ГЛАВА 6. СПЕЦИФИЧЕСКИЙ ИММУНИТЕТ И РАК

§ 1. Проблема иммунологического надзора

Все, кто интересуется проблемами иммунитета, рано или поздно должны задуматься над вопросом: почему при развитии злокачественных опухолей иммунные силы, как правило, оказываются неспособными самостоятельно преодолеть этот недуг?

В 60-х годах основоположник клонально-селекционной теории иммунитета Ф. Бернет сформулировал теорию иммунологического надзора (см. [1]), согласно которой иммунная система многоклеточного организма возникла как раз для элиминации перерожденных, мутировавших клеток — иначе говоря, для сохранения генетического постоянства организма. (А ее защитная роль против внешних антигенов является вторичным эффектом.) Система иммунологического надзора должна, таким образом, уничтожать клоны опухолевых клеток, не давая им размножиться до значительных размеров. Однако многочисленные примеры недостаточной эффективности иммунной системы в борьбе с раком заставили многих усомниться в действенности иммунологического надзора. Эта проблема и сейчас — одна из злободневных.

Сформулируем кратко некоторые положения, известные к настоящему времени.

Считается достоверным существование опухолево-специфических антигенов (см. [2-5]). Основным антигеном, служащим для иммунологического распознавания раковой клетки, является поверхностный опухолево-специфический антиген. Появление его связывают часто не с образованием раковой клеткой каких-то новых белков, а, скорее, с утратой ею части поверхностной структуры (см. [6]). Появляющиеся на поверхности ранее скрытые участки могут распознаваться иммунными лимфоцитами как чужеродный антиген.

Большим препятствием к успешному распознаванию служит «слабая антигенность» многих спонтанных опухолей. Это может быть вызвано дестабилизацией поверхностной мембраны клеток при злокачественном перерождении [7]. Антигенные детерминанты оказываются свободно плавающими в «жидкой» мембране и не могут быть надежно узнаны соответствующими лимфоцитами (подробнее см. следующую главу, с. 156).

Наличие иммунной реакции организма на опухолевый антиген доказано опытами с перевиваемыми опухолями (см. [3, 5, 8]). Животные, предварительно иммунизированные малыми дозами опухолевых клеток, отторгали опухолевый трансплантат от генетически идентичного донора, тогда как кожный трансплантат при этом приживался. Однако существенно, чтобы перевиваемых клеток было не слишком много, иначе мощности иммунной системы не хватает и наступает иммунологический паралич (толерантность высокой дозы). Основную роль в реакции отторжения опухолевого трансплантата играют специфические лимфоциты-киллеры, а также, на первых порах, цитотоксические антитела Реакция между лимфоцитом-киллером и опухолевой клеткой-мишенью в последние годы изучена in vitro во всех подробностях (см. [9]). Выделяют три этапа взаимодействия: I — установление специфического контакта между клетками, II — летальный удар, носящий зловещее название «поцелуй смерти», и III — деструкция клеток-мишеней. В этой реакции один лимфоцит способен поразить несколько опухолевых клеток.

При малой плотности ангигенных детерминант на поверхности опухолевой клетки присутствие антител с низкой молекулярной массой может препятствовать проявлению клеточного иммунитета. Отдельные молекулы в противоположность большим молекулам не способны привлечь комплемент, осуществляющий лизис клеток-мишеней, в то же время, занимая антигенные детерминанты, они экранируют клетки как от распознающих лимфоцитов, так и от киллеров. В результате скорость деструкции опухолевых клеток уменьшается, а фактическая скорость роста опухоли увеличивается. Это явление носит название «эффекта усиления» и особенно сильно проявляется при предварительной иммунизации животных убитыми опухолевыми клетками (см. [3, 6]).

Роль системы иммунологического надзора в предотвращении возникновения злокачественных опухолей человека, по-видимому, значительна. Известно, что у людей, имеющих наследственные изъяны в иммунной системе, рак возникает гораздо чаще, чем в среднем для лиц того же возраста (в 10 000 раз!) (см. [6]). Очень интересный «опытный материал» представляют собой больные, которым проводили длительный курс иммунодепрессии в связи с пересадкой чужих органов — сердца или почек. В дальнейшем оказалось, что у этих пациентов опухоли появляются чаще, чем в обычных условиях, в 20—140 раз.

С другой стороны, в тех случаях, когда злокачественная опухоль уже возникла и прогрессирует, иммунный аппарат опухоленосителя оказывается подавленным. Большой процент больных раком умирает не от опухоли как таковой, а от различных осложнений, возникающих из-за ослабления иммунной системы. Активное подавление опухолью иммунной системы «хозяина» имеет два аспекта — специфический, направленный специально против иммунных лимфоцитов, и неспецифический, определяемый В. С. Шапотом как часть «системного действия» опухоли на организм [10].

Специфическое угнетение опухолью иммунной реакции обычно связывают с появлением в сыворотке некоторого фактора, выделяемого опухолевыми клетками. Это могут быть вещества типа кейлонов, тормозящие деление лимфоцитов. Но более вероятно, что фактором, ингибирующим действие лимфоцитов, является просто растворимый антиген, выделяемый опухолевой клеткой в окружающее пространство. Антиген либо сам, либо в комплексе с антителами экранирует соответствующие детерминанты лимфоцитов-киллеров, препятствуя осуществлению реакции лизиса клеток-мишеней (см. [11]). Способность к киллерной функции in vitro восстанавливается после неоднократного «отмывания» лимфоцитов.

Существуют также опытные данные о появлении при опухолевом росте специфической популяции лимфоцитов-супрессоров, подавляющих действие противоопухолевых лимфоцитов аналогично тому, как осуществляется толерантность к собственным тканям организма [12].

Для уяснения природы неспецифического подавления опухолью иммунной системы рассмотрим подробнее теорию системного

действия опухоли на организм, развитую Шапотом [6]. Неспецифическая форма системного действия, которая будет нас интересовать, связана с удовлетворением потребностей раковых клеток в необходимых метаболитах за счет других клеток организма. В первую очередь — это энергетические метаболиты — кислород и глюкоза. Было показано, что in vivo дыхание опухолевых клеток очень слабо, так как они находятся в условиях острого кислородного голодания. Но в отличие от нормальных, раковые клетки удовлетворяют свои энергетические потребности путем разложения глюкозы — гликолиза. Поэтому необходимость в глюкозе для раковых клеток сильно возрастает, они жадно поглощают ее из окружающего пространства. Опыты показали, что вблизи опухолевых клеток концентрация глюкозы неизмеримо мала за счет потребления ее клетками. Это иллюстрирует рис. 6.1, на котором показано быстрое возрастание концентрации глюкозы (от нуля до нормы) в асцитной жидкости карциномы Эрлиха после того, как оттуда были изъяты все опухолевые клетки. Через 60 минут раковые клетки были снова введены в брюшную полость мыши, что вызвало стремительное падение там уровня глюкозы. Из динамических кривых рис. 6.1 можно вычислить максимальную скорость потребления глюкозы (по спаду кривой) и реальную, определяемую скоростью ее поступления в асцитную жидкость. Для клеток эти скорости оказались равными соответственно 1,67 и

Рис. 6.1. Зависимость содержания глюкозы в асцитиой жидкости карциномы Эрлиха от присутствия раковых клеток [6].

Таким образом, на границе опухоли возникает большой перепад концентраций, и опухоль служит мощным насосом, качающим к себе глюкозу из крови. Опухоль является как бы «ловушкой глюкозы».

Способность раковых клеток функционировать в условиях исключительно низкой концентрации глюкозы указывает на их высокое «сродство» к ней. И действительно, удалось обнаружить в некоторых опухолях преобладание таких форм фермента гексокиназы (ключевого фермента цепи переработки глюкозы), у которых константа Михаэлиса значительно меньше, чем у обычных форм [6]. Второе отличие раковых клеток — способность более быстрого переноса молекул глюкозы через клеточную мембрану. Все это создает раковым клеткам определенные преимущества в конкурентной борьбе с другими клетками организма за глюкозу. Возникает подозрение, что ее нехватка является одной из причин иммунодепрессии в организме с развивающейся злокачественной опухолью.

Но «глюкозная проблема» имеет еще и другую сторону. Многие клетки организма и, прежде всего, клетки мозга могут существовать в очень узких пределах концентрации глюкозы в крови (примерно от 0,8 до 1,2 г/л). Поэтому организм всеми силами борется

с понижением ее концентрации (гипогликемией), используя сначала запасы гликогена и жиров, а затем приступая к синтезу ее de nova. «Сырьем» для глюконеогенеза служат белки, в том числе и жизненно важные для организма [13]. Стимуляция процессов глюконеогенеза осуществляется гормонами коры надпочечников — глюкокортикоидами. С другой стороны, хорошо известно, что эти же гормоны применяются в качестве иммунодепрессантов, например при трансплантации органов. Усиленное производство глюкокортикоидов в организме со злокачественной опухолью может также стать причиной угнетения имунных сил организма [14]. Ниже, в § 3, мы приведем математическую модель, с помощью которой можно количественно рассмотреть различные аспекты «борьбы за глюкозу».

Итак, подытожим основные причины, по которым, согласно современным представлениям, иммунный ответ на злокачественную опухоль может быть недостаточен (см. [6, 15—17]).

1. Слабая антигенность некоторых опухолей (особенно спонтанных) не обеспечивает достаточно сильного иммунного ответа.

2. Малое количество антигенных детерминант на поверхности опухолевой клетки способствует экранировке их антителами что препятствует распознаванию клеток лимфоцитами.

3. Истощение соответствующих клонов лимфоцитов при значительных опухолях вызывает иммунологический паралич (толерантность высокой дозы).

4. Стимуляция опухолью системы -супрессоров способствует образованию толерантности аналогично невосприимчивости к собственным антигенам.

5. Неспецифическая форма системного действия опухоли — глюкозное голодание, избыток глюкокортикоидов — вызывает иммунодепрессию.

Встает законный вопрос: как помочь организму преодолеть иммунодепрессию при онкологических заболеваниях? Предлагаются, прежде всего, различные способы повышения антигенности опухолевых клеток, например, путем заражения их неонкогенными вирусами (см. [17]) или «укрепления» каркаса их мембраны введением поливалентных поверхностно активных веществ [7]. Далее, возможна неспецифическая стимуляция иммунной системы с помощью туберкулезной вакцины БЦЖ и т. п. Наконец, борьба с системным действием опухоли состоит, в частности, в поддержании нормогликемии введением достаточного количества глюкозы извне.

Обсуждение эффективности этих методов не входит в нашу задачу. В следующих параграфах мы попытаемся с помощью математических моделей выяснить правомочность некоторых гипотез, объясняющих причины иммунодепрессии при злокачественных опухолях. Как и в предыдущей главе, мы сначала изложим собственные результаты, а затем дадим краткий обзор других опубликованных моделей.