научный сотрудник группы молекулярной биологии и генетики с функциями биометрии, биомедицины и биомедицинской статистики референс-центра инфекционной и вирусной онкопатологии (Научно-исследовательский институт морфологии человека имени академика А.П. Авцына ФГБНУ «Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского»)
кандидат медицинских наук; заведующий группой молекулярной биологии и генетики с функциями биометрии, биомедицины и биомедицинской статистики референс-центра инфекционной и вирусной онкопатологии (Научно-исследовательский институт морфологии человека имени академика А.П. Авцына ФГБНУ «Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского»)
доктор медицинских наук, профессор; директор, заведующая лабораторией клинической морфологии (Научно-исследовательский институт морфологии человека имени академика А.П. Авцына ФГБНУ «Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского»)
кандидат медицинских наук; заведующий группой патоморфологических и иммуногистохимических исследований референс-центра инфекционной и вирусной онкопатологии (Научно-исследовательский институт морфологии человека имени академика А.П. Авцына ФГБНУ «Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского»); ассистент кафедры патологической анатомии медицинского института (ФГАОУ ВО Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы)
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Клетки-супрессоры миелодного происхождения (myeloid-derived suppressor cells, MDSCs) на данный момент являются одними из самых активно изучаемых участников микроокружения опухоли. Они играют важную роль в защите опухоли от иммунного ответа организма, участвуют в метастазировании и опухолевой прогрессии. Несмотря на изменения в понимании и классификации, что это за группа клеток, MDSCs по-прежнему описываются как иммуносупрессивные, подавляющие функции T-клеток, возникающие при условиях хронического воспаления и на поздних стадиях рака. В обзоре собраны последние данные литературы, касающиеся происхождения и функционирования MDSCs, рассмотрены основные механизмы их проопухолевой активности, включая влияние на иммунный ответ, ангиогенез, метаболизм опухоли, выделены перспективные направления дальнейшего изучения MDSCs как ключевого компонента опухолевой стромы.
Онкологические заболевания – сложная проблема здравоохранения мирового масштаба. Согласно статистике, они являются причиной каждой шестой смерти [1]. В 2022 году было зарегистрировано около 20 миллионов новых случаев рака и 9,7 миллиона смертей от рака. По оценкам, примерно у каждого пятого мужчины или женщины в течение жизни развивается рак, при этом примерно каждый девятый мужчина и каждая двенадцатая женщина умирают от него [2]. В настоящее время около 50% случаев онкологических заболеваний выявляется на поздней стадии, что приводит к ухудшению результатов лечения и увеличению показателей смертности [3]. Приведенная статистика подчеркивает необходимость поиска новых методов диагностики и лечения онкологических заболеваний.
Один из ключевых механизмов, изучение, которого может помочь в разработке новых методов борьбы с онкологическими заболеваниями, – взаимодействие опухоли и опухолевой стромы. Опухолевые клетки способны взаимодействовать с окружающими тканями, формируя строму, создающую благоприятное микроокружение для поддержки опухолевого роста [4]. Известно, что опухолевая строма многокомпонентна, в ее состав входят клетки различного происхождения, в том числе миелоидного (myeloid-derived suppressor cells, MDSCs), кровеносные и лимфатические сосуды, внеклеточный матрикс. Микроокружение опухоли (tumor microenvironment, TME) высвобождает множество гуморальных факторов, которые уже на уровне костного мозга изменяют нормальную дифференцировку миелоидных клеток, тем самым способствуя их превращению в MDSCs [5].
В настоящее время считается, что MDSCs играют одну из ключевых ролей в подавлении противоопухолевого иммунного ответа с помощью ряда механизмов, включая опосредованное и прямое воздействие на механизмы врожденного и адаптивного иммунитета. Также есть данные об активном участии этого вида клеток в процессах опухолевой прогрессии ангиогенеза и метаболического репрограммирования опухоли. Все это делает этот вид клеток опухолевого микроокружения актуальным и практически важным объектом изучения.
