Эксперименты, которые когда-то считались безумными, теперь помогают ученым атаковать опухоли.
Однажды в 2010 году, когда онколог Пол Муизелаар оперировал пациента с глиобластомой — опухолью головного мозга, печально известной своим смертельным исходом, — он сделал нечто шокирующее. Сначала он вскрыл череп и вырезал столько опухоли, сколько смог. Но прежде чем он заменил кусок черепа, чтобы закрыть рану, он пропитал его раствором, содержащим Enterobacter aerogenes, 1 бактерию, обнаруженную в фекалиях. В течение следующего месяца пациент лежал в коме в отделении интенсивной терапии, борясь с бактериями, которыми он был заражен, — а затем в один прекрасный день сканирование его мозга больше не показывало характерных признаков глиобластомы. Вместо этого он показал абсцесс, что, учитывая ситуацию, Муйцелаар счел положительным событием. “Абсцесс головного мозга можно лечить, глиобластому - нельзя", - сказал он позже The New Yorker. Попробовать, подумал он, стоило того, чтобы рискнуть. Он делал это только в качестве крайней меры в паре безнадежных случаев, но в конечном счете его пациенты все равно умирали, что привело к скандалу, который вынудил его уйти на пенсию.
Подход Муизелаара может показаться более чем возмутительным, но он не был полностью сумасшедшим. Уже более 200 лет медикам известно, что инфекции, особенно те, которые сопровождаются лихорадкой, могут оказывать странное и шокирующее воздействие на рак: иногда они уничтожают опухоли. Эмпирические доказательства этих труднообъяснимых методов лечения были задокументированы в медицинской литературе, начиная с 1700-х годов. В 19 веке некоторые врачи пытались лечить больных раком, намеренно заражая их живыми бактериальными патогенами. Иногда это срабатывало, иногда пациенты умирали. Инъекции людям мертвых бактерий работали лучше и, по сути, спасали жизни, по крайней мере, при некоторых видах рака. Проблема заключалась в том, что он не работал последовательно и неоднократно, поэтому он так и не стал устоявшейся парадигмой лечения. Более того, никто не мог объяснить, как работает этот метод и что он делает. Врачи предположили, что инфекции каким-то образом активизировали защитные силы организма, но даже в начале 20 века у них не было средств объяснить таинственную силу, которая пожирала опухоль.
Сегодня мы знаем, что эта тайна кроется в сложном взаимодействии рака и иммунной системы, говорит Микала Эгеблад из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, которая изучает бурные взаимодействия между раком и организмами, в которых они растут. Мы знаем, что раковые заболевания обладают сверхъестественной способностью затуманивать глаза клеткам иммунной системы — не только прячась от них, но даже кооптируя их, чтобы помочь себе процветать. “Опухоли — это органы с нарушенной регуляцией, - говорит Эгеблад, - и они также нарушают регуляцию окружающей среды вокруг них. Они вызывают много беспорядков и опустошения везде, где они захватывают власть. Называемое микроокружением опухоли, это “поле битвы” кишит различными микроскопическими игроками, которых рак превращает в невольных союзников.
“Наша иммунная система пытается защитить нас от различных угроз, включая рак”, - говорит Карин Пелка из Института геномной иммунологии Гладстон-UCSF, которая изучает клеточные взаимодействия, формирующие иммунные реакции. “Но рак мутирует таким образом, что он эволюционирует, чтобы избежать иммунной системы. Так что здесь идет постоянная битва".
В этих нерегулируемых, беспорядочных экосистемах инфекции действительно могут служить силой, которая исправляет ошибки. Они могли бы перезагрузить нормальные защитные механизмы организма, заставляя иммунную систему видеть врага. Однако преднамеренное заражение больных раком бактериальными патогенами сталкивается с серьезным препятствием. Это никогда не пройдет одобрение FDA, потому что подвергать людей, которые уже тяжело больны и борются за свою жизнь, еще одной угрозе здоровью неэтично, безрассудно и рискованно. И все же новые направления в лечении рака основаны на идее запуска иммунной системы, хотя и по-другому. Более того, некоторые иммунологические подходы к лечению рака прошли клинические испытания в реальных клиниках.
Он делал это только в качестве последнего средства в паре безнадежных случаев.
