриппом. А в 1971 году в Уганде ребенок, больной лимфомой, излечился от рака, когда заболел корью. С конца 1990-х ученые уже в лабораторных экспериментах стали наблюдать, что обычные вирусы способны уничтожать раковые клетки. С тех пор начались попытки приручить дикие вирусы и заставить их работать для лечения рака.

Первый онколитический препарат на основе вируса герпеса, талимоген лагерпарепвек (T-VEC), был одобрен уже в 2015 году для неоперабельных пациентов с поздней стадией меланомы. Этот препарат представляет собой генетически модифицированный вирус простого герпеса I типа. Для безопасного использования препарата с помощью генной инженерии из вируса убрали белки, мешающие иммунитету распознавать инфекцию. За 49 месяцев наблюдения 17% пациентов полностью ответили на терапию [13], то есть у них не осталось никакого следа от опухоли. Для клинического испытания в онкологии это впечатляющий результат. Что еще важнее, среди полностью ответивших на терапию был очень высокий процент выживаемости — по расчетам, 88,5% остались живы спустя 5 лет после терапии (рис. 3).

График Каплана—Мейера

Рисунок 3. График Каплана—Мейера показывает общую выживаемость пациентов с меланомой, которые полностью ответили (красный) или ответили не полностью (синий) на терапию онколитическим вирусом после девяти месяцев от начала исследования. Вертикальная координата показывает процент пациентов, оставшихся в живых. Горизонтальная — месяцы спустя терапии. Из графика ясно видно, что две кривые, красная и синяя, расходятся. При этом красная кривая даже спустя 55 месяцев остается на высоком уровне, что говорит о высокой выживаемость пациентов, которые ответили на терапию онколитическим вирусом.

Как это работает?

Праздновать победу рано

На протяжении прошлого века оценка вирусотерапии напоминала американские горки: от неистового восторга надежды до полного разочарования. Изначально эксперименты с дикими вирусами на людях в 1950-х годах были довольно опасными и почти убили интерес к вирусной терапии. Из-за невозможности тогда контролировать способность вирусов избегать иммунного ответа и размножаться, начальные эксперименты приводили к серьезным нежелательным инфекциям. К счастью, изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР) [18] и открытие генной рекомбинации в 1980-х позволило сделать использование вирусов более безопасным для людей. Генная рекомбинация позволила создавать онколитические вирусы, более избирательно поражающие опухолевые клетки и способные лучше вызывать иммунный ответ.

К сожалению, эффект онколитических вирусов может быть временным из-за роста раковых клеткой, которые вирус изначально не инфицировал. Клинические испытания показывают, что лишь небольшой процент пациентов полностью отвечают на терапию существующими онколитическими вирусами.

Уже ясно, что не все виды опухолей отвечают на онколитическую вирусную терапию. Наибольшего успеха удалось добиться в лечении меланомы и опухолей желудочно-кишечного тракта [9]. Ученым еще предстоит научиться персонализировать вирусную онколитическую терапию — подбирать вирусы для конкретного пациента и его опухоли с индивидуальным набором молекулярных черт.

Будущее онколитической вирусной терапии

Современная противоопухолевая медикаментозная терапия стоит на трех китах: химиотерапия, таргетная и иммунотерапия. Главная цель любой из них — убить раковые клетки, но не трогать здоровые. Каждая разновидность лечения справляется с этой задачей с разной долей успеха. Препараты, которые, в отличие от химиотерапии, избегают угнетения иммунитета и, наоборот, усиливают собственный противоопухолевый иммунитет человека, стали новой надеждой терапии рака. Оказалось, что вирусы способны вызывать такой противоопухолевый ответ. В отличие от таргетной терапии, мишень которой — определенная генетическая мутация, вирусная терапия эффективна против раковых клеток с разным набором генетических изменений. Эти качества однозначно делают онколитическую терапию привлекательной. Более того, доклинические исследования показывают, что лучевая и химиотерапия могут синергично работать вместе с вирусной терапией, улучшая результаты одиночной работы [19], [20].