Миелоидные клетки-супрессоры (MDSCs) представляют собой функциональную гетерогенную субпопуляцию миелоидных клеток, обладающих иммуносупрессивными свойствами и формирующихся под влиянием микроокружения опухоли. В здоровых тканях они отсутствуют или находятся в незначительных количествах. У взрослого человека накапливаются в тканях при патологических состояниях, таких как опухоли и воспаление, однако интересно, что есть данные о значимой роли MDSCs в формировании нормального иммунитета у новорожденных в первые месяцы жизни [6, 7].
Выделяют две основные подгруппы MDSCs: моноцитарные (M-MDSCs) и полиморфноядерные, или гранулярные (PMN-MDSCs). PMN-MSDCs имеют общие фенотипические и морфологические признаки с нейтрофилами, тогда как M-MDSC похожи на моноциты и, подобно моноцитам, могут дифференцироваться в макрофаги [8]. Другая субпопуляция MDSCs, на которой отсутствуют маркеры макрофагов и гранулоцитов, называется MDSCs ранней стадии (e-MDSCs) [9]. Недавно также стали выделять субпопуляцию фиброцитарных MDSCs (F-MDSCs) которые впервые были выделены из клеток пуповинной крови [10–12]. Известно, что большинство MDSCs, обнаруживаемых в опухолях, являются PMN-MDSCs, на их долю приходится более 75%, при этом M-MDSCs составляют всего 10–20% [13, 14]. Несмотря на такую количественную разницу, есть данные свидетельствующие, что основной иммуносупрессивный эффект обусловлен M-MDSCs[15].
Недавнее исследование на мышах показывает, что субпопуляционный состав MDSCs в тканях зависит от пола [16]. У самцов мышей в отличие от самок выявлено повышенное содержание M-MDSCs в опухолевых тканях, а в периферической крови количество PMN-MDSCs было больше у самок.
Выделяют общие для всех субпопуляций MDSCs человека поверхностные маркеры, к которым относят CD45, CD11b, CD33. Для иммунофенотипирования и выявления субпопуляций применяют дополнительные маркеры. К примеру, M-MDSCs экспрессируют CD15 и CD66b, в то время как PMN-MDSCs экспрессируют CD14, lectin-type oxidized LDL рецептор 1 (LOX-1) и отличаются низкой экспрессией HLA-DR [17]. Кроме того, незрелые e-MDSCs характеризуются низкой экспрессией LIN, выраженной экспрессией CD117, CD34 [18]. Иммунофенотип F-MDSCs представлен экспрессией CD11b и CD11c, CD33, IL-Ra, CD13, CD86, CD40, коллагена V и α-SMA, другие исследователи определили экспрессию CD45, CD34, HLA-DR [10, 12]. Для всех MDSCs характерна выраженная экспрессия CD123, что позволяет их дифференцировать от морфологически сходных базофилов [19].
Недавно было показано, что lectin-type oxidized LDL receptor 1 (LOX-1) высоко экспрессируется на поверхности PMN-MDSCs человека, что позволяет отделять эти клетки от нейтрофилов в периферической крови и тканях [20]. В свою очередь, M-MDSCs, как и макрофаги, экспрессируют молекулы MHC класса II – HLA-DR, в отличие от моноцитов [21]. Данные об иммунофенотипе разных субпопуляций MDSC представлены в таблице.
Как известно, основной биологической функцией, приписываемой MDSC в патологическом очаге, является иммуносупрессия [13].
Иммуносупрессорное действие MDSC связано с множеством факторов. К примеру, обе субпопуляции способны через экспрессию гена
При исследовании мышиных моделей рака молочной и поджелудочной железы выявлено, что межклеточные контакты между MDSC и естественными киллерами (NK-клетками) могут ингибировать IL-2-опосредованную активацию NK-клеток и выработку перфорина, снижая способность NK-клеток атаковать опухолевые клетки. MDSCs могут блокировать секрецию IFN-γ NK-клетками, а NO, продуцируемый MDSCs, дополнительно воздействует на рецептор NK Fc, ингибируя цитотоксичность NK-клеток [38, 39].