Сегодня медицина располагает более совершенными методами восстановления бездействующих защитных сил организма, которые не предполагают заражения пациентов патогенами. И есть разные способы сделать это, говорит Пелка. В одном из них используются так называемые онколитические вирусы - генетически сконструированные или существующие естественным путем вирусы, которые заражают только опухолевые клетки, размножаются внутри, а затем разрывают их, вторгаясь в другие клетки. Ученые также пытаются повысить активность иммунной системы с помощью специфических цитокинов — молекул, которые клетки используют для связи друг с другом. Особенно успешный класс лекарств, используемых в настоящее время против различных видов рака, называется ингибиторами контрольных точек; он работает, высвобождая Т-клетки-воины организма для уничтожения раковых клеток. Другой стратегией, которая оказалась успешной в борьбе с некоторыми видами рака крови, являются CAR-Ts (Химерные Т-клетки, рецепторы антигена), в которых Т-клетки берутся из крови, проектируются в лаборатории для поиска конкретного рака, а затем вводятся пациенту.
Усиление защитных сил иммунной системы также гораздо мягче воздействует на пациентов, чем традиционные методы, такие как химиотерапия, которые также неизбежно повреждают здоровые клетки. “Иммунотерапия гораздо менее токсична, чем химиотерапия”, - говорит онколог Сильвия Адамс, которая лечит больных раком в системе здравоохранения Нью-Йоркского университета Лангоне. “Это не меняет качество жизни пациента". Он просто “тренирует” иммунную систему для борьбы с опухолью. И это то, к чему стремятся прибегнуть онкологи.
Мы надеемся обучить иммунную систему распознавать опухоль”, - говорит Пелка. Эта тренировка может иметь длительный эффект, потому что иммунная система обладает памятью. Как только химиотерапия будет прекращена, рак может вырасти снова, если не будет убита каждая отдельная клетка. Но если вы научите иммунные клетки распознавать врага, они его запомнят. “Эта функция памяти - это то, что очень волнует иммунологов-онкологов”, - говорит Пелка.
Эта “тренировка” иммунной системы работает на молекулярном уровне, и именно это сейчас исследуют иммунологи рака. Egeblad делает это в фантастическом стиле путешествия — наблюдая за тем, что делают клетки в микроокружении опухоли. Это немного похоже на прыжок с парашютом в окопы опухолей, где армии клеточных солдат участвуют в военных действиях, иногда обманывая друг друга, иногда пробуждая друг друга от молекулярного ступора. Egeblad экспериментирует с некогда многообещающим лечением, которое попало в немилость, потому что оно также включало опасные бактериальные патогены. Впервые опробованный умным клиницистом более 100 лет назад, он, возможно, наконец-то должен быть обновлен в 21 веке.
Уильям Коули и его токсины
Осенью 1890 года Элизабет Дэшил, спортивная 17-летняя девушка, которая была близкой подругой Джона Д. Рокфеллера-младшего, вернулась из авантюрной поездки на Аляску с опухшей рукой, которую она повредила в, казалось бы, незначительном несчастном случае. Ее рука заживала так плохо, что она отправилась к Уильяму Коули, молодому, но известному врачу, в Мемориальную больницу в Нью-Йорке, которая позже станет Мемориальным онкологическим центром Слоан-Кеттеринг.2
Оказалось, что рука Дэшилла совсем не заживала — Коули диагностировал у нее агрессивную круглоклеточную саркому, разновидность рака костей.3 Коли прооперировали, но это мало помогло — Дэшил умер от метастазов 10 недель спустя. Ее рак был настолько быстрым и жестоким, что произвел глубокое впечатление на Коули. Он отправился на поиски лучших вариантов.
Просматривая медицинскую литературу, Коули нашел медицинскую карту семилетней давности пациента с круглоклеточной саркомой на шее, которая продолжала расти, несмотря на пять операций. Мужчина, немецкий иммигрант по имени Фред Штайн, считался неоперабельным и безнадежным, пока не связался с рожистым воспалением — кожной инфекцией, вызванной бактериями стрептококка, которая проявляется лихорадкой и большими красными пятнами на лице и ногах. Инфекция, распространившаяся на его шею и лицо, вызвала странный побочный эффект — его опухоль почти исчезла. Согласно записям, Штейн вернулся домой в добром здравии. Коули обыскал жилые дома Нижнего Манхэттена в поисках Стейна и нашел его все еще живым и здоровым, без признаков рака.
Продолжая изучать медицинскую литературу, он обнаружил, что различные известные медики также наблюдали лечебное воздействие инфекций на рак. Например, английский хирург сэр Джеймс Пейджет отметил, что инфекция может вызвать регрессию в некоторых опухолях. В 1867 году немецкий врач Буш сообщил о случае, похожем на случай Штейна, в котором опухоль исчезла, когда у пациента развилась рожистое воспаление. А в 1888 году, всего за два года до смерти Дэшиелла, другой медик по имени Брунс намеренно сделал больному раком укол стрептококка, чтобы вызвать рожистое воспаление, после чего опухоль уменьшилась. В общей сложности Коули прочитал о более чем 40 случаях, документирующих благотворное влияние инфекций на опухоли.
