Вакцина… от рака?

в 22:30, , рубрики: CAR-T технология, FlashAttention, дендритные клетки, иммунитет, нео-антигены, онковакцина
Вакцина… от рака? - 1

В 2024 году нобелевскую премию по химии присудили за предсказание третичной структуры белка и вычислительный дизайн. Его можно использовать для создания онковакцины. Когда я впервые услышала, что бывает такая вакцина, то подумала, что тут какая-то ошибка. Почему? Это интересно! Объясню по порядку.

Злокачественная опухоль – это группа клеток, возникшая из-за мутации, которая привела к нарушению процесса деления. Такие клетки размножаются неконтролируемо и лавинообразно, и главное, ведут себя как паразиты в родном организме. Но если на обычных паразитов действуют антибиотики и даже немножко противовирусные средства, то рак – это ядовитый зомби-апокалипсис.

Есть несколько способов борьбы. Раньше по-настоящему эффективным был один – комплексный: хирургическая операция, потом лучевая и химиотерапия. Но это жёсткая стратегия, при которой пациент всеми фибрами ощущает, что борется со смертью всерьёз. Причём срабатывает она далеко не всегда.

А что же иммунитет? С обычными паразитами он кое-как ещё борется, даже у изнеженных современных homo. С этого момента поподробнее.

Инфекция и иммунный ответ

На клеточном уровне агрессия выглядит так: микроб или вирус поглощает питательные компоненты и синтезирует чужеродные белки. Это, как если бы к вам в кухню ввалились оккупанты, опустошили холодильник, превратили воздух в сероводород, а из вашего скальпа сделали себе новые зубы.

Организм вырабатывает индивидуальное оружие. Для этого он с помощью агентов – иммунных клеток – изучает, из каких белков сделаны эти агрессоры. Потом конструирует специальные пептидные «рогатки» – антитела, и атакует нахалов наверняка. Белок-антитело взаимодействует с белком-антигеном своим активным центром, который подходит к нему как ключ к замку. Точнее, специально изготовленная отмычка.

Иммунотерапия и иммунопрепараты

Есть особая группа лечебных методик – иммунотерапия. Она позволяет усиливать и направлять реакции иммунитета, протекающие в организме.

Если не очень подробно, важнейших иммунопрепаратов всего два вида: вакцины и сыворотки. Теперь врачам доступны еще и цитокины – помните, это они вызывали «цитокиновый шторм» при ковиде? опасная вещь. Но вообще цитокины регулируют иммунный ответ, так что могут быть очень полезны в комплексном лечении. К ним относится всем известный интерферон.

Разница между вакциной и сывороткой вот какая. Вакцина содержит антиген, чужеродный белок. Это либо очищенный препарат, либо убитые клетки возбудителя. При ее введении организм безопасно вырабатывает собственные антитела, которые обеспечат иммунный ответ, а болезнь не возникает, потому что возбудитель скорее мёртв.

Сыворотка же сделана из крови животного и содержит антитела. Но в наше время сыворотки практически не применяются, т. к. в них много посторонних белков, что часто приводит к нежелательным реакциям. Вместо них теперь готовят чистые антитела.

Итак: традиционную вакцину необходимо вводить до начала заболевания, даже если не понятно, планируется оно вообще или нет. Вакцина — это средство профилактики! А сыворотка либо антитело – терапевтический препарат, его используют в острой фазе болезни.

Отсюда, в принципе, понятно, почему я подумала, что ослышалась, впервые при встрече с понятием «онковакцина»: в случае с раком все не так. Он потому и случился, что иммунная система проспала.

Гены, а значит, и белки злокачественных опухолей очень разные, и вдобавок в каждом организме они свои. Невозможно создать такой антиген, который при контакте с любой иммунной системой вызовет выработку универсальных антител ко всем раковым клеткам.

Вакцины против рака устроены своеобразно. И да! их уже чаще используют как терапевтическое средство.