Кроме того, MDSCs способны оказывать непрямое иммуномодулирующее действие через влияние на ангиогенез, ремоделирование межклеточного матрикса и воздействия на воспалительные процессы. Обнаружено, что MDSCs выделяют матриксные металлопротеиназы (MMPs), факторы роста эндотелия сосудов (VEGF) и АФК [40]. Эти выделяемые молекулы, в частности, вызывают окислительный стресс окружающих клеток и через регуляцию ряда сигнальных путей, таких как MAPK, NF-κB, HIF-1, и факторов транскрипции, например AP-1, активируют провоспалительные гены [41].
Ряд цитокинов, которые секретируются MDSCs, также подавляет иммунный ответ: IL-6, IL-10, TGFβ и VEGF-A [36]. Кроме того, MDSC опосредуют развитие индуцируемых опухолью Tregs и Т-хелперных 17 клеток (Th17) [42]. Известно, что такая субпопуляция как F-MDSC может блокировать пролиферацию CD8 лимфоцитов и превращать CD4+ Т-клетки в супрессорные Treg-клетки, что согласуется с ролью MDSCs как иммуносупрессивных антиген-презентирующих клеток (АПК), контролирующих Т-клеточный иммунитет [12]. В отличие от других субпопуляций MDSCs F-MDSCs проявляют свою супрессивную активность не через L-аргинин-опосредованные пути, а по еще неустановленному механизму, предположительно основанному на поддержке Treg-клеток [12]. Есть исследования, свидетельствующие, что иммуносупрессорная функция F-MDSC требует непосредственного клеточного контакта с активированными Т-клетками [11].
В связи с высокой актуальностью исследования роли механизмов контрольных точек иммунитета в онкологии, интересно, что гипоксия через HIF-1α вызывает сверхэкспрессию PD-L1 у MDSCs как на уровне мРНК, так и на уровне трансляции [43].
Предшественники MDSCs, как и все клетки миелоидного ряда, появляются в результате миелопоэза, проходящего в костном мозге. Тем не менее нужно отметить, что в ряде случаев MDSCs при онкологических заболеваниях также могут происходить из селезенки или печени [44]. Установлено, что при онкологии костный мозг находится в состоянии хронического воспаления в связи с воздействием опухолевых факторов роста и цитокинов. Вследствие этого происходит нарушение экспрессии и функции факторов транскрипции генов, участвующих в дифференцировке клеток миелоидного ростка, что искажает дифференцировку клеток и генерирует предшественники MDSCs вместо классических предшественников моноцитов или гранулоцитов [45]. Предшественники MDSCs происходят от мультипотентных гематопоэтических стволовых клеток (HSCs). HSCs, в свою очередь, дифференцируются в общие миелоидные предшественники (CMPs), которые дифференцируются в предшественники миело- и моноцитопоэза (GMPs) и в последующем во весь спектр моноцитарных и гранулоцитарных клеток, в том числе MDSCs [46]. Есть данные, полученные на мышиной модели ряда опухолей, включая тимому, карциному легкого Льюиса, рак молочной железы, что подавление гена ретинобластомы (
В тканях MDSCs могут дифференцироваться следующим образом.
При наличии воспалительных факторов опухолевого происхождения M-MDSCs дифференцируются в иммуносупрессивные макрофаги (M2). В то же время при наличии HIF-1α в TME M-MDSCs могут дифференцироваться в ассоциированные с опухолью макрофаги (ТАМ) через STAT3 сигнальный путь [38, 49, 50].
MDSCs могут дифференцироваться в DCs, что было подемонстрировано на примере переноса MDSCs опухолевым реципиентам [50]. Другие исследователи также продемонстрировали, что в микроокружении опухоли M-MDSCs могут дифференцироваться в воспалительные дендритные клетки (Inf.DCs).
Есть данные, что PMN-MDSCs, попав в TME, способны дифференцироваться в ассоциированные с опухолью нейтрофилы (TAN) [33, 40, 46, 51, 52].
Моноциты здоровых людей могут превращаться в M-MDSCs при воздействии опухолевых клеток и микроокружения с высоким уровнем IL-10 или простагландина E2 (PGE2) [15]. Аналогичный механизм наблюдается при трансформации нейтрофилов в PMN-MDSCs [52].
