Противораковые РНК-вакцины

Борис Климович,
научный сотрудник института молекулярной онкологии,
университет Марбурга, Германия.

Исходный текст опубликован в профиле ninavaccina в Инстаграме.

Написать пост о вакцинах против рака меня подвигли две вещи:

Во-первых, разумеется, – вручение Нобелевской премии за иммунотерапию рака.

Во-вторых – доклад, который прочитал на Frankfurt cancer conference Ugur Sahin, основатель компании Biopharmaceutical New Technologies (BioNTech) и один из создателей описанной ниже технологии персональной иммунотерапии рака.

В тексте речь пойдет только об одной из технологий создания противоопухолевых вакцин. Есть и другие, но эта пока самая красивая и, как мне кажется, самая близкая к широкому применению.

Важно понимать, что в случае противоопухолевых вакцин речь идет, в отличие от обычных прививок, не о профилактических вакцинах, а о терапевтических.

Профилактических вакцин «против рака» всего две: от гепатита В и вируса папилломы человека. Они направлены на выработку иммунитета против возбудителей, вызывающих злокачественные опухоли, еще до встречи с этими возбудителями в реальной жизни.

Терапевтические противоопухолевые вакцины не могут предотвратить рак у здорового человека, но могут вылечить его у больного.

Для начала, как всегда, немного теории.

Итак, все знают, что рак вызывает мутации, то есть изменения в структуре ДНК. Эти изменения «ломают» ряд генов в клетке. Белки, кодируемые этими генами, либо не производятся вовсе, либо отличаются от нормальных. Некоторые «неправильные» белки и функцию свою выполняют неправильно, и вызывают тем самым злокачественный рост клеток. Другие же просто сломаны и никак на клетку не влияют. Такие «сломанные» белки называются опухолевыми антигенами, или неоантигенами. Их нет в нормальных клетках, и поэтому иммунная система может распознать их как «чужое» и убить клетки, у которых они есть.

Идея, что раковые клетки могут быть распознаны иммунной системой, очень старая, поэтому попытки создать вакцины, содержащие неоантигены, чтобы «натаскать» иммунную систему на борьбу с опухолью, делались очень давно, с 50х годов. Однако до клинического применения дошла пока лишь одна вакцина, Sipuleucel-t (против рака простаты).

Причин неудачного внедрения противоопухолевых вакцин несколько.

Во-первых, опухоли прекрасно защищают себя от иммунной системы. Они синтезируют специальные стоп-сигналы, которые говорят лимфоцитам: «проходи мимо, не на что тут смотреть». За открытие таких сигналов (их называют иммунные чекпойнты) только что выдана Нобелевская премия, а лекарства-ингибиторы чекпойнтов произвели настоящую революцию в онкологии (но сегодня речь не о них).

Вторая причина провала большинства экспериментальных вакцин – в том, что все опухоли разные. И иммунные системы больных тоже разные. Даже если у многих пациентов с одним типом опухоли мы обнаружим одинаковый белок-неоантиген, приготовим вакцину, содержащую этот белок, и введем ее пациентам, то окажется, что у одних пациентов иммунная система хорошо ответит на вакцинацию, а у других – нет. Напомним, что для развития иммунного ответа чужеродный белок должны показать лимфоцитам дендритные антиген-презентирующие клетки (клетки-свахи, как называет их одна наша коллега, потому что эти клетки «знакомят» лимфоциты с чужеродными молекулами, – я тоже буду дальше использовать это же слово). Чтобы показать белок лимфоцитам, клетки-свахи «надевают» его кусочки на «вилку» – молекулу MHC (major histocompatibility complex, главного комплекса гистосовместимости).

Так вот: у разных людей молекулы MHC разные, и один и тот же чужеродный белок, надетый на разные MHC-«вилки», будет вызывать разный по силе иммунный ответ. То есть нельзя сделать из одного опухолевого неоантигена вакцину, которая будет эффективна для большинства пациентов.

Еще важный момент: вакцина против любой бактерии или вируса – смесь чрезвычайно непохожих ни на что «свое» антигенов. Их очень просто опознать: все равно, что найти в толпе людей в белых халатах человека в костюме Чубакки. Опухолевые же антигены очень похожи на нормальные белки, они почти «свои». Обнаружить такой сродни поискам корейца в толпе китайцев (для европейского глаза).