Профилактические онковакцины

Они не имеют отношения к самой опухоли, а просто борются с ее предшественниками, так называемыми онковирусами. Сюда относятся вакцины против вируса папилломы человека и вируса гепатита В. Хронические формы этих инфекций приводят к онкологии, так что профилактика у этих болезней совпадает. Нет вирусной инфекции – нет ее последствий.

Как работают терапевтические онковакцины

Вот, добрались. Это и есть то самое, про что рассказ.

Поскольку до появления опухоли никто не знает, какой в точности геном у её клеток, то выработать антитела против неё можно только после выхода первой версии. Обстоятельства усложняются тем, что версий может быть несколько. В процессе развития кошмара он подвергается расщеплению, как ядра в магнитном поле спектрометра. Только просчитать варианты пока что мы не можем, как и предсказать старт развития патологии.

Иммунных клеток много. Задачи иммунитета сложны и поэтому требуют узкой специализации. Клетки разных типов – презентирующие, эффекторные, регулирующие – учатся и передают информацию из поколения в поколение. Конечно, это информация об антигенах.

Антиген-презентирующие клетки носят чужеродный антиген на своей мембране, как волонтер разносит мерч на благотворительной презентации. Они бывают профессиональные и непрофессиональные (работают по совместительству). Но главное, что интересно: где они берут этот антиген? А прямо «отгрызают» от клетки-агрессора, втягивают с помощью своей мембраны внутрь и потом готовят демонстрационный образец! Они хищники, и для этого у них есть специальный встроенный молекулярный механизм.

Самые способные из них – дендритные клетки. Антиген, порезанный на фрагменты и готовый к считыванию в составе специального комплекса, они прикрепляют к своей мембране снаружи. Как бы «нацепляют себе на лоб». Это называется «экспонируют». Потом они выезжают отправляются в лимфатические узлы к молодым т-киллерам. Те в свою очередь его запоминают, тоже с помощью специального механизма, а после, когда встретят – атакуют носителя.

Когда я впервые прочитала про это, ещё в школе, то думала: как это они делают? тычут ложноножками?.. Но потом, уже взрослая, встретила картинку в детской энциклопедии: они на него набрасываются и сжирают, неряшливо поливая специально изготовленным белковым «соусом». Жутковатое, интригующее зрелище. Сейчас есть такие реальные фотографии процесса, снятые с электронного микроскопа. Думаю, при наличии необходимого желания и терпения можно их отыскать и в сети. Только не путайте со стоковыми иллюстрациями.

Вообще-то, если честно, эта тема немножко парализует моё воображение. Конечно, на самом деле всё запутано сильнее, но сути это не меняет. Клетки опухоли тоже можно успешно уничтожать по этому протоколу.

Однако, нюансы. Во-первых, раковые клетки маскируются, так что лимфоциты их не замечают; во-вторых, в организме есть особенные недоступные места: удобно устроились опухоли головного мозга, который иммунитет считает «стерильным» и не стремится контролировать. А значит, и обнаружение антигена презентирующими клетками там исключено.

И, в-третьих, в процессе размножения опухоли её антигены мутируют, «уходят от преследования». Образуются нео-антигены, из-за чего в одной опухоли может оказаться несколько групп клеток (клонов), отличных по антигенному составу.

Терапевтические вакцины «деанонимизируют» опухолевые антигены, чтобы иммунитет смог их увидеть.

Технологии создания терапевтических вакцин

Когда говорят «онковакцина», имеют в виду иммунные клетки или синтетические пептиды, способные вызвать достаточно эффективную реакцию организма против опухоли. Основные механизмы их получения следующие.

Дендритно-клеточная вакцина. Самая простая: забирают у пациента дендритные клетки и образец опухолевой ткани. Клетки культивируют, то есть выращивают вне организма – in vitro – вместе с препаратом, изготовленным из опухоли (есть несколько методик), из-за чего они запоминают антигены. Затем вводят пациенту, и так его т-лимфоциты получают информацию, кого атаковать.