Также после выхода из костного мозга мультипотентные гематопоэтические стволовые клетки могут превращаться в MDSC в селезенке, где может происходить экстрамедуллярный миелопоэз. Таким образом, возможно, что экспансия MDSC происходит во вторичных лимфоидных органах [53]. Стоит отметить, что дифференцировка M-MDSCs в макрофаги и дендритные клетки в лимфоидных тканях пациентов онкологического профидя ингибируется [40].
По классической теории принято, что формирование предшественников MDSCs в костном мозге происходит в два этапа: пролиферация и активация под воздействием факторов опухоли и самих MDSC [44, 54].
На этапе пролиферации происходит деление MDSCs, и за это отвечают факторы роста опухолевого происхождения, которые включают в себя гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (GM-CSF), гранулоцитарный колониестимулирующий фактор (G-CSF), макрофагальный колониестимулирующий фактор (M-CSF), фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), а некоторые исследователи выделяют и фактор стволовых клеток (SCF), IL-1, IL-3 [42, 45, 54, 55]. Эти факторы стимулируют миелопоэз и способствуют экспансии MDSCs в лимфоидных органах и микроокружении опухоли (TME) путем активации сигнальных путей JAK/STAT, PI3K/AKT/mTOR, Ras/Raf/Erk [56]. В частности, важную роль в этом процессе играют транскрипционные факторы/регуляторы STAT3, STAT5, IRF8, C/EBPβ, NOTCH [54, 56]. Однако нужно понимать, что не все опухоли продуцируют гемопоэтические факторы роста, и механизмы, регулирующие гемопоэз в опухолях этих типов, остаются неизвестными [45].
На втором этапе (активация) происходят функциональная активация MDSC и приобретение ими иммуносупрессивных свойств. Активация обусловливается в первую очередь факторами, продуцируемыми стромой опухоли и/или активированными Т-клетками, включающими как провоспалительные цитокины IFN-γ, IL-1β, так и противовоспалительные факторы IL-4, IL-13, PGE2 [46, 53, 57]. Сигнальные пути, участвующие в активации MDSCs, включают STAT6, Nuclear Factor-kB (NF-kB) и STAT1 [54, 55]. Краткая схема влияния факторов, выделяемых опухолью на развитие MDSCs, представлена на рисунке.
При онкологических заболеваниях в костном мозге под влиянием факторов роста опухоли патологически активируются предшественники миело- и моноцитопоэза (GMP) через STAT3, IRF8, C/EBPβ, в связи с чем нарушается дифференцировка моноцитарных и гранулоцитарных предшественников, что приводит к образованию M- и PMN-MDSCs. В опухоли и ее окружении под воздействием высокого уровня IL-10 и PGE2 моноциты способны превращаться в M-MDSCs. Подобным образом нейтрофилы трансформируются в PMN-MDSCs, которые могут дифференцироваться в ассоциированные с опухолью нейтрофилы (TANs). M-MDSCs также дифференцируются в микроокружении опухоли в Inf.DCs, M2 макрофаги под воздействием воспалительных факторов и при гипоксии в ассоциированные с опухолью макрофаги (TAMs).
Опухоль выделяет хемотаксические молекулы в свое микроокружение. MDSCs имеют специфические рецепторы на поверхности, которые способны реагировать на эти сигналы. К хемотаксическим молекулам относится целый ряд веществ: семейство хемокинов С-Х-С, включающее CXCL1, CXCL8, CXCL12, семейство хемокинов C-C: CCL1, CCL2, CCL3, CCL5, CCL7. К рецепторам хемокинов причисляют CCR2, CCR5 и рецептор CXCR4 [58, 59]. Эти молекулы в высокой концентрации находятся в тканях, где встречаются MDSCs, включая TME и очаги воспаления. Кроме хемокинов и их рецепторов ряд молекул может вызывать хемотаксис и инфильтрацию MDSCs в опухолевые ткани: S100, VEGF, компонент комплемента C5a и CSF1.
Все субпопуляции MDSCs способствуют метастазированию через ремоделирование внеклеточного матрикса посредством выделения MMP-9, разрушающей коллаген IV типа [60], что позволяет опухолевым клеткам инфильтрировать ткани. Есть исследования, свидетельствующие о положительной корреляции между количеством выделяемой MDSCs ММP-9 и стадиями разных видов опухолей [61].
Известно, что PMN-MDSCs играют роль в метастазировании, формируя преметастатические ниши с участием рецепторов хемокинов CXCR2 и CXCR4 [37, 62]. Также накопление MDSCs в метастатических очагах происходит вследствие специфических хемотаксических путей (например, CCL2, M-CSF, CXCL2) [63]. Более того, установлено, что повышенная кислотность, характеризующая очаги воспаления, является одним из основных аттракторов миелоидных клеток, хотя молекулярные механизмы, лежащие в основе этого процесса, в настоящее время мало изучены [51].
Метастазирование опухолей невозможно без формирования новых сосудов – ангиогенеза. Известно, что способность MDSCs регулировать ангиогенез опухоли аналогична таковой у M2-TAM. MDSCs стимулируют и поддерживают ангиогенез опухоли главным образом за счет секреции MMPs (MMP-9). В частности, установлено, что MMP-9 усиливает ангиогенез и стимулирует новую сосудистую сеть опухоли благодаря увеличению биодоступности VEGF [59]. Показано, что количество MDSCs в опухоли положительно коррелирует с внутриопухолевой концентрацией VEGF [64]. В присутствии VEGF MDSCs могут создавать проангиогенную среду внутри опухолей путем секреции других ангиогенных факторов, включая CCL2, CXCL8, CXCL2, IL-1β, ANGPT1, ANGPT2 и GM-CSF [65]. Эти же факторы могут в дальнейшем формировать порочный круг, способствуя накоплению MDSCs в опухоли. Другим проангиогенным фактором MDSCs является экспрессия проопухолевого белка прокинетицина-2, также известного как Bv8, который играет важную роль в ангиогенезе, опосредуемом MDSCs [66, 67].
Семейство факторов VEGF, выделяемое MDSCs, кроме ангиогенеза также играет ключевую роль в подавлении иммунного ответа опухоли, негативно воздействуя на АПК и эффекторные Т-клетки, одновременно усиливая эффекты иммуносупрессивных клеток, таких как регуляторные Т-клетки (Treg). Связывание факторов VEGF с их рецепторами (главным образом VEGFR2) ингибирует дифференцировку моноцитов в дендритные клетки (DC), что способствует уклонению от иммунного ответа, блокируя презентацию опухолевых антигенов. Этот эффект опосредован ингибированием ядерного фактора NF-κB в DC, что также приводит к увеличению экспрессии PD-L1 на DC [68].
Таким образом, данные исследований позволяют предположить, что MDSCs играют важную роль в метастазировании опухолей через вовлечение хемокиновых механизмов рекрутинга и ремоделирования межклеточного матрикса и активное участие в неоангиогенезе.
Быстрая пролиферация опухолевых клеток, ангиогенез и прочие механизмы требуют большого количества АТФ для удовлетворения биосинтетических и энергетических потребностей опухоли. Для этого опухолевые клетки перестраивают свой метаболизм в сторону анаэробного гликолиза даже в аэробных условиях, создавая эффект Варбурга [69]. В связи с этим происходит постоянная конкуренция за питательные вещества, в том числе между раковыми клетками и MDSCs. В конечном счете, MDSCs тоже начинают перестраивать свой метаболизм. Далее рассмотрены ключевые метаболические пути в MDSCs, которые принимают участие в формировании микроокружения опухоли и развитии воспалительных процессов.
MDSCs демонстрируют высокий уровень гликолитической активности, о чем свидетельствует увеличение уровня пируваткиназы в этих клетках. Более того, до 95% АТФ, вырабатываемой в MDSCs, зависит от гликолиза [70, 71]. MDSCs снижают потребление кислорода и зависящую от окислительного фосфорилирования продукцию АТФ на 60% в процессе их активации [72, 73]. Вклад пентозофосфатного пути как и окислительного фосфолирования остается на низком уровне, требуемом для обеспечении дальнейшего метаболизма L-аргенина [71].
Метаболиты, которые производятся во время гликолиза, способны защищать MDSCs от апоптоза, препятствуя выработке избыточных активных форм кислорода. К таким метаболитам относится фосфоенолпируват (PEP) являющийся антиоксидантом [74].
Увеличенное поглощение глюкозы опухолевыми клетками и MDSCs препятствует активации Т-клеток, поскольку активированным Т-клеткам требуется значительное количество глюкозы для последующей продукции эффекторных цитокинов. Если активные Т-клетки не способны использовать гликолиз, вследствие конкуренции за глюкозу с опухолевыми клетками и MDSCs, то их способность секретировать интерферон (IFN-γ) значительно снижается [75].
Другим метаболитом гликолиза является лактат, который играет важную роль в TME, он может стимулировать иммуносупрессивные свойства MDSCs [76, 77]. В подтверждение этого можно привести исследование, в котором нокаут лактатдегидрогеназы А, ключевого фермента гликолиза, приводит к снижению количества MDSCs в опухолевых тканях и селезенке [78]. Кроме того, лактат индуцирует снижение активности Т-лимфоцитов, предотвращая дифференцировку дендритных клеток, способствует поляризации М2 макрофагов в ассоциированные с опухолью макрофаги и увеличивает количество Treg лифоцитов [79]. К тому же лактат способен действовать как сигнальная молекула, участвующая в нескольких ключевых процессах – ангиогенезе, вызывая пролиферацию эндотелиальных клеток, миграцию и сборку сосудов, увеличении подвижности и миграции опухолевых клеток через индукцию экспрессии TGF-β2 [75].
Известно, что ассоциированные с опухолью MDSCs для получения энергии предпочитают переключаться на окисление жирных кислот (FAO) при участии липидного транспортера CD36 [80]. На мышиной модели аденокарциномы толстой кишки было показано, что проникающие в опухоль MDSCs демонстрируют повышенное поглощение жирных кислот и предпочитают использовать FAO в качестве основного источника АТФ [81]. В другом исследовании выявлена прямая корреляция между экспрессией генов, участвующих в процессе FAO (таких как
Продемонстрировано, что ингибирование FAO может не только блокировать иммуносупрессивную функцию MDSCs, восстанавливая противоопухолевую активность Т-клеток, но также снижает продукцию G-CSF, GM-CSF и IL-6 и способствует противоопухолевому иммунному ответу [83].
Недавнее исследование выявило повышенную активность белка переноса жирных кислот 2 (FATP2) в PMN-MDSCs в качестве критического регулятора иммуносупрессивной функции. Показано, что этот белок сверхэкспрессируется в PMN-MDSCs, но не экспрессируется в M-MDSCs мыши и человека [84]. FATP2 способствует накоплению арахидоновой кислоты в клетках, что приводит к увеличению синтеза простагландина E2 в PMN-MDSCs, тем самым повышая их иммуносупрессивную активность [84].
Подведем итоги. Дифференцировка, созревание и функции MDSCs могут зависеть от изменения метаболических путей этих клеток. Необходимы дальнейшие исследования по раскрытию механизмов различных метаболических путей на функции MDSCs. В частности, факторы, ответственные за переключение между OXPHOS, гликолизом и FAO в микроокружении опухоли, а также молекулярные механизмы, участвующие в метаболическом перепрограммировании MDSCs, до сих пор неизвестны.
В обзоре раскрыт ряд механизмов MDSCs, которые участвуют в канцерогенезе и прогрессировании опухолей. Показано, что MDSCs обладают выраженным иммуносупрессивным действием, защищая опухолевые клетки от иммунной атаки хозяина.
Показано, что MDSCs принимают участие в метастазировании опухолей и ангиогенезе, что метаболиты этой группы клеток способны оказывать существенное влияние на развития опухоли.
Несмотря на выраженный прогресс в изучении, механизмы иммуносупрессорного действия MDSCs требуют дальнейших исследований. В частности, практически нет данных о механизмах влияния MDSCs на эффективность противоопухолевой иммунотерапии.
Дальнейшее изучение MDSCs позволит лучше понять их роль как в иммунном ответе организма в целом, так и в противоопухолевом иммунном ответе.