Команды показали, что комбинация подавляет рост опухоли и метастазирование.
Коули попытался ввести трем пациентам стрептококковые бактерии. Опухоли, казалось, уменьшились, но двое пациентов умерли от инфекции, поэтому Коули перешел на использование мертвых бактерий — убитых теплом. Он также добавил в свою смесь еще одну “приготовленную” бактерию, Serratia marcescens, которая, будучи живой, может вызывать инфекции дыхательных и мочевыводящих путей. Он использовал комбинацию, получившую название Токсин(и) Коули, на неоперабельных пациентах с саркомой с изрядным успехом — это было лучше, чем что-либо другое, доступное в то время. В течение следующих трех десятилетий токсины Коли широко использовались — до тех пор, пока не достигли совершеннолетия методы лучевой и химиотерапии. Эти новые методы лечения вскоре превзошли по популярности мертвые бактерии, и токсины Коли были практически похоронены в анналах медицины.
У токсинов Коли было несколько проблем. Медикам нравятся предсказуемые и повторяемые результаты, а жуки — живые или мертвые — были привередливыми объектами. Коули сделал 13 различных препаратов токсинов, причем некоторые из них были более эффективными, чем другие. Иногда он вводил их внутривенно, иногда внутримышечно, а в других случаях вводил их непосредственно в опухоли.2 Многие врачи, которые использовали его токсины, не получили таких же результатов. Более того, никто, даже Коули, не мог объяснить, как действуют токсины.
Отчасти проблема заключалась в том, что метод Коули существенно опередил свое время. В начале 20-го века у ученых не было средств, чтобы совершить Фантастическое путешествие в логово опухолей. Они не могли заглянуть в микроокружение опухоли. Они не знали, что рак может повреждать и кооптировать клетки иммунной системы. И все же Коули был на правильном пути, говорит Адамс. “Когда мы, онкологи, говорим об иммунологии рака, мы всегда ссылаемся на Коли как на человека, который первым догадался о силе иммунной системы”.
Сегодня у ученых есть гораздо лучшие инструменты для наблюдения за этими битвами в действии. Они могут буквально видеть, как токсины снова включают механизмы борьбы иммунных клеток с опухолями.
В траншеи Опухоли
Если бы вы действительно могли отправиться в окопы опухолей, вы, вероятно, нашли бы это место очень переполненным. Опухоли любят окружать себя всевозможными нормальными, здоровыми клетками, которые они разрушают и превращают в помощников.
В здоровой среде эти клетки выполняли бы свои назначенные действия, объясняет Эгеблад. Фибробласты будут строить каркасы для роста различных тканей, таких как мышцы или кости. Перициты будут образовывать кровеносные сосуды. Воины иммунной системы, В-клетки и Т-клетки, будут разыскивать преступников, выделять антитела и убивать больные клетки — инфицированные патогенами или мутировавшие. Нейтрофилы вступили бы в борьбу, поглощая вторгающиеся микроорганизмы и выделяя ферменты, которые убивают их. А макрофаги уберут весь клеточный мусор и уничтожат различные клетки—изгои оксидом азота - токсичной молекулой свободных радикалов, которую они извергают. Многие из этих клеток также взаимодействуют друг с другом посредством молекулярных сообщений. Т-клетки стимулируют В-клетки выделять больше антител. Макрофаги активируют Т-клетки, чтобы натравить их на возбудителей болезни. В ответ Т-клетки активируют макрофаги, выделяя воспалительные цитокины, молекулы, которые регулируют реакцию организма на болезни и инфекции. Все эти разные игроки поддерживают друг друга в состоянии готовности и вовлеченности, хорошо работающая команда биологической защиты.
Он ввел трем пациентам стрептококковые бактерии. Опухоли, казалось, уменьшились.
Обычно все эти действия должны выявлять мутировавшие клетки и уничтожать их до того, как они начнут размножаться. Но если и когда мутировавшей раковой клетке — которая может разделиться на две, или четыре, или небольшой сгусток — удается избежать обнаружения, они нарушают нормальный порядок вещей. Они начинают выдавать свои собственные молекулярные сообщения, которые сбивают с толку клеточную команду. Опухоли повреждают фибробласты, которые, в свою очередь, отключают некоторые Т-клетки и В-клетки, по сути, делая их слепыми к присутствию рака. Опухоли могут “перепрограммировать” макрофаги — они выделяют молекулы, которые привлекают эти клетки, но вместо того, чтобы пожирать мутантов, макрофаги выделяют стимуляторы роста для них. “Таким образом, иммунная система может обеспечить опухоли факторами роста, которые приносят пользу раку", - говорит Пелка.
Ученые называют такие молекулярные “перебежчики” ассоциированными с опухолью макрофагами, или ТАМ. Эти ТАММЫ наносят больший ущерб, чем просто питание опухолей — они отключают Т-клетки и В-клетки, поэтому они больше не видят врага. Более того, эти ТАМ начинают вызывать рак по всему телу, позволяя метастазам распространяться. Они активно помогают злокачественным клеткам путешествовать автостопом в кровотоке, путешествуя повсюду и оседая в новых местах. “Данные убедительно свидетельствуют о том, что TAMS помогают опухолевым клеткам проникать в кровеносные сосуды и выходить из них — они физически питают раковые клетки”, - говорит Эгеблад. “Таким образом, несмотря на то, что иммунная система обладает способностью распознавать раковые клетки, она отключается. Клетки подавляются". Рак действительно выводит из себя клеточную армию иммунной системы. Клеткам нужно открыть глаза.
Для Эгеблад таким “открытием для глаз” стал эксперимент, проведенный одним из ее аспирантов несколько лет назад. Он пытался заставить Тамса вернуться в свое обычное злющее состояние и начать убивать глиобластому. Он смешал кучу раковых клеток и ТАМ в чашке Петри, а затем добавил немного “волшебной пыли” — смеси токсина, полученного из бактерий, и другого иммуностимулирующего соединения, называемого интерфероном гамма. Являясь частью врожденной иммунной системы, интерфероны являются белками, которые опосредуют защитные реакции организма, а гамма-тип особенно известен своей противораковой активностью.
Комбинация токсин-интерферон нанесла сокрушительный удар. Ослепленные макрофаги “проснулись” и атаковали рак — сражение, которое постдок запечатлел на камеру. “Это заставляет макрофаги по-другому разговаривать с Т-клетками”, - объясняет Эгеблад. “Они изменяют сигналы, которые они посылают, и эти новые сигналы делают Т–клетки эффективными в распознавании раковых клеток. Но мы думаем, что это также, вероятно, работает и на всех других клетках. Это меняет всю окружающую среду”.
Эгеблад и Адамс объединились, чтобы исследовать, как эта комбинация будет работать на опухолевых клетках, взятых у реальных пациентов. Команда Адама собрала легочные жидкости у пациентов с раком молочной железы, которые метастазировали в легкие, и перевезла их в CSHL. Команда Эгеблада извлекла опухолевые клетки и иммунные клетки из образцов, обработала их комбинацией токсин-интерферон и наблюдала, как иммунные клетки пробуждаются к присутствию рака. “Мы смогли включить их на опухолевые клетки в чашке", - говорит Адамс. “Мы перепрограммировали их, чтобы убить опухоль”. В недавнем исследовании две команды показали, что комбинация токсин-интерферон также подавляет рост опухоли и метастазирование при раке молочной железы и яичников у мышей.4 Они надеются в конечном итоге попробовать это и на людях.
Понимание микроокружения опухоли имеет и другие возможности. Это может помочь точно ответить на вопрос, как раки сначала “открывают магазин”, разрушая клетки иммунной системы и заставляя их работать на себя. Когда метастатические раковые опухоли впервые попадают в новое место, это место не предназначено для их питания, говорит Эгеблад. Все клетки организма там здоровы и выполняют свою обычную работу — и все же раку удается снова их испортить. Слишком часто пациенты возвращаются домой, казалось бы, излеченные от рака, только для того, чтобы обнаружить, что он метастазировал где-то еще или даже во многих местах и уже находится в продвинутой форме. “Мы хотели бы понять, как развиваются метастазы, что позволяет раковым клеткам преуспевать в новом органе или как иммунная система устраняет их там”, - говорит Эгеблад. “Как только мы это выясним, мы сможем положить конец распространению рака”.
ЛИНА ЗЕЛЬДОВИЧ выросла в семье российских ученых, слушая на ночь истории о вулканах, черных дырах и бесстрашных исследователях. Она писала для "Нью-Йорк Таймс", "Сайентифик Америкэн", "Ридерз дайджест" и журнала "Одюбон", среди прочих публикаций, и получила четыре награды за освещение науки о какашках. Ее книга "Другая темная материя: Наука и бизнес превращения отходов в богатство" только что вышла в издательстве Чикагского университета. Вы можете найти ее по адресу LinaZeldovich.com и @Linazeldovich.
Видео первое: Мутные воды В этом видео макрофаги не способны уничтожать раковые клетки. Клетки рака молочной железы растут и в конечном итоге берут верх. Кредит: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор
Видео второе: Новая надежда В этом видео исследователи из лаборатории профессора CSHL Микалы Эгеблада использовали препараты для активации макрофагов. С помощью этого усиления макрофаги способны уничтожать раковые клетки. Кредит: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор