Злокачественные опухоли связаны с высокой заболеваемостью и смертностью во всем мире. Согласно статистическим данным, опубликованным GLOBOCAN, в 2018 году было зарегистрировано 18,1 миллиона новых случаев рака и 9,6 миллиона случаев смерти от рака [1]. Наиболее часто диагностируемым у обоих полов является рак легких (11,6% от общего числа случаев), он же – основная причина смерти от окологии (18,4% от общего числа случаев смерти от рака), затем по распространённости следуют рак женской молочной железы (11,6%), предстательной железы (7,1%) и колоректальный рак (6,1%). Таким образом, злокачественные опухоли представляют значительную угрозу здоровью человека. Традиционное лечение злокачественных опухолей основано на хирургии, лучевой и химиотерапии, каждый подход связан со своими плюсами и минусами. Хирургия не всегда может полностью удалить опухолевые клетки, и недавние исследования показывают, что реакция на послеоперационное заживление раны может привести к росту метастатических опухолей. Лучевая терапия и химиотерапия имеют тенденцию вызывать толерантность и рецидив опухолевых клеток, что приводит к плохому прогнозу. Высокая специфичность является преимуществом использования таргетной (адресной) терапии. Ранние клинические испытания на множественных типах опухолей показали, что мономолекулярная таргетная терапия дает более высокий уровень ответа и выживаемости, чем другие методы лечения, хотя сохраняются такие проблемы, как неудовлетворительная скорость разработки лекарств и их высокая стоимость [2].

В последние годы иммунотерапия опухолей стала новым подходом к устранению злокачественных опухолей. Контрольные точки на поверхности Т-лимфоцитов, клеток иммунной системы, действуют как «молекулярные тормоза» во время иммунного ответа для поддержания баланса иммунной системы. Исследователи показали, что опухолевые клетки могут экспрессировать ингибиторы контрольных точек для ускользания от иммунного ответа. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 2018 года Эллисон и Хонджо (James P. Allison, Tasuku Honjo) показали, что цитотоксический Т-лимфоцитарный антиген 4 (CTLA-4) и белок запрограммированной смерти клетки 1 (PD-1) действуют как отрицательные иммунорегуляторные факторы и ингибируют противоопухолевый иммунный ответ [3]. (Под антигеном здесь и далее понимается любое чужеродное для организма вещество, против которого обычно начинают вырабатываться антитела, т.е., возникает иммунный ответ.) Они также подтвердили, что опосредованная антителами блокировка иммунных контрольных точек снимает ингибирование иммунных клеток опухолевыми клетками и оказывает противоопухолевый эффект, что может составлять основу для терапии. Клинические испытания показали, что такой подход имеет хороший потенциал, хотя во многих случаях эффект ограничен, особенно при солидных опухолях. Другой популярной иммунотерапией является адоптивная Т-клеточная терапия, которая является разновидностью пассивной иммунотерапии. Этот метод включает активацию и амплификацию аутологичных Т-лимфоцитов пациента in vitro, а затем возвращение их в организм для уничтожения опухолевых клеток. Несмотря на замечательные результаты, достигнутые в клинических испытаниях, адоптивные Т-клетки имеют плохую устойчивость in vivo, обладают цитотоксичностью и могут вызывать «цитокиновый шторм», т.е., системную воспалительную реакцию, при которой уровень цитокинов в периферической крови многократно превышает норму и зачастую ведет к летальному исходу. Здесь стоит отметить, что еще в 1891 году доктор Уильям Коли (William Coley), пионер иммунотерапии опухолей, использовал токсин Коли (инактивированные Streptococcus pyogenes и Serratia marcescens) для внутриопухолевой инъекции, чтобы стимулировать иммунную систему пациента, после чего наблюдалась регрессия опухоли [4].

Слабая иммуногенность (способность вызывать иммунный ответ) опухолевых клеток является еще одной причиной, в дополнение к подавлению иммунной системы, лежащей в основе их ускользания от иммунного ответа. Поэтому поиск неоантигенов с более сильной иммуногенностью стал ключевым вопросом в иммунотерапии. В настоящее время технология секвенирования и алгоритмы биоинформатики достигли значительного прогресса, что позволило выяснить роль основных белков главного комплекса гистосовместимости (МНС) в презентации антигена и пролиферации антиген-специфических Т-лимфоцитов и клонировать необходимые гены, используя методы молекулярной биологии. Эти достижения обеспечивают необходимую поддержку для идентификации молекул неоантигенов. Присутствие неоантигенов является одним из существенных различий между опухолевыми клетками и нормальными клетками, и поэтому концепция использования идентифицированных неоантигенов в качестве вакцин для стимуляции активации аутоиммунной системы пациентов и генерирования противоопухолевого ответа получила широкое признание. Теоретически, по сравнению с другими видами иммунотерапии, неоантигенная вакцина, как новый вид иммунотерапии опухолей, может вызывать сильный специфический иммунный ответ и оказывать стабильный терапевтический эффект.

Неоантигены, класс опухоль-специфических антигенов, отличаются от традиционных антигенов, ассоциированных с опухолью (TAA). TAA не уникальны для опухолевой ткани, поскольку они также присутствует в нормальных тканях; они высоко экспрессируется в пролиферирующих опухолевых клетках. Антигены, которые вызывают сильное отторжение опухоли, имеют тенденцию проявлять сильную индивидуальную специфичность. Следовательно, по сравнению с ТАА, неоантигены обладают более сильной иммуногенностью и более высоким сродством к МНС и не подвержены влиянию общей иммунологической толерантности. Используя модель опухоли на мышах, индуцированной ультрафиолетовым светом, в 1995 году впервые было показано, что опухолевые неоантигены могут быть направлены на иммунотерапию рака [5]. Чем больше разница между мутационной последовательностью и исходной кодирующей последовательностью, тем более очевидна особенность аномального белка и тем сильнее иммуногенность. На точечные мутации приходится 95% мутаций в опухолях. Нарушения аминокислотной последовательности и изменения пространственной структуры, вызванные мутациями вставки-делеции или со сдвигом рамки считывания (фреймшифт-мутация), более очевидны; мутантный пептид обладает более сильным сродством к MHC и с большей вероятностью будет распознан Т-клетками как неоантиген. Однако, из-за плохой иммуногенности различных опухолей или снижения функции аутоиммунной системы пациентов, доля Т-клеток, спонтанно распознающих эндогенные неоантигены, составляет около 1–2% [2]. Поэтому разработка специальных вакцин на основе неоантигенов является эффективным вариантом противоопухолевой иммунотерапии.

Неоантигены высоко индивидуальны и обычно не включают известные онкогены. Следовательно, идентификация неоантигенов является критической для вакцинной терапии опухолей. Глубина секвенирования, качество опухолевой ткани, источник секвенирующего материала, алгоритм однонуклеотидных вариантов (SNV) и другие факторы влияют на качество идентификации неоантигена. Первым шагом в распознавании неоантигена часто является быстрое сравнение последовательностей ДНК опухолевых клеток и нормальных клеток с использованием высокопроизводительных методов секвенирования. Поскольку мутации в опухолевых клетках являются сложными и разнообразными, скрининг мутантных белков из таких мутированных ДНК является сложной задачей, но с развитием технологии секвенирования и алгоритмов биоинформатики точность и надежность, с помощью которых можно прогнозировать и идентифицировать неоантигены, неуклонно возрастают.

Могут ли мутации вести к образованию опухолевых неоантигенов – зависит от нескольких факторов: 1) может ли мутированная последовательность быть переведена в белок; 2) может ли мутированный белок быть представлен как пептид; 3) будет ли сродство между мутированным пептидом и молекулами МНС пациентов; 4) будет ли аффинность комплекса (мутантный пептид)-МНС к рецептором Т-клеток (TCR) [2]. Следовательно, предсказание неоантигенов требует не только идентификации мутантных генов, но и данных о типах МНС пациентов.

Мутации в опухолевых клетках изменяют аминокислотные последовательности белков, которые затем транслируются и превращаются в короткие пептиды, называемые опухолевыми неоантигенами. Как чужеродные антигены, неоантигены подвергаются воздействию молекул МНС, которые впоследствии запускают противоопухолевый иммунный ответ организма. Терапевтический эффект противоопухолевых вакцин часто зависит от разницы в экспрессии целевого антигена между опухолевыми клетками и нормальными клетками. Неоантигены могут не только усиливать противоопухолевый иммунный ответ, но также снижать риск аутоиммунного ответа.