Пожалуй, самой перспективной комбинацией с точки зрения эффективности станет комбинация онколитических вирусов и ингибиторов контрольных точек иммунного ответа или других новых иммуномодулирующих препаратов. Ингибиторы контрольных точек иммунного ответа — это препараты, которые убирают тормоза иммунного ответа, заставляя их вновь уничтожать врага. Комбинация таких препаратов с вирусной терапией может значительно повысить эффективность иммунного надзора: полицейские будут знать все фотороботы врагов и без всяких тормозов будут отлавливать и уничтожать их.

Так, посмотрев на обе стороны медали, можно перестать видеть в вирусах исключительно врагов и разглядеть в них возможного союзника в борьбе против рака.

Да, конечно, нынешние онколитические вирусы — не вирусы растений. Но мы видим начало сознательного использования вирусов против онкозаболеваний: к списку методов лечения рака официально добавился метод разрушения опухолей с помощью вирусов.

Сомнения и перестраховка

Тем не менее в течение всего ХХ века к этому методу неоднократно возвращались. В частности, начиная с 1950-х годов в разных странах применялись слабо- или вообще не патогенные штаммы вирусов лихорадки Западного Нила, желтой лихорадки, вируса бешенства, аденовирусы, вирус болезни Ньюкасла, энтеровирусы, парамиксовирусы и некоторые другие непатогенные или слабопатогенные вирусы. При этом порой онкобольные полностью выздоравливали, наблюдались и временные улучшения. Но опять же отсутствие предсказуемости результатов, научно обоснованных принципов действия вирусов на опухоли и предубеждение контролирующих органов привели почти к полному прекращению применения этого подхода.

Начиная с 1950-х годов в разных странах применялись слабо- или вообще не патогенные штаммы вирусов лихорадки Западного Нила, желтой лихорадки, вируса бешенства, аденовирусы, вирус болезни Ньюкасла, энтеровирусы, парамиксовирусы и некоторые другие непатогенные или слабопатогенные вирусы

У нас работы в данном направлении были начаты в 1970-х годах профессором М. К. Ворошиловой в Институте полиомиелита и вирусных энцефалитов под Москвой. Она применяла для лечения онкозаболеваний вакцинные штаммы вируса полиомиелита и другие штаммы непатогенных энтеровирусов и в ряде случаев добилась серьезных успехов. Но предубеждения руководящих онкологов привели к запрету ее работ.

И в нашей стране, и в ряде других стран недоверие к потенциально полезным противораковым вирусам до недавнего времени превалировало из-за боязни их патогенных свойств. При этом врачи хорошо знают, что многие химиотерапевтические препараты для борьбы с онкозаболеваниями дают массу вредных побочных реакций. Но их применяют, и никакого предубеждения у врачей к ним нет. Между тем механизм действия большинства таких препаратов рассчитан на разницу в метаболизме раковых и нормальных клеток. Так что поражают эти препараты и раковые, и некоторые здоровые, но активно метаболизирующие, делящиеся клетки.

Существующие на сегодня подходы к лечению онкозаболеваний

Первые официально испытанные вирусные онколитики

С 1990-х годов появилась теоретически намного более обоснованная концепция специальных онколитических вирусов. Впервые был выяснен, как тогда считали, механизм противораковой специфичности делеционного варианта аденовируса пятого серотипа с названием ONYX-015.

Дело в том, что в клетках человека и практически всех млекопитающих есть белок р53, который при начале каких-либо необычных процессов в клетке (в том числе при появлении в ней вирусов) запускает процесс апоптоза (запрограммированной клеточной смерти), чтобы не дать вирусу или вообще всей этой вдруг ставшей необычной клетке размножиться. Однако во многих опухолевых клетках ген белка р53 поврежден, а сам белок становится дефектным по этой своей функции, и в таких клетках ничто не сдерживает размножение вируса.

Но у аденовируса, в свою очередь, есть белок Е1В-55К, который связывает р53 и не дает ему запускать апоптоз. Таким образом, если из генома вируса удалить часть гена Е1В, где закодирован белок 55К, то такой вирус будет размножаться только в опухолевых клетках, где р53 и так не работает, а в нормальных он этого делать не сможет, так как клетки будут уходить в апоптоз и саморазрушаться.

Однако, как выяснилось позднее — в 2004 году, удаление части или целого гена E1B приводит к тому, что белок E1B-55K не выполняет еще ряд функций для размножения аденовируса. В опухолевых же клетках в его отсутствие эту функцию берет на себя не установленный до сих пор фактор. Также выяснилось, что есть много и других дефектов в клетках, которые приводят к их перерождению в раковые, и тогда такие аденовирусы не работают как лечебные препараты.

