2 курс / Нормальная физиология / ТЕХНОЛОГИИ_ДИАГНОСТИКИ_И_КОРРЕКЦИИ_ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКИХ_НАРУШЕНИЙ

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

Глава 15. Метаболическая регуляция функциональной активности клеток иммунной системы при клеточной терапии

Клеточные технологии определяются как совокупность методов, направленных на выделение отдельных типов клеток из какой-либо ткани, их культивирование (выращивание) с целью увеличения количества определенного типа клеток и последующего использования продуктов жизнедеятельности этих клеток или самих клеток в лечебных целях (Балдуева И.А. и соавт., 2020). Это новая многообещающая отрасль современной биомедицины, и от того, по какому пути она пойдет, зависит будущее медицины в ближайшие десятилетия. Уже в первом десятилетии XXI века было создано более 30 биотехнологических стартап-ком- паний в 11 странах с ежегодным бюджетом около 200 млн долларов, основой коммерческой деятельностью которых стали технологии, основанные на применении стволовых клеток и терапевтическом клонировании. На сегодняшний день более 300 компаний занимаются разработкой подходов к клеточной терапии.

Одним из направлений в клеточных технологиях, применяемых в медицине, является стимулирование процессов пролиферации и дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток (МСК). В основе механизмов влияния метаболитов на функциональную активность МСК лежат процессы, связанные как с непосредственным влиянием субстратов и коферментов на активность отдельных ферментов или метаболических процессов, так и с эпигенетической регуляцией. Термин «эпигенетическая регуляция» относится к нескольким процессам, которые вызывают изменения в наследуемой экспрессии без изменения геномов. Эти процессы включают метилирование ДНК, модификации гистонов, регуляцию некодирующей РНК и т. д. (Wang X. et al., 2023). Эпигенетическая регуляция играет основную роль в некоторых биологических характеристиках МСК и необходима для поддержания гомеостаза, определения судьбы клеток, старения клеток, их пролиферации. Эпигенетические ферменты регулируются внешним микроокружением, и передача этих сигналов клетками способствует ответу МСК на внешние изменения (Meier J.L., 2013).

Иммунотерапия на основе аутологичных Т-лимфоцитов, экспрессирующих химерные антигенные рецепторы [(CAR), Chimeric Antigen Receptor], созданных с помощью методов генной инженерии (адоптивная иммунотерапия), является одним из наиболее многообещающих методов лечения онкологических

390

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

больных (Петухов А.В. и соавт., 2018; Biltibo E., Berdeja J.G., 2023; Zhang X.W. et al., 2023). При этом выраженная противоопухолевая активность CAR Т-клеток требует введения метаболитов, стимулирующих пластические и энергетические процессы в лимфоцитах. Кроме того, необходимо учитывать, что метаболические потребности самих опухолевых клеток и микроокружения опухоли [(TME), Tumor Microenvironment] также отрицательно влияет на состояние метаболических процессов CAR Т-лимфоцитов и, соответственно, их функциональную активность.

В 1956 году Отто Варбург констатировал, что пролиферация раковых клеток поддерживается энергетикой анаэробного гликолиза (рис. 141), а не процессами окислительного фосфорилирования (Warburg O., 1956).

Рис. 141. Сравнительная характеристика анаэробной и аэробной энергетики в раковых клетках

(Xia L. et al., 2021)

Анаэробный метаболизм настолько важен для раковых клеток, что наиболее часто выявляемые в них мутации, стимулирующие экспрессию Ras (мембраносвязанные G-белки, участвующие в передаче регуляторного и/или функционального сигнала), активность PI3K/AKT/mTOR (сигнальный путь, центральными компонентами которого являются ферменты фосфоинозитид-3-киназа (PI3K), киназы AKT (три протеинкиназы В, кодируемые генами AKT1, AKT2 и AKT3) и mTOR (mammalian target of rapamycin)) (рис. 142), уровень фактора, индуцируемого гипоксией 1α (HIF-1α) и протоонкогенов c-MYC (фактор тран-