В настоящее время исследователи могут точно идентифицировать опухолевые неоантигены и прогнозировать их сродство и иммуногенность по отношению к МНС, что приводит к развитию персонализированной медицины. На основе этого подхода были разработаны различные типы вакцин против раковых клеток. Рассмотрим некоторые показательные примеры использования пептидов в качестве неоантигенов. Так, два исследования, проведенных на мышах с привитыми агрессивными резистентными клетками CT26 колоректальной карциномы человека показали эффективность PD1 и его улучшенного варианта – макроциклического пептида P60-D2A-S5A в модели гепатоцеллюлярной карциномы in vitro и in vivo [6, 7]. В 2014 году было обнаружено, что пептид IDH1, примененный для вакцинации мышей, запускал эффективный и рестриктивный противоопухолевый иммунный ответ против клеток глиомы [8]. Несколько клинических испытаний показали, что неоантигены могут распознаваться CD8+ и CD4+ T-клетками в опухолевой ткани меланомы человека и, таким образом, вызывать противоопухолевый иммунный ответ in vivo [9, 10]. В работе [11] использовали пептидные неоантигены, полученные на основе 50 эффективных мутаций, для иммунизации мышей (модель меланомы). Результаты показали, что неоантигенные пептидные вакцины, нацеленные на два мутированных антигена MUT30 и MUT44, оказывали значительное профилактическое и терапевтическое действие.

В 2017 году два экспериментальных исследования, проведенных командами в США и Европе, показали, что неоантигенные вакцины могут стимулировать иммунный ответ против раковых клеток у пациентов с рецидивирующей меланомой. В европейском исследовании ученые из Германии и Австрии создали вакцину, содержащую смесь из 10 молекул РНК, кодирующих неоантигенные пептиды, которая усилила иммунную активность против опухолей у 9 из 13 пациентов [12]. У всех пациентов развился Т-клеточный ответ на множественные вакцины. Данная работа была первым случаем применения этой концепции при меланоме на человеке.

В исследовании, проведенном в США, разработали противораковые вакцины, содержащие до 20 различных неоантигенных пептидов для каждого из шести хирургически резецированных пациентов с меланомой, что привело к безраковой выживаемости у 4 из 6 пациентов. Два других также были излечены от рака после дальнейшей терапии ингибитором иммунной контрольной точки PD1 [13].

Эти положительные результаты позволяют предположить, что персонализированная иммунотерапия может иметь клиническую пользу и привести к возрождению исследований вакцин против рака. Недавний обзор глобального иммуно-онкологического ассортимента разрабатываемых препаратов показал, что в период с сентября 2017 года по сентябрь 2018 года число лекарств, нацеленных на неоантигены пациентов, увеличилось на 133% [14]. Напротив, произошло снижение числа агентов, нацеленных на ТАА, что позволяет предположить, что область иммунотерапии движется в направлении персонализированных подходов.

Неоантигенные вакцины имеют и ряд недостатков. Сами по себе они не могут полностью устранить злокачественные опухоли. Возникновение и развитие опухоли представляет собой динамический эволюционный процесс, характеризующийся генетической нестабильностью. Многие типы мутаций генерируются, клонируются, изменяются и теряются в геноме опухолевых клеток. Вакцины могут убивать лишь небольшое количество опухолевых клеток, если неоантигены, на которые нацелена вакцина, получены из мутированных субклонов, что ограничивает клинический эффект. Поскольку мутации могут существовать во всех клетках определенной опухоли, важно разработать вакцины для этих неоантигенов; однако часто бывает трудно перевести мутацию в неоантиген. Методы выявления распространенных неоантигенов и улучшения активации иммунных клеток вызывают затруднения при разработке вакцин.

Использование неоантигенных вакцин также ограничено разнообразием соматических мутаций в различных типах опухолей и их индивидуальной специфичностью. Кроме того, неоантигены, продуцируемые каждой опухолью, почти специфичны даже для одного и того же типа опухоли, а вероятность того, что разные индивидуумы вырабатывают один и тот же неоантиген, чрезвычайно мала. Поэтому необходимо искать неоантигены на основе типов опухолей. Таким образом, большие различия между типами опухолей и индивидуумами ограничивают использование вакцин против опухолей, нацеленных на мутированные неоантигены. Идентификация и проверка неоантигенов по-прежнему трудоемки и дороги, а процесс приготовления вакцин из образцов тканей обычно занимает 3–5 месяцев. Этот длительный период подготовки серьезно ограничивает клиническое применение неоантигенных вакцин. Низкий выход пептидов после очистки также является техническим препятствием, которое пока трудно преодолеть. Ускользание опухолевых клеток от иммунного ответа является критической проблемой. Неоантигенная вакцина в сочетании с другими видами иммунотерапии может частично предотвратить ускользание от иммунного ответа; однако многие механизмы еще предстоит выяснить, и незнание их затрудняет клиническое применение неоантигенных вакцин. В то же время, комбинация противоопухолевых вакцин с другими традиционными методами лечения, такими как химиолучевая терапия и таргетная терапия, имеет огромный потенциал для развития [2].