И наконец: если вакцина все же сработала, привела к образованию специфических лимфоцитов и они набросились на опухоль, то достаточно появится нескольким опухолевым клеткам, не несущим этого неоантигена, как опухоль тут же станет снова невидимкой для иммунитета. Это называется antigen escape, или антигенное избегание, и тоже сильно снижает эффективность вакцин.

Итак, подытожим.

Создание терапевтических вакцин против опухолей – задача реальная, сама природа рака этому способствует. Но такие вакцины пока остаются малоэффективными. Сделать вакцину, подходящую всем, мешает то, что опухоли защищают себя от иммунитета, очень отличаются друг от друга, и неоантигены у них разные. Есть лишь некоторые типы опухолей, в которых часто встречаются одни и те же неоантигены, которые можно включить в состав вакцины. Большинство же опухолей в плане антигенов уникальны. Кроме того, дендритные клетки-свахи у разных людей неодинаково эффективно демонстрируют один и тот же неоантиген лимфоцитам. Да еще и опухоли запросто «сбегают» из-под иммунного надзора. Звучит не очень оптимистично, не правда ли? Вот если бы можно было преодолеть эти преграды, тогда….

И, похоже, что команде ученых из Майнца (выросшей за несколько лет в компанию BioNTech) это удалось. Они решили одним выстрелом убить всех зайцев и разработали фантастическую технологию создания персональных противоопухолевых вакцин.

Итак, поехали.

Рабочая группа из Майнца получила образец биопсии пациента с меланомой.

1. Главная проблема: как обнаружить, какие неоантигены содержатся в опухоли конкретного пациента? Команда BioNTech решила эту проблему просто: они секвенируют («читают») весь геном (ДНК) опухоли (а точнее, ту его часть, которая кодирует белки), а также всю РНК опухоли (об этом ниже). Параллельно читается ДНК из нормальных клеток. Сейчас это можно сделать за несколько сотен долларов за пару дней. Дальше в дело вступают очкарики-биоинформатики. Они сличают геном нормальной клетки с геномом опухоли и ищут отличия (да-да, как в детских журналах «найди 10 отличий»). Так получают список всех мутаций, содержащихся в опухоли, «молекулярный портрет», который отличает опухолевую клетку от нормальной.

2. Геном человека содержит около 20 тысяч генов (по новым данным, примерно столько генов кодируют белки, и еще столько же – РНК, так что общее число необходимых для работы человеческого организма генов составляет почти 50 тысяч), но не все гены работают в каждой клетке.

Значит, далеко не все мутации, найденные в опухоли, находятся в активных генах и приводят к продукции неоантигенов. Нужно идентифицировать те мутации, которые находятся в активных генах, с которых считываются измененные белки. Для этого в биоинформатике используют данные секвенирования РНК: если в клетке есть РНК гена, это значит, что ген активен и в клетке производится данный белок. После того, как найдены настоящие неоантигены, нужно выбрать лучшие из них.

3. Дальше в дело вступают сложные алгоритмы, цель которых определить, какие антигены способны вызвать наилучший иммунный ответ у данного пациента. Напомним, что дендритные клетки-свахи показывают Т-лимфоцитам не целые белки, а маленькие кусочки (пептиды) длиной 10-20 аминокислот. И делают они это, «надев» пептид на вилку-рецептор MHC. Молекулы MHC у всех людей разные, каждый человек несет несколько вариантов генов MHC от мамы и несколько от папы, а всего существует несколько сотен вариантов. Каждая разновидность MHC может лучше представлять лимфоцитам одни виды пептидов, и хуже – другие. Информация о том, какие разновидности MHC какие пептиды связывают лучше, а какие хуже, была добыта иммунологами в результате фантастической по объему работы, и теперь содержится в специальных базах данных. Поэтому, взяв набор неоантигенов, а также информацию о том, какие гены MHC есть у пациента (мы же знаем его геном!), мы можем смоделировать, какие антигены лучше всего подойдут к конкретным МНС-вилкам дендритных клеток, и тем самым выбрать только те неоантигены, которые имеют наибольший шанс вызвать иммунный ответ. В BioNtech выбирают по 10 лучших неоантигенов для каждой опухоли. Из этого вытекает очень важное следствие: вакцина будет содержать МНОГО антигенов. Даже если к нескольким антигенам иммунитет останется равнодушным, другие смогут запустить иммунную реакцию. Кроме того, помните про antigen escape? Опухоль может легко уйти из под иммунной атаки, потеряв один неоантиген. Потерять сразу 5 или 8 – практически невозможно. Слишком мала вероятность, что в одной клетке выключатся сразу 5 генов. Поэтому и избежать внимания иммунитета ей будет намного труднее.