Известные на сегодня семейства вирусов, убивающих раковые клетки

В конце 1990-х эта тематика по ряду причин пошла на спад. Тем не менее аналог ONYX-015, названный Н101 (онкорин), был официально разрешен для лечения больных с опухолями головы и шеи в Китае. Другой полученный в Китае рекомбинантный аденовирус, также с делецией гена Е1В, но с дополнительной вставкой человеческого гена р53 сейчас там также применяется для лечения онкобольных под названием гендицин.

Онколитические препараты на основе вирусов, которые разрабатываются и уже применяются

Канада: рекомбинантные аденовирусы и вирусы осповакцины.

Китай: препараты на основе рекомбинантных аденовирусов онкорин и гендицин.

Латвия: энтеровирусы.

Россия: рекомбинантные поксвирусы и аденовирусы, парамиксовирусы, энтеровирусы.

США: вирусы болезни Ньюкасла, природный и рекомбинантный вирус миксомы кроликов, рекомбинантный аттенуированный герпесвирус, рекомбинантные аттенуированные поксвирусы и аденовирусы, реовирус, вакцинный штамм вируса кори, рекомбинантный вирус везикулярного стоматита, вакцинные штаммы вирусов гриппа.

Финляндия: рекомбинантные аденовирусы.

Япония: рекомбинантные герпесвирусы.

Препараты нового поколения

В 2010 году Новосибирский государственный университет получил мегагрант на исследования под руководством известного российского молекулярного биолога П. М. Чумакова, одним из ведущих исполнителей которого стал и автор настоящей статьи. В НГУ фактически с нуля была создана хорошо оборудованная научно-исследовательская лаборатория в комплексе с практикумом по микробиологии, подготовлен и опубликован ряд обзорных статей по онколитическим вирусам, и еще в 2012 году были получены и охарактеризованы первые кандидатные онколитические штаммы.

Таким образом, имеются все основания для проведения дальнейших работ и особенно — для полноразмерных доклинических исследований, а впоследствии и клинических испытаний этих и подобных им перспективных онколитических вирусных штаммов. Сейчас наступило время преодолеть предубеждения и дать зеленый свет для финансирования разработок этих крайне перспективных препаратов, разработанных в России.

Работы в этом направлении продолжаются не только в НГУ, профессор П. М. Чумаков развивает эти исследования на энтеровирусах и парамиксовирусах в своей лаборатории в Институте молекулярной биологии РАН им. В. А. Энгельгардта в Москве. Заинтересовались ими и в ряде клиник России.

Могут ли вирусы быть полезными

Данное направление работ за рубежом в последние десять лет получило очень мощное развитие. В октябре 2015 года в США произошел кардинальный сдвиг в отношении этого направления разработок: как уже было сказано, FDA разрешило широкие клинические испытания третьей фазы генно-инженерного штамма герпесвируса с названием имлиджик (Imlygic) для лечения больных с рецидивирующей меланомой.

Исходный штамм герпесвируса, который содержит аттенуирующие (снижающие его патогенные свойства) мутации в геноме и экспрессируемый ген гранулоцит-макрофаг-колониестимулирующего фактора человека (ГМ-КСФ или GM-CSF), был разработан американской компанией BioVex Inc. В 2011 году эту компанию вместе с правами на препарат купил фармгигант Amgen. Этот же препарат был официально разрешен к применению и в Европе в конце 2015 года, информация о нем регулярно обновляется на сайте Imlygic.

В том же 2015 году аналогичное разрешение на проведение третьей фазы клинических испытаний было получено для препарата на основе рекомбинантного штамма вируса осповакцины пекса-век (Pexa-Vec), или JX-594, в отношении лечения гепатоцеллюлярной карциномы (рака печени). Данный препарат сконструирован на основе исходного штамма вируса осповакцины Wyeth, у которого для уменьшения реактогенности удален ген тимидинкиназы и встроен ген ГМ-КСФ человека. Его сейчас интенсивно исследуют на добровольцах. Результаты нескольких независимых клинических испытаний первой и второй фазы уже известны, они положительны, и поэтому клинические испытания третьей фазы для этого препарата проходят уже в нескольких десятках стран в 86 больницах, что говорит о его большой перспективности.

В этой связи возникает вопрос: а не может ли быть такого, что роль по крайней мере некоторых из вирусов для человеческого организма как раз и состоит в защите от раковых клеток, и лишь иногда они вызывают заболевания, выходя из-под контроля?

Такое предположение заслуживает внимания. Человечество уже очень много полезного создало из весьма вредоносных, на первый взгляд, веществ и микробов. А вирусы как лекарства очень интересны, поскольку являются высокоспецифичными микромашинами. Некоторые из них люди уже приспособили для своих нужд и применяют в качестве живых вакцин, лечебных препаратов (например, бактериофаги — вирусы бактерий вместо антибиотиков) и для избирательной борьбы с вредными насекомыми.


Обзор

иллюстрация автора статьи

Автор
Редакторы


Смертельные клешни

Человечество столкнулось с этой загадочной болезнью еще до нашей эры. Ее пытались понять и лечить ученые мужи в самых различных уголках мира: в Древнем Египте — Еберс, в Индии — Сушрута, Греции — Гиппократ. Все они и многие другие медики вели борьбу с опасным и серьезным противником — раком. И хоть эта битва продолжается до сих пор, сложно определить, есть ли шансы на полную и окончательную победу. Ведь чем больше мы изучаем болезнь, тем чаще возникают вопросы — можно ли полностью излечить рак? Как избежать болезни? Можно ли сделать лечение быстрым, доступным и недорогим?

Мутации: погибнуть или жить вечно?

Рак толстой кишки

Рисунок 1. Генетическая модель рака: рак толстой кишки. Первый шаг — потеря или инактивация двух аллелей гена АРS на пятой хромосоме. В случае семейного рака (familiar adenomatous polyposis, FAP) одна мутация гена АРС наследуется. Потеря обоих аллелей ведет к образованию доброкачественных аденом. Последующие мутации генов на 12, 17, 18 хромосомах доброкачественной аденомы могут привести к трансформации в злокачественную опухоль.

Очевидно, что развитие определенных видов рака включают в себя изменение большинства или даже всех этих генов и может проходить различными путями. Из этого следует, что каждую опухоль следует рассматривать как биологически уникальный объект. На сегодняшний день существуют специальные генетические информационные базы по раку, содержащих данные о 1,2 млн. мутаций из 8207 образцов тканей, относящихся к 20 видам опухолей: атлас Ракового Генома (Cancer Genome Atlas) и каталог соматических мутаций при раке (Catalogue of Somatic Mutations in Cancer, COSMIC) [2].

Распространение метастазов

Рисунок 2. Распространение метастазов

Однако клетки вооружены специальными механизмами, защищающими от развития опухолей:

    — механизм эпигенетических модификаций, который контролирует нормальный рост и правильное развитие организма. Любые нарушения в метилировании определенных генов могут поспособствовать возникновению рака. Например, в исследованиях было обнаружено, что потеря импринтинга после инактивации материнского аллеля гена IgF2 увеличивает риск развития рака прямой кишки в 3–5 раз [3]; (например, однонуклеотидная эксцизионная репарация защищает ДНК от мутаций, вызванных канцерогенными агентами) [4]; — используют специфичные белки-мессенжеры, такие как ATM, ATR и комплекс RAD17-RFC для поиска повреждений в молекулах ДНК. Сигнальные белки активируют р53 и инактивируют циклин-зависимые киназы, что, в свою очередь, ингибирует клеточный цикл от G1 до S (G1/S точка рестрикции), репликацию ДНК в S-фазе и G2-фазу (G2/M-точка рестрикции) [5];
  • программируемая клеточная смерть — апоптоз и связанные регуляторные гены имеют огромное влияние на возникновение злокачественного фенотипа. Некоторые онкогенные мутации нарушают апоптоз, что приводит к инициации канцерогенеза и метастазирования [6];
  • иммунная система — активация естественных киллеров (NK — natural killer cells), макрофагов, нейтрофилов, эозинофилов и специфических Т-цитотоксических клеток; синтез цитокинов и специфических антител [7].