Нео-антигенная вакцина. Для хитрых опухолей, поэтому придётся повозиться: сравнивают результаты полноэкзомного секвенирования ДНК и РНК в свежем образце и таким образом выявляют отличия, которые указывают на возникшие нео-антигенные мутации. Затем с помощью специальной нейросети вычисляют эффективную для иммунного ответа комбинацию мутировавших генов (какие из них чаще встречаются в выборке и сильнее влияют, те и подходят). Синтезируют соответствующие пептиды. Эти чистые смоделированные нео-антигены и есть индивидуальная пептидная вакцина, которую вводят пациенту. Она позволяет иммунной системе выработать антитела ко всем обнаруженным клонам. Но ещё более эффективен ее м-РНК-вариант.

Схема получения нео-антигенной вакцины

CAR-T клетки. Это пока что верх мастерства, высший пилотаж: искусственные, «прооперированные» в юности т-клетки с химерным рецептором (англ. Chimeric antigen receptor, CAR) на поверхности мембраны. К слову, все мембранные рецепторы – белки, посторонних там не бывает. Образование рецептора вызывают введением генетического вектора (вирусной ДНК, несущей необходимую генную информацию), но это не всё; чтобы он реагировал с мишенью, к нему надо потом «пришить» другие пико- и наноразмерные частицы… Что-то я устала; пропустим эту хирургию. Когда такая клетка встречает мишень, то посредством рецептора прикрепляется к ней, как Чужой к своему носителю, и выедает всё внутри.

CAR-рецептор модифицированной т-клетки взаимодействует с опухолевым антигеном

При чем тут AI

На самом деле, применительно к данной статье вопрос не риторический. Тут в основном про вакцины. Для создания вакцинных препаратов нужно только сконструировать белковую цепь, остальное мы умеем.

AlphaFold2 предсказывает третичную структуру (итоговую форму свёрнутой белковой молекулы) для заданной аминокислотной последовательности. Получить же искомый белковый «ключик» для конкретного антигена – это именно обратный процесс. Для решения нужна третичная структура антигена. Если она известна, можно использовать метод вычислительного дизайна Д. Бейкера и сделать ключик-антитело. Это всё хотя и близкие, но всё-таки более сложные задачи, чем та, которая решается при создании индивидуальной пептидной вакцины: там белки нужно просто отсортировать и наработать, а тут – смоделировать с нуля.

В отличие от нас, нейросети не нужно вычислять общую закономерность, которая реализована в виде таблицы данных. Для полноценного решения достаточно самой таблицы. Можно поспорить, почему это так и что нам это даёт (или не даёт). Но это так.

Первые попытки рассчитать третичную структуру пептидов основывались на анализе факторов, которые в реальности на нее влияют. Но таким путём удовлетворительного совпадения с реальностью добиться не удалось! Когда я попыталась поближе познакомиться с вопросом, как AlphaFold2 работает с белками, то с интересом узнала, что точно так же, как большинство современных текстовых моделей: в его основе архитектура Transformer, которая использует алгоритм FlashAttention. Аминокислотная последовательность – это дешифрованный генетический текст, а механизм внимания оказался менее затратным, чем рекуррентный, отсюда такой потрясающий успех.

И, кстати, наверняка вы знаете, что в июле 2024 года вышла новая версия – FlashAttention-3. Она использует быстрый кэш и не записывает промежуточные матрицы в память графического процессора, что делает ее быстрее в 2-4 раза.

Кажется, это не всё

Чуть не забыла: сыворотки. Вместо них теперь антитела, как и было сказано в начале. Пример, который на слуху – моноклональные: высокоспецифичные, безопасные, и все заканчиваются на «маб»! удобно для лингвистического анализа.

Но это уже совсем другая история.

Автор: ptizo

Источник

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js