4. Итак, гении-биоинформатики из Майнца составили полный генетический портрет своего врага, и выбрали самые заметные черты, по которому иммунитету конкретного данного пациента будет проще всего опознать раковые клетки. Что дальше? Дальше надо делать вакцину. И тут кроется основная трудность. Нам нужно как-то приготовить 10 маленьких белков, очистить их в большом количестве, возможно, прицепить их к носителю или адъюванту (если вы помните, иммунная система плохо узнает маленькие белки и другие биомолекулы, если они не прицеплены к чему-то большому и иммуногенному (например, вакцины против менингококка или Hib – гемофильной инфекции типа b). В них к носителю пришиты не пептиды, а полисахариды, но суть та же. Дополнительная проблема состоит в том, что с белками сложно работать. Они все уникальны, каждый белок требует индивидуальной процедуры очистки, они капризны, легко выпадают в осадок, синтезировать их химически очень дорого, нарабатывать в бактериях или дрожжах тоже непросто. И весь производственный процесс нужно разрабатывать и адаптировать заново для каждого пациента. Невозможно, правда?

Правда. Ученые из BioNtech это прекрасно понимали, поэтому придумали невероятно изящное решение. Они подумали: а что если дать антиген-презентирующим клеткам (свахам) не сами белки, а инструкцию для их производства? Вся информация о структуре белков в клетке записана в ДНК. С нее считывается РНК, и как раз она является конечной инструкцией для производства белка. Если хотите, ДНК – это производственная документация в архиве завода, а РНК – это чертеж, который лежит на станке у рабочего, вытачивающего деталь.

Чем же РНК лучше белка?

РНК очень легко и дешево синтезировать и очищать в больших количествах. Химические свойства РНК практически не зависят от того, какая информация в ней записана, изготовить уникальную РНК для каждого пациента очень просто, нужно всего лишь поменять несколько сотен «букв» в генетическом коде, и сделать это можно за пару дней. И, что очень важно, ее достаточно просто доставить в клетку. Дальше клетка сделает из нее сложный белок сама. Как же производят такую вакцину?

5. Биотехнологи придумали специальный «каркас» из РНК, в который остается лишь вставить генетическую информацию о тех самых 10 пептидах-неоантигенах из опухоли больного. Этот каркас содержит специальные сигналы, говорящие клетке, откуда надо начать считывать белок, где надо остановиться, а также еще специальный сигнал-ярлычок, дающей клетке команду: «после синтеза надень этот белок на вилку-MHC и вытащи на свою поверхность». Для начала всю это конструкцию собирают в пробирке в виде плазмиды – небольшой кольцевой молекулы ДНК (это стоит около 150 долларов и сделать это может любой смышленый студент-магистр). Дальше эту плазмиду размножают в бактериях, выделяют и смешивают с ферментом РНК-полимеразой. РНК-полимераза садится на ДНК и копирует всю последовательность гена в виде молекулы РНК. Все, инструкция готова, чертеж вылез из принтера, осталось доставить его на станки к клеткам-свахам.

6. Как же доставить вакцину к дендритным клеткам? Оказалось, что очень просто: достаточно ввести РНК прямо в лимфоузел под контролем УЗИ. Основная работа клеток-свах состоит в том, чтобы нахватывать из окружающего пространства все что попало и презентовать эти «сокровища» лимфоцитам. Плавающую вокруг РНК они тоже с удовольствием захватят. И тут же начнут изготовлять то, что начерчено в этом чертеже, а именно – цепочку из 10 неоантигенов, точно таких же, как в опухоли. Изготовив эту цепочку, они сразу потащат ее на поверхность и нацепят на вилку-MHC II (помните, наши чудо-инженеры из Майнца специальный ярлычок для этого прицепили?). Помимо доставки в клетку-сваху готовой инструкции по производству опухолевых антигенов, РНК выполняет еще одну очень важную роль. У клетки-свахи есть специальные сенсоры (TLR), которые реагируют на избыток РНК внутри клетки, потому что такой избыток, как правило, означает, что клетка инфицирована вирусом. Так вот, наша РНК-вакцина «симулирует» заражение клетки вирусом. Это буквально «заводит» клетку, она активируется, выставляет рядом с вилкой главного комплекса гистосовместимости дополнительные красные флажки и всеми силами старается показать проходящим мимо лимфоцитам, что она заражена. Проигнорировать такую сваху лимфоцит не может. Только вот сваха покажет ему не кусочки вируса, а кусочки опухолевых неоантигенов.

7. Все. Дело сделано. Начинает формироваться иммунный ответ. Поскольку дело происходит не в самой опухоли, а в далеком от нее лимфоузле, куда выделяемые опухолью стоп-сигналы не доходят, иммунитет не тормозится и там собирается армия Т-лимфоцитов, готовых уничтожать опухоль. Гениально, не правда ли?

И что, неужели это работает, спросите вы?

Статья Sahin et al. Personalized RNA mutanome vaccines mobilize poly-specific therapeutic immunity against cancer с данными первых испытаний технологии на людях вышла в Nature в июле 2017 года (через 2 года после статьи с испытаниями на мышах, это фантастическая скорость!). Авторы выбрали для первого испытания 13 пациентов с меланомой III-IV стадии, с множественными метастазами (это пациенты с плохим или очень плохим прогнозом). Для каждого из них была изготовлена индивидуальная РНК-вакцина, и они получили минимум по 8 доз вакцины в течение года. Все перенесли процедуру хорошо. Два пациента, к сожалению, умерли в течение периода наблюдения в результате прогрессии меланомы. У 10 пациентов не было зарегистрировано ни одного рецидива за весь период наблюдения (12-24 месяца). Более того, после вакцинации у одного пациента исчезли множественные прогрессирующие метастазы, устойчивые к облучению (без вакцины этот человек был бы обречен).

Одним словом, вакцина показала отличную эффективность в первых клинических исследованиях.

Кстати, почему именно меланома? Дело в том, что меланомы образуются на коже. Кожа постоянно подвергается воздействию солнечного ультрафиолета; УФ – мутаген, поэтому в меланомах самое большое количество мутаций из всех опухолей, то есть много неоантигенов, поэтому меланомы очень иммуногенны.

Что же дальше, спросите вы? А дальше небольшая научная группа из Майнца выросла в ту самую ужасную ФАРМУ, которую так любят обвинять во всех грехах и боятся. Вы ведь наверняка читали что-то вроде: фарме невыгодно создавать эффективные лекарства от рака, потому что тогда его вылечат, и они не смогут продавать свою ужасную химию, поэтому все прорывные терапии скрывают. Знакомо, да?

Да-да, скрывает фарма прорывные технологии. По факту, через год после опубликования первых клинических данных: в компании BioNtech работает более 800 сотрудников, они получили более 200 млн долларов инвестиций (цифра сообщена автору сотрудником компании в частной беседе), они ведут огромное клиническое исследование и хотят протестировать технологию на 1500 (!!!) пациентов (напомню, год назад было 13), причем не только на меланоме, а на всех типах рака. Поэтому они вводят ночные смены (!) – не успевают пока масштабировать производство и контроль качества.

Если первые вакцины для пациентов производили около 6 месяцев (не каждый пациент доживет), то сейчас их цель – 6 недель (от получения биопсии до доставки вакцины), и они заявляют, что близки к ней. Плюс они ведут исследования, направленные на поиск причин неудачных вакцинаций.

Дальнейшие перспективы? Надо подождать окончания клинических исследований. Потенциально – технология, способная лечить любые виды рака, причем сравнительно недорогая при массовом производстве. Хотя, как и у любой технологии, наверняка будут свои недостатки и ограничения. Например, они обнаружили, что у одного из умерших пациентов, несмотря на эффективную работу вакцины, опухоль все же смогла обхитрить иммунитет.

Какая басня без морали?

1. Если вы когда-либо думали (или читали и соглашались с этим): «ах, мы так мало знаем про иммунитет, он такой сложный, чтобы в него вмешиваться ужасными вакцинами» – прекратите так думать. Сейчас и насовсем. Про иммунитет знают настолько много, что научились создавать в считанные недели полностью индивидуальную, подогнанную под индивидуальные особенности иммунной системы, вакцину, которая может вылечить меланому IV стадии. Обычные вакцины – песочница по сравнению с этим.

2. Не бывает чудесных «нетрадиционных» способов лечить рак. Человек, утверждающий обратное, с большой вероятностью либо шарлатан, либо воинствующий идиот (с маленькой вероятностью он просто очень плохо информирован). Победить рак могут только наука, технологии и современная медицина. Развивающиеся сейчас методы иммунотерапии внешне мало отличимы от чуда.

Держитесь научного подхода. Не изводите свое внимание, время и деньги на блогеров-целителей и прочих натуропатов, особенно в серьезных случаях. Это может быть опасно для вашего здоровья.