Традиционные методы и их недостатки

  • хирургическая (полное удаление опухоли). Используется, когда опухоль имеет небольшие размеры и хорошо локализована. Также удаляют часть тканей, которые контактируют со злокачественным новообразованием. Метод не применяется при наличии метастазов;
  • лучевая — облучение опухоли радиоактивными частицами для остановки и предотвращения деления раковых клеток. Здоровые клетки тоже чувствительны к этому излучению и часто погибают;
  • химиотерапия — используются лекарства, тормозящие рост быстро делящихся клеток. Лекарства оказывают негативное воздействие и на нормальные клетки.

Вышеописанные подходы не всегда могут избавить больного от рака. Часто при хирургическом лечении остаются единичные раковые клетки, и опухоль может дать рецидив, а при химиотерапии и лучевой терапии возникают побочные эффекты (снижение иммунитета, анемия, выпадение волос и др.), которые приводят к серьезным последствиям, а часто и к смерти пациента. Тем не менее, с каждым годом улучшаются традиционные и появляются новые методы лечения, которые могут победить рак, такие как биологическая терапия, гормональная терапия, использование стволовых клеток, трансплантация костного мозга, а также различные поддерживающие терапии. Наиболее перспективной считается генная терапия, так как она направлена на первопричину рака — компенсацию неправильной работы определенных генов.

Генная терапия как перспектива

По данным PubMed, интерес к генной терапии (ГТ) раковых заболеваний стремительно растет, и на сегодняшний день ГТ объединяет ряд методик, которые оперируют с раковыми клетками и в организме (in vivo) и вне его (ex vivo) (рис. 3).

Две основные стратегии генной терапии

Рисунок 3. Две основные стратегии генной терапии. ex vivo — генетический материал с помощью векторов переносится в клетки, выращиваемые в культуре (трансдукция), а затем трансгенные клетки вводят реципиенту; in vivo — введение вектора с нужным геном в определенную ткань или орган.

Вирусные векторы

В качестве вирусных векторов используют ретровирусы, аденовирусы, аденоассоциированные вирусы, лентивирусы, вирусы герпеса и другие. Эти вирусы отличаются по эффективности трансдукции, по взаимодействию с клетками (распознавание и заражение) и ДНК. Главным критерием является безопасность и отсутствие риска неконтролируемого распространения вирусной ДНК: если гены вставляются в неправильном месте генома человека, они могут создать вредные мутации и инициировать развитие опухоли. Также важно учитывать уровень экспрессии перенесенных генов, чтобы предотвратить воспалительные или иммунные реакции организма при гиперсинтезе целевых белков (табл. 1).

Таблица 1. Вирусные векторы. Источник: [10].
ВекторКраткое описание
Вирус кори (measles virus)содержит отрицательную последовательность РНК, которая не вызывает защитного ответа в раковых клетках
Вирус простого герпеса (HSV-1)может переносить длинные последовательности трансгенов
Лентивируспроизводный от ВИЧ, может интегрировать гены в неделящиеся клетки
Ретровирус (RCR)не способный к самостоятельной репликации, обеспечивает эффективное встраивание чужеродной ДНК в геном и постоянство генетических изменений
Обезьяний пенистый вирус (SFV)новый РНК-вектор, который передает трансген в опухоль и стимулирует его экспрессию
Рекомбинантный аденовирус (rAdv)обеспечивает эффективную трансфекцию, но возможна сильная иммунная реакция
Рекомбинантный аденоассоциированный вирус (rAAV)способен к трансфекции многих типов клеток

Невирусные векторы

Синтетические катионные липосомы в настоящее время признаны перспективным способом доставки функциональных генов. Положительный заряд на поверхности частиц обеспечивает слияние с отрицательно заряженными клеточными мембранами. Катионные липосомы нейтрализуют отрицательный заряд цепи ДНК, делают более компактной ее пространственную структуру и способствуют эффективной конденсации. Плазмидно-липосомный комплекс имеет ряд важных достоинств: могут вмещать генетические конструкции практически неограниченных размеров, отсутствует риск репликации или рекомбинации, практически не вызывает иммунного ответа в организме хозяина. Недостаток этой системы состоит в низкой продолжительности терапевтического эффекта, а при повторном введении могут появляться побочные эффекты [12].

Электропорация является популярным методом невирусной доставки ДНК, довольно простым и не вызывающим иммунного ответа. С помощью индуцированных электрических импульсов на поверхности клеток образуются поры, и плазмидные ДНК легко проникают во внутриклеточное пространство [13]. Генная терапия іn vivo с использованием электропорации доказала свою эффективность в ряде экспериментов на мышиных опухолях. При этом можно переносить любые гены, например, гены цитокинов (IL-12) и цитотоксические гены (TRAIL), что способствует развитию широкого спектра терапевтических стратегий. Кроме того, этот подход может быть эффективным для лечения и метастатических, и первичных опухолей [14].

Выбор техники

В зависимости от типа опухоли и ее прогрессии, для пациента подбирается наиболее эффективная методика лечения. На сегодняшний день разработаны новые перспективные техники генной терапии против рака, среди которых онколитическая вирусная ГТ, пролекарственная ГТ (prodrug therapy), иммунотерапия, ГТ с использованием стволовых клеток.

Онколитическая вирусная генная терапия

Для этой методики используются вирусы, которые с помощью специальных генетических манипуляций становятся онколитическими — перестают размножаться в здоровых клетках и воздействуют только на опухолевые. Хорошим примером такой терапии является ONYX-015 — модифицированный аденовирус, который не экспрессирует белок Е1В. При отсутствии этого белка вирус не может реплицироваться в клетках с нормальным геном p53 [15]. Два вектора, сконструированных на базе вируса простого герпеса (HSV-1) — G207 и NV1020 — также несут в себе мутации нескольких генов, чтобы реплицироваться только в раковых клетках [16]. Большим преимуществом техники является то, что при проведении внутривенных инъекций онколитические вирусы разносятся с кровью по всему организму и могут бороться с метастазами. Основные проблемы, которые возникают при работе с вирусами — это возможный риск возникновения иммунного ответа в организме реципиента, а также неконтролируемое встраивание генетических конструкций в геном здоровых клеток, и, как следствие, возникновение раковой опухоли.

Геноопосредованная ферментативная пролекарственная терапия

Минус терапии состоит в том, что в опухолях присутствуют все защитные механизмы, свойственные здоровым клеткам, и они постепенно адаптируются к повреждающим факторам и пролекарству. Процессу адаптации способствует экспрессия цитокинов (аутокринная регуляция), факторов регуляции клеточного цикла (отбор самых стойких раковых клонов), MDR-гена (отвечает за восприимчивость к некоторым медикаментам).

Иммунотерапия

Благодаря генной терапии, в последнее время начала активно развиваться иммунотерапия — новый подход для лечения рака с помощью противоопухолевых вакцин. Основная стратегия метода — активная иммунизация организма против раковых антигенов (ТАА) с помощью технологии переноса генов [18].

Главным отличием рекомбинантных вакцин от других препаратов является то, что они помогают иммунной системе пациента распознавать раковые клетки и уничтожать их. На первом этапе раковые клетки получают из организма реципиента (аутологичные клетки) или из специальных клеточных линий (аллогенные клетки), а затем выращивают их в пробирке. Для того чтобы эти клетки могли узнаваться иммунной системой, вводят один или несколько генов, которые производят иммуностимулирующие молекулы (цитокины) или белки с повышенным количеством антигенов. После этих модификаций клетки продолжают культивировать, затем проводят лизис и получают готовую вакцину.

Когда было доказано, что большинство видов рака имеют специфические антигены и способны индуцировать свои защитные механизмы [22], была выдвинута гипотеза, что блокировка иммунной системы раковых клеток облегчит отторжение опухоли. Поэтому для производства большинства противоопухолевых вакцин в качестве источника антигенов используют опухолевые клетки пациента или специальные аллогенные клетки. Основные проблемы иммунотерапии опухолей — вероятность возникновения аутоиммунных реакций в организме больного, отсутствие противоопухолевого ответа, иммуностимуляция роста опухоли и другие.

Стволовые клетки

Заключение

Если подвести итоги, можно с уверенностью говорить, что наступает эпоха персонализированной медицины, когда для лечения каждого онкобольного будет подбираться определенная эффективная терапия. Уже разрабатываются индивидуальные программы лечения, которые обеспечивают своевременный и правильный уход и приводят к значительному улучшению состояния пациентов. Эволюционные подходы для персонализированной онкологии, такие как геномный анализ, производство таргетных препаратов, генная терапия рака и молекулярная диагностика с использованием биомаркеров уже приносят свои плоды [17].

Читайте также: