РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПО ПРОЕКТУ В 2018 ГОДУРаздел 1. Изучение эффектов иммунотерапии антителами к ингибиторам иммунных контрольных точек на мышиных моделяхМы продолжили исследования механизмов иммунотерапии антителами к различным ингибиторами иммунных контрольных точек, в частности, прямого влияния терапевтических антител на различные субпопуляции опухоль-инфильтрирующих лимфоцитов (TILs). Эти исследования проводили на модельной меланоме B16F0 у трансгенных мышей линии C57Bl/6-FoxP3egfp. В этом году мы проанализировали влияние иммунотерапии на транскриптом B-лимфоцитов, CD4, CD8 и регуляторных Т-лимфоцитов (Treg) стареющих (aCTLA-4) и молодых (aOX40) мышей, соответственно. В отличии от человеческих антител к CTLA-4 (Ипилимумаб), используемое нами антитело (клон 9D9) не обладает цитотоксической активностью в отношении Treg (что подтверждается результатами наших экспериментов), и его эффект обусловлен исключительно блокированием CTLA-4. Анализ транскриптомов TILs показал, что aCTLA-4 терапия избирательно воздействует на эффекторные CD4+ клетки, в то время как aOX40-терапия, согласно первым полученным результатам, влияет на все популяции TILs. C помощью проточной цитометрии было изучено влияние aCTLA-4 терапии молодых мышей на активность и численность TILs и клеток миелоидного ряда. Эти эксперименты подтвердили активацию и пролиферацию CD4+ эффекторных клеток, а также выявили увеличение численности опухоль-инфильтрирующих нейтрофилов в результате терапии. На основании полученных данных нами предложен механизм действия aCTLA-4 терапии.
Были также начаты исследования aGITR и aPD-1 терапии, а также их комбинации. Для aGITR терапии мы показали цитотоксическое воздействие на Тreg клетки. Мы установили, что для обеспечения выраженного эффекта aPD-1 терапии ее необходимо начинать до того, как опухоли пальпируются, то есть на 5-7 день для нашей модели. Терапевтический эффект проявляется как на быстрорастущих опухолях, так и на опухолях с замедленным ростом. Для первых aPD-1 терапия замедляет рост на 3 дня, а для вторых - вызывает элиминацию 50% медленно растущих опухолей.
Для рационализации похода к комбинированной терапии мы проанализировали накопленные данные и обнаружили увеличение доли Treg клеток среди TILs со временем, что может свидетельствовать об увеличении зависимости опухоли от этих клеток. На этом основании мы предложили комбинацию, при которой одно антитело будет замедлять рост опухоли и переводить ее в Treg-зависимое состояние, а второе будет элиминировать Тreg клетки. Для этого мы использовали комбинацию аPD-1 и аGITR, в которой первой применяли aPD-1 терапию, а после, при достижении опухолью размера 1 см начинали aGITR терапию. При такой схеме лишь у одной из 10 мышей мы наблюдали регресс опухоли в течение 8 дней, однако после этого рост возобновился, и повторная aGITR-терапия не подействовала. Изучение путей, по которым которым опухоль ускользает от иммунного надзора, в т.ч. в подобных случаях, запланировано на 2019 год.
Нами также были отсортированы отдельные субпопуляции TILs для анализа влияния aCTLA-4 и aGITR терапии на их транскриптом у молодых животных.
Раздел 2. Получение популяций опухоль-специфичных Т-лимфоцитов с использованием экспериментальных мышиных моделей
Для получения опухоль-специфичных T-лимфоцитов, мы использовали два подхода, основанных на их стимуляции
in vivo и
in vitro.