Различные подходы к доставке вакцин могут помочь повысить их эффективность. Например, доставка молекул РНК, которые кодируют неоантигенные пептиды, может лучше стимулировать иммунный ответ, поскольку иммунная система настроена на обнаружение определенных форм чужеродных РНК [15]. Другой подход для повышения эффективности свободных пептидных вакцин может заключатся в применении наночастиц, которые доставляют неоантигены к антигенпрезентирующим клеткам. Очевидно, что дальнейшее развитие биоинформатики будет способствовать улучшению распознавания и идентификации неоантигенов. Более глубокое понимание биологических механизмов в онкологии и опухолевой иммунологии, а также выяснение путей подавления иммунитета и избегания иммунной реакции опухолевой тканью поможет в разработке более эффективных стратегий терапии раковых заболеваний.

Дополнительно:

1.         Bray, F., Ferlay, J., Soerjomataram, I., Siegel, R.L., Torre, L.A., Jemal, A., Global cancer statistics 2018: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 2018. 68(6): p. 394-424. DOI: 10.3322/caac.21492.

2.         Peng, M., Mo, Y., Wang, Y., Wu, P., Zhang, Y., Xiong, F., Guo, C., Wu, X., Li, Y., Li, X., Li, G., Xiong, W., Zeng, Z., Neoantigen vaccine: an emerging tumor immunotherapy. Molecular Cancer, 2019. 18(1): p. 128. DOI: 10.1186/s12943-019-1055-6.

3.         Altmann, D.M., A Nobel Prize-worthy pursuit: cancer immunology and harnessing immunity to tumour neoantigens. Immunology, 2018. 155(3): p. 283-284. DOI: 10.1111/imm.13008.

4.         Coley, W.B., I. The Treatment of Malignant Tumors by Repeated Inoculations of Erysipelas. Ann Surg, 1893. 18: p. 68-69.

5.         Monach, P.A., Meredith, S.C., T.Siegel, C., Schreiber, H., A unique tumor antigen produced by a single amino acid substitution. Immunity, 1995. 2(1): p. 45-59. DOI: 10.1016/1074-7613(95)90078-0.

6.         Casares, N., Rudilla, F., Arribillaga, L., Llopiz, D., Riezu-Boj, J.I., Lozano, T., López-Sagaseta, J., Guembe, L., Sarobe, P., Prieto, J., Borrás-Cuesta, F., Lasarte, J.J., A Peptide Inhibitor of FOXP3 Impairs Regulatory T Cell Activity and Improves Vaccine Efficacy in Mice. The Journal of Immunology, 2010. 185(9): p. 5150. DOI: 10.4049/jimmunol.1001114.

7.         Lozano, T., Gorraiz, M., Lasarte-Cía, A., Ruiz, M., Rabal, O., Oyarzabal, J., Hervás-Stubbs, S., Llopiz, D., Sarobe, P., Prieto, J., Casares, N., Lasarte, J.J., Blockage of FOXP3 transcription factor dimerization and FOXP3/AML1 interaction inhibits T regulatory cell activity: sequence optimization of a peptide inhibitor. Oncotarget, 2017. 8(42): p. 71709-71724. DOI: 10.18632/oncotarget.17845.

8.         Schumacher, T., Bunse, L., Pusch, S., Sahm, F., Wiestler, B., Quandt, J., Menn, O., Osswald, M., Oezen, I., Ott, M., Keil, M., Balß, J., Rauschenbach, K., Grabowska, A.K., Vogler, I., Diekmann, J., Trautwein, N., Eichmüller, S.B., Okun, J., Stevanović, S., Riemer, A.B., Sahin, U., Friese, M.A., Beckhove, P., von Deimling, A., Wick, W., Platten, M., A vaccine targeting mutant IDH1 induces antitumour immunity. Nature, 2014. 512(7514): p. 324-327. DOI: 10.1038/nature13387.

9.         Robbins, P.F., Lu, Y.-C., El-Gamil, M., Li, Y.F., Gross, C., Gartner, J., Lin, J.C., Teer, J.K., Cliften, P., Tycksen, E., Samuels, Y., Rosenberg, S.A., Mining exomic sequencing data to identify mutated antigens recognized by adoptively transferred tumor-reactive T cells. Nature Medicine, 2013. 19(6): p. 747-752. DOI: 10.1038/nm.3161.

10.       Linnemann, C., van Buuren, M.M., Bies, L., Verdegaal, E.M.E., Schotte, R., Calis, J.J.A., Behjati, S., Velds, A., Hilkmann, H., Atmioui, D.e., Visser, M., Stratton, M.R., Haanen, J.B.A.G., Spits, H., van der Burg, S.H., Schumacher, T.N.M., High-throughput epitope discovery reveals frequent recognition of neo-antigens by CD4+ T cells in human melanoma. Nature Medicine, 2015. 21(1): p. 81-85. DOI: 10.1038/nm.3773.

11.       Castle, J.C., Kreiter, S., Diekmann, J., Löwer, M., van de Roemer, N., de Graaf, J., Selmi, A., Diken, M., Boegel, S., Paret, C., Koslowski, M., Kuhn, A.N., Britten, C.M., Huber, C., Türeci, Ö., Sahin, U., Exploiting the Mutanome for Tumor Vaccination. Cancer Research, 2012. 72(5): p. 1081. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-11-3722.

12.       Sahin, U., Derhovanessian, E., Miller, M., Kloke, B.-P., Simon, P., Löwer, M., Bukur, V., Tadmor, A.D., Luxemburger, U., Schrörs, B., Omokoko, T., Vormehr, M., Albrecht, C., Paruzynski, A., Kuhn, A.N., Buck, J., Heesch, S., Schreeb, K.H., Müller, F., Ortseifer, I., Vogler, I., Godehardt, E., Attig, S., Rae, R., Breitkreuz, A., Tolliver, C., Suchan, M., Martic, G., Hohberger, A., Sorn, P., Diekmann, J., Ciesla, J., Waksmann, O., Brück, A.-K., Witt, M., Zillgen, M., Rothermel, A., Kasemann, B., Langer, D., Bolte, S., Diken, M., Kreiter, S., Nemecek, R., Gebhardt, C., Grabbe, S., Höller, C., Utikal, J., Huber, C., Loquai, C., Türeci, Ö., Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific therapeutic immunity against cancer. Nature, 2017. 547(7662): p. 222-226. DOI: 10.1038/nature23003.

13.       Ott, P.A., Hu, Z., Keskin, D.B., Shukla, S.A., Sun, J., Bozym, D.J., Zhang, W., Luoma, A., Giobbie-Hurder, A., Peter, L., Chen, C., Olive, O., Carter, T.A., Li, S., Lieb, D.J., Eisenhaure, T., Gjini, E., Stevens, J., Lane, W.J., Javeri, I., Nellaiappan, K., Salazar, A.M., Daley, H., Seaman, M., Buchbinder, E.I., Yoon, C.H., Harden, M., Lennon, N., Gabriel, S., Rodig, S.J., Barouch, D.H., Aster, J.C., Getz, G., Wucherpfennig, K., Neuberg, D., Ritz, J., Lander, E.S., Fritsch, E.F., Hacohen, N., Wu, C.J., An immunogenic personal neoantigen vaccine for patients with melanoma. Nature, 2017. 547(7662): p. 217-221. DOI: 10.1038/nature22991.

14.       Tang, J., Pearce, L., O’Donnell-Tormey, J., Hubbard-Lucey, V.M., Trends in the global immuno-oncology landscape. Nature Reviews Drug Discovery, 2018. 17(11): p. 783-784. DOI: 10.1038/nrd.2018.167.

15.       Pardi, N., Weissman, D., Measuring the Adjuvant Activity of RNA Vaccines, in RNA Vaccines: Methods and Protocols, T. Kramps, Elbers, K., Editors. 2017, Springer New York: New York, NY. p. 143-153.