391

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

гликолиза) и фосфофруктокиназу (ключевой фермент гликолиза), а также АТФ-цитратлиазу, чтобы превра-

тить митохондриальный цитрат в цитозольный ацетил-КоА для синтеза липидов (Goncalves M.D., Cantley L.C., 2018; Ward P.S., Thompson C.B., 2012). Наконец, mTORC усиливает процессы биосинтеза в митохондриальном компартменте, поглощая оксалоацетат и α-кетоглутарат, превращая их в аминокислоты для последующего белкового синтеза (Ward P.S., Thompson C.B.,2012).

Также необходимо учитывать, что солидная опухоль проявляет пространственную метаболическую неоднородность (Инжеваткин Е.В., Савченко А.А., 2019). На рис. 143 показано распределение активности ферментов по площади исследованного фрагмента опухолевой ткани. Наибольшая активность НАДМДГ и НАДИЦДГ наблюдается в центральной области фрагмента. Известно, что в опухоли ЦТК функционирует в значительной мере как источник субстратов для биосинтеза аминокислот и жирных кислот, необходимых для пролиферации ее клеток (DeBerardinis R.J. et al., 2008).

Таким образом, высокие значения активности данного фермента в центральной области опухоли могут свидетельствовать о существовании высокого пролиферативного потенциала клеток карциномы. Максимум активности НАДНМДГ

392

https://t.me/medicina_free

Рис. 143. Распределение активности никотинамидадениндинуклеотид- и никотинамидадениндинуклеотидфосфат-зависимых дегидрогеназ (мкЕ/мг белка) в пределах опухолевой ткани солидной карциномы Эрлиха

(Инжеваткин Е.В., Савченко А.А., 2019)

393

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

наблюдается в смежной области солидной опухоли. В дальнейшем малат в митохондриях опухолевых клеток может превращаться в оксалоацетат, который в свою очередь становится субстратом для получения аминокислот. Активность НАДФМДГ, НАДЛДГ и НАДНЛДГ достигает максимума в той же области опухоли, что и НАДНМДГ. НАДФМДГ выполняет в клетках роль поставщика НАДФН. С этим ферментом связывают усиление инвазивной способности опухоли, поскольку восстанавливаемый им НАДФН используется для синтеза жирных кислот в опухолевых клетках, а также обеспечивает поддержание внутриклеточного редокс-статуса и защищает раковые клетки от окислительного стресса (Zheng F.J. et al., 2012). Высокая активность НАДЛДГ и НАДНЛДГ свидетельствует о высоком уровне интенсивности гликолиза. Г6ФДГ является инициирующим ферментом пентозофосфатного пути, в результате деятельности которого образуется НАДФН, необходимый для регенерации восстановленного глутатиона. Вследствие этого Г6ФДГ часто рассматривают в качестве одного из защитных ферментов клеток, наряду с такими ферментами, как CAT, СОД, глу- татион-S-трансфераза и ГР. Важно, что пентозофосфатный путь обеспечивает субстратами и НАДФН макромолекулярный синтез, что имеет особое значение для активно пролиферирующих клеток (Perl A. et al., 2011). Следовательно, повышение активности Г6ФДГ в центральной области тела опухоли определяет усиление в клетках биосинтетических процессов. Активность Г3ФДГ достигает максимальных уровней на периферии раковой опухоли. Этот фермент катализирует НАД-зависимое превращение глицерол-3- фосфатата, который является предшественником триацилглицеролов, в диоксиацетонфосфат — один из интермедиатов гликолиза (Smirnova O.V. et al., 2011). Высокий уровень активности Г3ФДГ свидетельствует о возникновении предпосылок для перераспределения субстратов липидного обмена в направлении гликолиза. В то же время низкий уровень активности данного фермента в центральной области раковой опухоли говорит о преимущественном использовании гли- церол-3-фосфата в качестве субстрата для синтеза липидов. Наряду с повышенной активностью Г6ФДГ и другими особенностями метаболизма, характерными для центральной области тела опухоли, это может свидетельствовать о развитии процессов метаболической адаптации опухолевых клеток. Пластический и энергетический обмен также зависит от активности НАДФ- и НАД-зависимых реакций глутаматдегидрогеназ, которые обеспечивают поступление в цикл трикарбоновых кислот субстратов от аминокислотного обмена в виде α-кетоглутарата, с образованием аммиака (Савченко А.А., Борисов А.Г., 2012). Исходя из наших данных, наибольший уровень активности НАДФГДГ наблюдается в центральной и правой верхней областях раковой опухоли, тогда как активность фермента для НАД-зависимой реакции достигает наибольших значений в смежных областях. Таким образом, в целом распределение активности реакций НАДФГДГ и НАДГДГ противоположно: высокий уровень активности НАДФГДГ соответствует пониженному уровню НАДГДГ и наоборот.

394

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

Особенности метаболизма раковых клеток, соответственно, определяют биохимию в системе TME, что реализуется в метаболической конкуренции между раковыми клетками и клетками иммунной системы (рис. 87). Кроме того, некоторыми продуктами метаболизма раковых клеток являются вещества, которые оказывают ингибирующее влияние на эффекторные клетки противоопухолевого иммунитета и/или активирующее влияние на супрессирующие клетки иммунной системы. В частности, накопление молочной кислоты и CO2 за счет метаболизма раковых клеток вызывает снижение рН в TME и, соответственно, подавляет пролиферативную активность Т-клеток, ухудшает продукцию цитокинов и ингибирует цитотоксическую активность Т-клеток, вызывая при этом радиорезистентность опухоли и способствуя миграции и инвазии опухолевых клеток (Barbieri L. et al., 2023; Bohn T. et al., 2018).

Рис. 144. Метаболическая конкуренция между раковыми клетками и клетками иммунной системы

(Xia L. et al., 2021)

Доказано, что высокая экспрессия индоламин-2,3-диоксигеназы [(IDO), indoleamine-2,3-dioxygenase, EC 1.13.11.52] и триптофан-2,3-диоксигеназы [(TDO), tryptophan 2,3-dioxygenase, EC 1.13.11.11] макрофагами и раковыми клетками способствует иммунной толерантности, опосредуя превращение триптофана в кинуренин (Adams S. et al., 2012; Zhang S. et al., 2022). Истощение триптофана и накопление кинуренина приводит к подавлению противоопухолевого иммунитета, реципрокно нарушая рост и выживание Т-эффекторных клеток и усиливая развитие и функцию Treg и супрессорных клеток миелоидного происхождения [(MDSC), myeloid-derived suppressor cells] (Nguyen N.T. et al.,2013; Xu X. et al., 2019). Внеклеточный цистеин и аргинин также являются важными питательными ресурсами, за которые конкурируют как Т-лимфоциты, так и раковые клетки. Цистеин вместе с глицином и глутаматом являются субстратами

395

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

для синтеза de novo восстановленного глутатиона (GSH), который является одним из наиболее важных клеточных антиоксидантов, контролируя уровни внутриклеточных АФК и перекисей (Савченко А.А., Борисов А.Г. 2012; MoralesBorges R.H. et al., 2022). В то же время катаболизм глюкозы и глютамина обеспечивает поступление в раковые клетки глицина и глутамата, тем самым стимулируя восстановительную способность через НАДФН (Altman B.J. et al., 2016; Belikov A.V. et al., 2015; Zhao H. et al., 2022). В связи с тем, что в Т-лимфоцитах отсутствует цистатионаза (цистатион гамма-лиаза: EC: 4.4.1.1 фермент, превращающий метионин в цистеин), они становятся более уязвимыми к цистеиновому голоданию, чем раковые клетки (Srivastava M.K. et al., 2010; Yu M., Zhang S., et al., 2023). Показано, что стимуляция синтеза аргинина в Т-клетках способствует выработке ими провоспалительных цитокинов и формированию фенотипа клеток центральной памяти, а также усиливает противоопухолевый ответ (Geiger R. et al., 2016; Valvo V. et al., 2022). И наоборот, стимуляция ферментативной активности аргиназы (расщепляет аргинин на орнитин и мочевину) вызывает анергию Т-лимфоцитов (Weis-Banke S.E. et al., 2022).

При реализации стресса и/или повреждении клетки в TME высвобождают АТФ/АДФ и их катаболический продукт — аденозин, который через вовлечение пуринергических рецепторов P2 вызывает иммуносупрессивные эффекты (Cekic C., Linden J., 2016; Chen S. et al., 2022). Рецепторы CD39 и CD73 представляют собой две эктонуклеотидазы, которые широко экспрессируются на плазматической мембране раковых клеток и раковых стромальных клетках и ответственны за превращение АДФ/АТФ в АМФ и аденозин. Соответственно, рецепторы CD39 и CD73 играют решающую роль в определении исхода противоопухолевого иммунитета за счет смещения провоспалительных эффектов, обусловленных АТФ, на противовоспалительную процессы, опосредованные аденозином (Jiang X. et al., 2023; Yang R. et al., 2020). Аденозиндезаминаза (ADA) превращает аденозин в инозин, прекращая аденозин-опосредованные иммуносупрессивные эффекты (Secord E., Hartog N.L., 2022). В соответствии с этим генетическая потеря ADA приводит к накоплению аденозина, что ведет к развитию тяжелого комбинированного иммунодефицита [(SCID), Severe combined immunodeficiency] (Козлов В.А. и соавт., 2020; Signa S. et al., 2022).

Таким образом, в процессе роста опухоль формирует клеточное и гуморальное микроокружение, ингибирующее противоопухолевую активность эффекторных клеток иммунной системы. Причем факторы TME действуют не только в зоне роста опухоли, но и дистантно, попадая в общий кровоток организма (Jeong J. et al., 2019; Romero-Garcia S. et al., 2016). Установлено, что за счет такого регуляторного воздействия при ряде онкологических заболеваний меняется субпопуляционный состав моноцитов с соответствующей модуляцией их функциональной активности и последующей дифференцировкой в макрофаги и ДК (Савченко А.А. и соавт., 2020; Черных Е.Р. и соавт., 2019). В связи с этим проведено исследование особенностей изменения субпопуляционного состава и

396

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

фагоцитарной активности моноцитов у больных раком почки (РП) при воздействии метаболитов in vitro. В качестве опухолевых продуктов метаболизма мы исследовали регуляторное влияние на моноциты таких метаболитов, как лактат, АДФ и глутамат. Связано это с тем, что их концентрация в TME значительно меняется, что приводит к снижению функциональной активности эффекторных клеток иммунной системы (Bhagat T.D. et al., 2019; Guerra L. et al., 2020; RomeroGarcia S. et al., 2016).

При исследовании субпопуляционного состава моноцитов без воздействия метаболитов (контроль) установлено, что у больных РП в крови повышается процентное содержание CD14++CD16 -моноцитов (табл. 51).

Таблица 51

Субпопуляционный состав моноцитов крови (в %) у лиц контрольной группы и больных раком почки при воздействии метаболитов in vitro [Ме (С25 С75)]

Лактат

Примечание: *, **, *** — p <0,05, p <0,01 и p <0,001 относительно соответствующего фенотипа моноцитов при инкубации без метаболитов (контроль); р — статистически значимые различия между показателями больных РП и лиц контрольной группы.

Не обнаружено статистически значимыx различий в абсолютном количестве моноцитов в крови у лиц контрольной группы и больных РП: в контроле — Ме = 0,42×106/л, С25 = 0,29×106/л, С75 = 0,72×106/л; при РП — Ме = 0,48×106/л, С25 = 0,33×106/л, С75 = 0,81×106/л, р = 0,326. Следовательно, увеличение относительного количества классических моноцитов при РП не связано с изменением

397

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

выхода моноцитов из костного мозга, а определяется регуляторным комплексом патологических факторов опухолевого роста. При инкубации с лактатом у больных РП выявляется повышение процентного уровня классических моноцитов относительно контрольных значений и снижение относительного содержания промежуточных моноцитов. При этом перераспределение субпопуляционного состава моноцитов за счет воздействия лактата in vitro у лиц контрольной группы

ибольных РП реализуется одинаково: повышение количества классических моноцитов и понижение содержания промежуточных относительно исходных значений (контроль). При инкубации с АДФ у больных РП обнаружено повышение относительного количества классических моноцитов и снижение промежуточных относительно контрольных значений. У лиц контрольной группы воздействие АДФ in vitro привело к понижению уровней промежуточных и неклассических моноцитов относительно исходных значений. В результате инкубации моноцитов с глутаматом in vitro у больных РП наблюдается повышение относительного количества классических моноцитов и понижение промежуточных моноцитов относительно исходных значений, тогда как у лиц контрольной группы выявляется только снижение уровня промежуточных моноцитов.

Убольных РП при отсутствии метаболического воздействия относительно

контрольных значений снижается величина ФИ у всех субпопуляций моноцитов, но при этом повышается ФЧ для CD14++CD16 -клеток (табл. 52). При воздействии исследуемых метаболитов ФИ для всех субпопуляций моноцитов у больных был ниже, чем у лиц контрольной группы. При инкубации in vitro с лактатом

иглутаматом у обследованных пациентов сохраняется повышенный уровень ФЧ для классических моноцитов. Воздействие лактата привело к увеличению величины ФЧ для промежуточных моноцитов, тогда как АДФ вызвал снижение ФЧ для неклассических моноцитов у больных РП относительно контрольного уровня. Относительно исходных значений у лиц контрольной группы возрастает ФИ для субпопуляции промежуточных моноцитов при инкубации с лактатом, а также для субпопуляции классических моноцитов при воздействии АДФ. Инкубация моноцитов с АДФ также привела к повышению ФЧ для CD14+CD16+-кле- ток у лиц контрольной группы. При РП инкубация с глутаматом in vitro вызывает повышение ФИ для субпопуляции промежуточных моноцитов относительно исходных значений, тогда как воздействие АДФ приводит к снижению ФИ для субпопуляции классических моноцитов, но повышает ФИ для субпопуляции промежуточных моноцитов.

Изменение метаболического состава TME реализуется в том числе дистанционно в регуляторном воздействии на клетки иммунной системы (включая моноциты) за счет различных механизмов: рецепторного, метаболического и эпигенетического (Bhagat T.D. et al., 2019; Guerra L. et al., 2020; Romero-Garcia S. et al., 2016). Эпигенетический механизм модуляции функциональной активности клеток иммунной системы заключается в увеличении под воздействием лактата

398

https://t.me/medicina_free

ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ТЕРАПИЯ

Таблица 52

Фагоцитарная активность моноцитов крови у лиц контрольной группы и больных раком почки при воздействии метаболитов in vitro [Ме (С25 С75)]

Примечание: то же, что и для табл. 8.1.

продукции α-кетоглутарата (αКГ), который в свою очередь активирует деметилазу TET (tet methylcytosine dioxygenase), что приводит к снижению метилирования цитозина и увеличению гидроксиметилирования во время дифференцировки de novo (Bhagat T.D. et al., 2019). Известно, что концентрация лактата и АДФ в TME повышается, уровень глутамата снижается (Bhagat T.D. et al., 2019; Guerra L. et al., 2020). Доказано, что при воздействии лактата на клетки иммун-

399

https://t.me/medicina_free