При стимуляции
in vivo мы использовали отработанную ранее методику сортировки живых активированных Т-лимфоцитов на основании секреции ими γ-интерферона (IFNγ). Мы предполагаем, что фракция активированных IFNγ+ клеток в опухоли существенно обогащена опухоль-специфичными клетками. На линейной опухолевой модели у разных мышей репертуар Т-клеточных рецепторов (ТКР) этих клеток должен существенно перекрываться, и, набрав достаточную статистику, можно будет вычислить эти общие опухоль-специфичные варианты ТКР. Для этого нами собраны образы IFNγ+ и IFNγ- клеток отдельно для CD4+/FoxP3- и для CD8+ популяций TILs на группе из 30 мышей. Для этих образцов получены таргетные кДНК библиотеки и массированным секвенированием проанализированы репертуары T-клеточных рецепторов. Ведется биоинформатический анализ данных с целью выявления консенсусных вариантов характерных для опухоль-специфичных Т лимфоцитов.
Для стимуляции опухоль-специфичных клеток нами оптимизирована методика получения дендритных клеток (DC) из костного мозга, которая позволяет получить 80% DC на 7 день культивирования. В качестве источника опухолевых антигенов мы использовали опухолевый лизат, стандартная процедура приготовления которого была дополнена тепловым шоком и сбором секретируемых микровезикул, для увеличения иммуногенности антигенов. Поиск опухоль-специфичных клеток в этой системе проводили среди T-лимфоцитов из селезенок мышей с устойчивым иммунитетом к опухоли B16F0. Эти мыши были получены в результате терапии aPD-1 антителами. Для увеличения содержания опухоль-специфичных клеток мы дополнительно иммунизировали мышей клетками B16F0 за 4 дня до взятия селезенок. В результате нам удалось достоверно зарегистрировать опухоль-специфичные клетки среди CD4+ лимфоцитов, число которых составило 1% от всех CD4+ клеток. Однако неспецифическая активация при текущем протоколе составляет 2%, для получения чистой популяции опухоль-специфичных Т клеток в 2019 году мы планируем снизить этот процент до 0.2% или ниже.
Раздел 3. Исследование эффектов иммунотерапии опухолей на мышиных моделях старения
В прошлом году мы отсортировали TILs (B-лимфоциты, CD4, CD8 и регуляторные Т-лимфоциты) после aCTLA-4 иммунотерапии для стареющих мышей, в то время как кривые роста опухолей измеряли на молодых мышах. В этом году мы отсеквенировали и проанализировали транскриптомы отсортированных ранее TILs, а также собрали аналогичный материал для молодых мышей и измерили влияние aCTLA-4 на кривые роста опухолей у стареющих животных. aCTLA-4 терапия замедляла рост опухолей у стареющих мышей примерно в той же степени, как и у молодых мышей, и влияние на относительное количество субпопуляций TILs тоже существенно не отличалось (в обоих случаях наблюдалось небольшое увеличение эффекторных CD4+ клеток).
Другой задачей, которая позволяет понять влияние старения на эффект иммунотерапии, была отработка модели парных опухолей меланомы B16F0 у мышей C57Bl/6 и колоректального рака CT26 у мышей BALB/c. Эти эксперименты показали, что парные опухоли у стареющих мышей растут еще более гетерогенно, чем у молодых, что вероятно обусловлено накоплением отличий (в т.ч. иммунной системы) между мышами с возрастом. На фоне гетерогенности нам не удалось выявить эффект иммунотерапии для это модели. В тоже время опухоли CT26 у стареющих BALB/c мышей продемонстрировали существенно более однородный рост, что делает данную опухолевую модель предпочтительной при изучении иммунотерапии на моделях старения и позволяет использовать модель парных опухолей, которая позволяет анализировать репертуар до и после терапии и классифицировать мышей на тех, которые ответили на терапию и нет, даже после забора одного опухолевого узла.
Раздел 4. Продолжение набора образцов опухолей и крови пациентов для изучения клональности репертуаров ТКР. Получение библиотек ТКР
Совместно с ФБУЗ «Приволжский окружной медицинский центр» ФМБА России в 2018 году был продолжен набор образцов плазмы крови, белых клеток крови, и опухолевых тканей для выделения ДНК и получения репертуаров ТКР. Анализ собранных ранее образцов показал, что репертуары ТКР в крови и опухоли отличаются практически полность, а сводобной циркулирующей ДНК не достаточно для получения репертуара ТКР опухоль-инфильтрирующих лимфоцитов. Для увеличения свободной ДНК TILs в этом году кровь (45 мл) забирали через 2-4 часа после разрушения метастазов сфокусированным ультразвуковым либо СВЧ воздействием. Мы показали, то в этих условиях концентрация свободной ДНК возрастает более чем в 10 раз. Также мы готовили парафиновые блоки опухолевой ткани, которые будут использованы для выделения ДНК и анализа репертуара TILs непосредственно в опухоли. Всего по модифицированному протоколу был собран материал для 6 пациентов.
В сотрудничестве с К.К Лактионовым (НМИЦ онкологии им Н.Н. Блохина) и В.Е. Загайновым (ФБУЗ ПОМЦ ФМБА) нами были отработаны протоколы забора и выделения живых лимфоцитов из аденокарциномы легкого и колоректального рака. Для ряда образцов были отсортированы плазматические клетки, с помощью которых мы планируем установить степень пересечения репертуара иммуноглобулинов плазматических клеток в крови, лимфоузлах и опухоли. При их существенном пересечении процедура получения данных о репертуаре опухоль-инфильтрирующих плазматических клеток может быть радикально упрощена. Эти методики будут использованы в 2019 году для анализа репертуаров плазматических клеток, а также для выделения узких субпопуляций T-лимфоцитов с целью их культивирования, идентификации и обогащения опухоль-специфичными клетками.
Раздел 5. Размножение и поддержание мышей разных линий (С57BL/6, BALB/c, C57BL/6 FoxP3-EGFP), в том числе ведение группы стареющих животных. Ведение культур опухолевых клеток, наработка необходимого количества клеточного материала для получения опухолевых моделей
Для целей проекта лабораторных животных размножали и содержали в виварии Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ). В 2018 году в экспериментах было задействовано более 260 мышей, большая часть из которых это трансгенные мыши линии C57BL/6-FoxP3egfp, у которых регуляторные Т-клетки экспрессируют флуоресцентную химеру FoxP3-EGFP. Этот ген расположен на X-хромосоме и нами была налажена нетравматичная и надежная методика идентификации гомо- и гетерозиготных по этому гену самок с помощью ПЦР. Помимо трансгенных мышей нами также поддерживались и размножались линии мышей C57BL/6 и Balb/c дикого типа. Также для экспериментов нами было подготовлено и использовано в экспериментах две группы стареющих мышей линий C57BL/6-FoxP3egfp и Balb/c, часть из которых оставлено для экспериментов в 2019 году. На начало 2019 года в виварии НИИ ЭОиБМТ для экспериментов подготовлено 100 трансгенных мышей, 70 мышей C57BL/6 и 100 мышей Balb/c, C57BL/6-FoxP3egfp, а также 17 свежих гнезд для размножения трансгенных мышей.
Раздел 6. Отработка методики иммуногистохимического анализа распределения субпопуляций опухоль-инфильтрирующих Т-лимфоцитов в срезах опухолей
Нами было протестировано 15 антител на предмет возможности их использования для иммуногистохимического анализа наших образцов. 13 из них позволили получить специфическое окрашивание препаратов. Нами был оптимизирован протокол многоцветной флуоресцентной иммуногистохимии с использованием тираминовой амплификацией сигнала, который позволил нам анализировать одновременно распределение трех антигенов и ядер (DAPI). В 2019 году мы планируем повысить надежность данного протокола путем снижения фоновой автофлуоресценции за счет ее тушения и использования альтернативных способов фиксации. Кроме этого нами была разработана процедура сканирования и склейки полноразмерных изображений срезов на разных длинах волн (возбуждения и эмиссии) с их последующем наложением с погрешностью не более 2 пикселей. Это позволит нам повторно анализировать весь материал и проверять на нем всевозможные закономерности. Нами начат набор полноразмерных флуоресцентных изображений срезов опухолей после aCTLA-4 терапии для проверки предложенного нами механизма этой терапии.
Раздел 7. Подготовка к публикации статей по результатам проведенной работы.
По результатам исследования подготовлены и опубликованы 4 статьи научных журналов базы данных Web of Science, 2 из которых входят в первый квартиль (Q1), и 2 статьи в изданиях, индексируемых РИНЦ.
Раздел 8. Оснащение лаборатории оборудованием, материалами и комплектующими для проведения исследований.
С целью выполнения заявленных исследований за счет бюджетных средств гранта проведена закупка
оборудования на общую сумму 2 081 520,03 рублей и
комплектующих и расходных материалов на общую сумму 12 604 449,13 рублей: 1. ДНК-амплификатор CFX96 Touch Real Time System, Bio-Rad для проведения ПЦР-анализа и рабочая станция для анализа данных; 2 система автоматической компенсации дисперсии модели Deepsee UPG HP для титан-сапфирового фемтосекундного лазера MAI TAI AX HP необходимая для увеличения глубины визуализации при иммунофлуоресцентном анализе гистологических препаратов; 3. Моторизованный предметный столик для микроскопа Leica DM2500 с программным обеспечением для пошаговой съемки необходимый для съемки гистологических препаратов; 4. химические реактивы для проведения секвенирования и сортировки клеточных культур и иммуногистохимических исследований; 5. культуральные среды и добавки для приготовления культур опухолевых клеток; 6. культуральный пластик для наращивания культуры опухолевых клеток; 7. хирургические инструменты для проведения манипуляций с лабораторными животными.
Для выполнения запланированных исследований за счет внебюджетных средств гранта было приобретено следующее
оборудование на общую сумму 763 167,89 руб. и
расходные материалы на общую сумму 2 100 008,24 руб.: 1. стационарный рН-метр Ohaus ST2100-E для определения pH растворов, используемых при проведении исследований; 2. прецизионные весы Ohaus PA213C для взвешивания необходимых для проведения исследования химических реактивов; 3. жидкостной термостат BioSan WB-4MS для создания и контроля температурных условий при нагреве и охлаждении
химических реактивов; 4. оптический стол 1HB08-15-07 с опорами для компенсации вибраций при установки высокоточного лабораторного оборудования необходимого при проведении исследования; 5. химические реактивы для проведения сортировки клеточных культур и иммуногистохимических исследований; 6. культуральные среды и добавки для приготовления культур опухолевых клеток; 7. культуральный пластик для наращивания культуры опухолевых клеток; 8. анестезирующие средства для проведения хирургических манипуляций с лабораторными животными.
Раздел 9. Участие ведущего ученого и членов научного коллектива в конференциях, научных семинарах, симпозиумах.
Члены творческого коллектива приняли участие в 11 международных и 9 российских конференциях.
На базе лаборатории было организовано 4 семинара с приглашенными докладчиками:
1. 8 февраля - Миличко В.А., к.ф.-м.н., научный сотрудник физико-технического факультета, сотрудник международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, «Нелинейно-оптические металорганические монокристаллы»
2. 17 апреля - Тучин В.В., д.ф.-м.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, Заведующий кафедрой оптики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, «Оптическое просветление биологических тканей: механизмы и приложения в оптической визуализации»
3. 23 марта – Щеславский В.И., представитель фирмы Becker&Hickl, Германия, «Триплетные состояния в генетически кодируемых белках: возможности для имиджинга»
4. 9 июля - Дмитриев Р.И., к.х.н., starting Investigator, Metabolic Imaging Group, University College Cork, Ireland, ведущий научный сотрудник Института регенеративной медицины Сеченовского Университета, «Multi-parametric FLIM-PLIM microscopy of 3D tissuemodels»
Раздел 10. Обеспечение функционирования лаборатории, диагностика оборудования
Была проведена диагностика неисправностей конфокального лазерного сканирующего микроскопа LSM 880 Carl Zeiss, переданного организацией лаборатории в 2018 году для проведения иммунофлуоресцентного анализа гистологических препаратов.