Содержание живых клеток К562 оценивали через 72 ч, как описано выше. Прямое действие супернатантов на клетки К562 оценивали аналогичным образом, но супернатанты переносили в свежие лунки без макрофагов.
Опыты с разобщением макрофагов и клеток К562. Использовали 24-луночные трансвелл-планшеты с полупроницаемыми мембранами (диаметр пор - 8 мкм, Corning, США). Макрофаги (2 - 105) и агонисты NOD1 и TLR4 помещали в нижние камеры планшетов, клетки К562 (4 - 103) - в верхние. Через 72 ч собирали клетки из верхних камер, анализировали содержание живых К562 с помощью проточного цитометра, как описано выше.
Иммуноферментный анализ. Макрофаги культивировали с М-триДАП, ЛПС, М-триДАП+ЛПС или без агонистов в течение 24, 48 и 72 ч. Уровни ФНО в культуральных супернатантах определяли методом сэндвич-ИФА с использованием набора реагентов TNF alpha Human ELISA Kit (Thermo Scientific, США)
Статистическая обработка данных. Все значения p получены с помощью парного t-теста. Различия считали достоверными при p < 0,05. Для статистической обработки использовали программу GraphPad Prism 6 (GraphPad Software, США).
Результаты
Противоопухолевая активность макрофагов, стимулированных агонистами NOD1, TLR4 и их сочетанием
Опухолевые клетки К562 культивировали без макрофагов (контроль), а также с макрофагами в отсутствие агонистов и с М-триДАП и ЛПС по отдельности и в сочетании. Через 24 ч после начала эксперимента достоверных различий численности клеток К562 в различных условиях культивирования не было выявлено (рис. 1А). Через 72 ч после начала опыта отмечалось достоверное увеличение численности опухолевых клеток в культурах с макрофагами без агонистов по сравнению с контролем, что говорит об усиливающем действии наивных макрофагов на рост опухолевых клеток (рис. 1Б). При культивировании К562 с макрофагами в присутствии отдельно взятых агонистов NOD1 или TLR4 численность опухолевых клеток снижалась примерно до уровня контроля. Если же агонисты NOD1 и TLR4 добавляли в культуры одновременно, то численность опухолевых клеток снижалась в среднем в 3 раза по сравнению с контролем (рис. 1Б). Судя по индексу синергизма, эффект сочетания агонистов был близок к аддитивному (рис. 1В). Противоопухолевый эффект макрофагов, активированных сочетанием М-триДАП+ЛПС, наблюдался как при соотношении макрофаги/К562 50 : 1 (рис. 1А, Б), так и при более низких соотношениях (рис. 1Г). В отсутствие макрофагов М-триДАП и ЛПС раздельно и в сочетании не влияли на численность клеток К562 (рис. 1Д). Таким образом, сочетание агонистов NOD1 и TLR4 переключает активность макрофагов человека с проопухолевой на противоопухолевую.
&hide_Cookie=yes)
Роль ФНО в противоопухолевой активности макрофагов
Чтобы уточнить механизмы противоопухолевого действия макрофагов, активированных сочетанием М-триДАП + ЛПС, в культуры добавляли нейтрализующие антитела к ФНО, к ИФН-β или нормальный козий IgG в качестве отрицательного контроля. Антитела к ФНО частично ингибировали противоопухолевое действие макрофагов, тогда как антитела к ИФН-β достоверного эффекта не оказали (рис. 2А). Иммуноферментный анализ (ИФА) показал, что в супернатантах макрофагов, активированных сочетанием М-триДАП + ЛПС, присутствуют высокие концентрации ФНО (рис. 2Б). Рекомбинантный ФНО при добавлении в совместные культуры макрофагов и клеток К562 вызывал достоверное снижение численности клеток К562, хотя и менее выраженное, чем при использовании сочетания М-триДАП + ЛПС (рис. 2В). В отсутствие макрофагов рекомбинантный ФНО лишь незначительно снижал численность клеток К562 по сравнению с контролем (в 6 экспериментах из 7, рис. 2В). Таким образом, ФНО, секретируемый макрофагами при активации М-триДАП + ЛПС, действует как непосредственно на клетки К562, так и - преимущественно - через аутокринное/паракринное усиление противоопухолевой активности самих макрофагов.
&hide_Cookie=yes)
Роль других растворимых и мембраноассоциированных факторов в противоопухолевой активности макрофагов
Поскольку нейтрализующие антитела к ФНО далеко не полностью ингибировали противоопухолевую активность макрофагов, активированных сочетанием М-триДАП + ЛПС (см. рис. 2А), было очевидно, что эти макрофаги вырабатывают и другие противоопухолевые факторы, которые могут быть как растворимыми, так и ассоциированными с клеточными мембранами. Отметим, что ингибирование НАДФH-оксидазы - фермента, участвующего в образовании активных форм кислорода, с помощью апоцинина не оказало влияния на противоопухолевый эффект макрофагов, активированных сочетанием М-триДАП + ЛПС (данные не представлены).
Чтобы уточнить роль растворимых факторов, макрофаги культивировали в течение 72 ч с М-триДАП + ЛПС, собирали супернатанты и переносили их в культуры аутологичных нестимулированных макрофагов, куда также добавляли клетки К562. Поскольку супернатанты активированных макрофагов могли содержать остаточные количества ЛПС, перед добавлением к нестимулированным макрофагам их инкубировали с антагонистом ЛПС - полимиксином B. Перенос супернатантов макрофагов, активированных М-триДАП + ЛПС, к нестимулированным макрофагам приводил к выраженному усилению противоопухолевой активности последних, причем этот эффект частично отменялся антителами к ФНО (рис. 3А).
&hide_Cookie=yes)
Супернатанты макрофагов, активированных М-триДАП + ЛПС, обладали противоопухолевым действием и в отсутствие макрофагов (рис. 3Б). Однако эффект супернатантов в этом случае был гораздо слабее, чем в присутствии макрофагов, и полностью нейтрализовался антителами к ФНО (рис. 3Б). Эти результаты позволяют заключить, что растворимые противоопухолевые медиаторы, высвобождаемые макрофагами под действием сочетания М-триДАП + ЛПС, реализуют свою активность как путем прямого воздействия на опухолевые клетки, так и через ауто-/паракринное усиление противоопухолевой активности самих макрофагов.
Чтобы установить роль мембраноассоциированных молекул в механизмах противоопухолевого действия макрофагов, клетки К562 и макрофаги разделяли полупроницаемой мембраной, помещая их, соответственно, в верхние и нижние камеры трансвелл-планшетов. В этом случае противоопухолевый эффект активированных макрофагов сохранялся, но был существенно слабее, чем при прямом сокультивировании (рис. 3В). Таким образом, прямые межклеточные контакты между К562 и активированными макрофагами необходимы для полного проявления противоопухолевого действия последних.
Макрофаги, активированные сочетанием агонистов NOD1 + TLR4, замедляют пролиферацию клеток К562
Доля погибших (PI+) клеток К562 в течение всего периода сокультивирования с макрофагами была невелика (< 5 % от всех клеток К562), что могло объясняться как быстрым поглощением погибших опухолевых клеток макрофагами, так и замедлением пролиферации опухолевых клеток без увеличения их гибели.
Мы обратили внимание, что интенсивность свечения CFSE-метки на клетках К562, сокультивированных с макрофагами в присутствии М-триДАП + ЛПС, существенно выше, чем в контрольных культурах (рис. 4). Метка CFSE невозобновляема и ее количество в клетке с каждым клеточным делением уменьшается в 2 раза. Повышение свечения метки указывает на замедление пролиферации клеток К562 в присутствии макрофагов, активированных агонистами NOD1 + TLR4.
&hide_Cookie=yes)
Обсуждение
Опухоль-ассоциированные макрофаги - один из главных клеточных компонентов злокачественной опухоли, формирующих так называемое опухолевое микроокружение. Взаимодействие макрофагов и опухолевых клеток является двунаправленным и, как правило, способствует опухолевой прогрессии.
Тем не менее и в экспериментальных работах, и в клинических испытаниях показано, что инфекционные агенты и агонисты паттерн-распознающих рецепторов могут переключать активность макрофагов с проопухолевой на противоопухолевую, тем самым способствуя регрессу злокачественной опухоли [14-17]. Например, мифамуртид - синтетический агонист рецептора NOD2 - одобрен к клиническому применению при неметастазирующей остеосаркоме, агонисты TLR7 - при некоторых формах рака кожи, агонист TLR9 обладает достоверной клинической эффективностью при меланоме и немелкоклеточном раке легкого [14, 25].
Ранее нами и другими исследователями было показано, что агонисты рецепторов NOD1 и TLR4 обладают синергическим действием на ряд параметров активации макрофагов, моноцитов и дендритных клеток. Так, продукция провоспалительных цитокинов, в частности ФНО, при стимуляции клеток сочетанием агонистов NOD1 + TLR4 в несколько раз выше, чем сумма эффектов отдельно взятых агонистов [24, 26]. Основная физиологическая роль этих рецепторов состоит в активации защиты против грам-отрицательных бактерий [27, 28]. В данной работе впервые продемонстрирована противоопухолевая активность макрофагов, активированных сочетанием агонистов NOD1 и TLR4. Если отдельно взятые агонисты лишь отменяют проопухолевое действие макрофагов, то сочетанная стимуляция рецепторов приводит к появлению выраженной противоопухолевой активности (рис. 1Б). Интересно, что эта активность макрофагов частично реализуется через продукцию ФНО, который действует на клетки-продуценты ауто- или паракринно. Помимо ФНО, в реализации противоопухолевых эффектов макрофагов, активированных сочетанием агонистов NOD1 + TLR4, участвуют и другие растворимые и мембраноассоциированные молекулы. Их природа в данной работе не была установлена, но является предметом будущих исследований. Также наши результаты показали, что одним из компонентов противоопухолевой активности макрофагов является антипролиферативный эффект.
В целом, наша работа продемонстрировала, что сочетание агонистов NOD1 и TLR4 является эффективным активатором противоопухолевой активности человеческих макрофагов in vitro. Эти результаты позволяют рассматривать данное сочетание в качестве потенциального противоопухолевого препарата.
Выводы
1. Показана возможность переключения активности макрофагов человека с проопухолевой на противоопухолевую при действии сочетания агонистов NOD1 и TLR4 in vitro.
2. Для реализации противоопухолевого ответа макрофагов против клеток К562 необходимы секреция ФНО и прямое межклеточное взаимодействие между К562 и макрофагами.
Литература
1. Sica A., Mantovani A. Macrophage plasticity and polarization: in vivo veritas. J. Clin. Invest. 2012; 122 (3): 787-95. DOI: https://www.doi.org/10.1172/JCI59643
2. Gordon S., Martinez F.O. Alternative activation of macrophages: mechanism and functions. Immunity. 2010; 32 (5): 593-604. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.immuni.2010.05.007
3. Wynn T.A., Chawla A., Pollard J.W. Macrophage biology in development, homeostasis and disease. Nature. 2013; 496 (7446): 445-55. DOI: https://www.doi.org/10.1038/nature12034
4. Zhang L., Zhu H., Lun Y., Yan D., Yu L., Du B., Zhu X. Proteomic analysis of macrophages: a potential way to identify novel proteins associated with activation of macrophages for tumor cell killing. Cell. Mol. Immunol. 2007; 4 (5): 359-67. PMID: 17976316
5. Pozzi L.-A.M., Maciaszek J.W., Rock K.L. Both dendritic cells and macrophages can stimulate naive CD8 T cells in vivo to proliferate, develop effector function, and differentiate into memory cells. J. Immunol. 2005; 175 (4): 2071-81. DOI: https://www.doi.org/10.4049/jimmunol.175.4.2071
6. Wynn T.A., Freund Y.R., Paulnock D.M. TNF-alpha differentially regulates Ia antigen expression and macrophage tumoricidal activity in two murine macrophage cell lines. Cell. Immunol. 1992; 140 (1): 184-96. DOI: https://www.doi.org/10.1016/0008-8749(92)90186-s
7. Sun L., Kees T., Almeida A.S., Liu B., He X.Y., Ng D., Han X., Spector D.L., McNeish I.A., Gimotty P., Adams S., Egeblad M. Activating a collaborative innate-adaptive immune response to control metastasis. Cancer Cell. 2021; 39 (10): 1361-74.e9. DOI: https://www.doi.org/10.1016/j.ccell.2021.08.005
8. Singh M., Khong H., Dai Z., Huang X.-F., Wargo J.A., Cooper Z.A., Vasilakos J.P., Hwu P., Overwijk W.W. Effective innate and adaptive antimelanoma immunity through localized TLR7/8 activation. J. Immunol. 2014; 193 (9): 4722-31. DOI: https://www.doi.org/10.4049/jimmunol.1401160
9. Hedl M., Yan J., Witt H., Abraham C. IRF5 is required for bacterial clearance in human m1-polarized macrophages, and IRF5 immune-mediated disease risk variants modulate this outcome. J. Immunol. 2019; 202 (3): 920-30. DOI: https://www.doi.org/10.4049/jimmunol.1800226
10. Nikonova A.A., Pichugin A.V., Chulkina M.M., Lebedeva E.S., Gaisina A.R., Shilovskiy I.P., Ataullakhanov R.I., Khaitov M.R., Khaitov R.M. The TLR4 agonist immunomax affects the phenotype of mouse lung macrophages during respiratory syncytial virus infection. Acta Naturae. 2018; 10 (4): 95. PMID: 30713767
11. Chi H., Li C., Zhao F.S., Zhang L., Ng T.B., Jin G., Sha O. Anti-tumor activity of toll-Like receptor 7 agonists. Front. Pharmacol. 2017. DOI: https://www.doi.org/10.3389/FPHAR.2017.00304
12. Adams S. Toll-like receptor agonists in cancer therapy. Immunotherapy. 2009; 1 (6): 949-64. DOI: https://www.doi.org/10.2217/imt.
09.70
13. Ghochikyan A., Pichugin A., Bagaev A., Davtyan A., Hovakimyan A., Tukhvatulin A., Davtyan H., Shcheblyakov D., Logunov D., Chulkina M., Savilova A., Trofimov D., Nelson E.L., Agadjanyan M., Ataullakhanov R.I. Targeting TLR-4 with a novel pharmaceutical grade plant derived agonist, Immunomax®, as a therapeutic strategy for metastatic breast cancer. J. Transl. Med. 2014. DOI: https://www.doi.org/10.1186/S12967-014-0322-Y
14. Rodell C.B., Arlauckas S.P., Cuccarese M.F., Garris C.S., Li R., Ahmed M.S., Kohler R.H., Pittet M.J., Weissleder R. TLR7/8-agonist-loaded nanoparticles promote the polarization of tumour-associated macrophages to enhance cancer immunotherapy. Nat. Biomed. Eng. 2018; 2 (8): 578-88. DOI: https://www.doi.org/10.1038/s41551-018-0236-8
15. Ackerman S.E., Pearson C.I., Gregorio J.D., Gonzalez J.C., Kenkel J.A., Hartmann F.J. et al. Immune-stimulating antibody conjugates elicit robust myeloid activation and durable antitumor immunity. Nat. Сancer. 2021; 2 (1): 18-33. DOI: https://www.doi.org/10.1038/s43018-020-00136-x
16. Zhu P., Hou Y., Tang M., Jin Z., Yu Y., Li D., Yan D., Dong Z. The role of HIF-1α in BCG-stimulated macrophages polarization and their tumoricidal effects in vitro. Med. Microbiol. Immunol. 2021; 210 (2-3): 149-56. DOI: https://www.doi.org/10.1007/s00430-021-00708-3
17. Kumar P., Tyagi R., Das G., Bhaskar S. Mycobacterium indicus pranii and Mycobacterium bovis BCG lead to differential macrophage activation in Toll-like receptor-dependent manner. Immunology. 2014; 143 (2): 258-68. DOI: https://www.doi.org/10.1111/imm.12306
18. Suarez G., Romero-Gallo J., Piazuelo M.B., Sierra J.C., Delgado A.G., Kay Washington M., Shah S.C., Wilson K.T., Peek Jr R.M. Nod1 imprints inflammatory and carcinogenic responses toward the gastric pathogen Helicobacter pylori. Cancer Res. 2019; 79 (7): 1600-11. DOI: https://www.doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-18-2651
19. Punzo F., Bellini G., Tortora C., Di Pinto D., Argenziano M., Pota E., Di Paola A., Di Martino M., Rossi F. Mifamurtide and TAM-like macrophages: effect on proliferation, migration and differentiation of osteosarcoma cells. Oncotarget. 2020; 11 (7): 687-98. DOI: https://www.doi.org/10.18632/oncotarget.27479
20. Ando K., Mori K., Corradini N., Redini F., Heymann D. Mifamurtide for the treatment of nonmetastatic osteosarcoma. Expert Opin. Pharmacother. 2011; 12 (2): 285-92. DOI: https://www.doi.org/10.1517/14656566.2011.543129
21. Budikhina A.S., Murugina N.E., Maximchik P. V., Dagil Y.A., Nikolaeva A.M., Balyasova L.S., Murugin V.V., Selezneva E.M., Pashchenkova Y.G., Chkadua G.Z., Pinegin B.V., Pashenkov M.V. Interplay between NOD1 and TLR4 receptors in macrophages: nonsynergistic activation of signaling pathways results in synergistic induction of proinflammatory gene expression. J. Immunol. 2021; 206 (9): 2206-20. DOI: https://www.doi.org/10.4049/jimmunol.2000692
22. Багаев А.В., Рыбинец А.С., Федорова А.А., Ушакова Е.И., Лебедева Е.С., Пичугин А.В., Атауллаханов Р.И. Синергизм агонистов TLR3 и TLR4 при перепрограммировании макрофагов в противоопухолевое состояние. Иммунология. 2021
; 42 (6): 615-30. DOI: https://www.doi.org/10.33029/0206-4952-2021-42-6-615-630 -
23. Van Heel D.A., Ghosh S., Hunt K.A., Mathew C.G., Forbes A., Jewell D.P., Playford R.J. Synergy between TLR9 and NOD2 innate immune responses is lost in genetic Crohn’s disease. Gut. 2005. DOI: https://www.doi.org/10.1136/gut.2005.065888
24. Fritz J.H., Girardin S.E., Fitting C., Werts C., Mengin-Lecreulx D., Caroff M. et al. Synergistic stimulation of human monocytes and dendritic cells by Toll-like receptor 4 and NOD1- and NOD2-activating agonists. Eur. J. Immunol. 2005; 35 (8): 2459-70. DOI: https://www.doi.org/10.1002/eji.200526286
25. Murad Y.M., Clay T.M., Lyerly H.K., Morse M.A. CPG-7909 (PF-3512676, ProMune): toll-like receptor-9 agonist in cancer therapy. Expert Opin. Biol. Ther. 2007; 7 (8): 1257-66. DOI: https://www.doi.org/10.1517/14712598.7.8.1257
26. van Heel D.A., Ghosh S., Butler M., Hunt K., Foxwell B.M.J., Mengin-Lecreulx D., Playford R.J. Synergistic enhancement of Toll-like receptor responses by NOD1 activation. Eur. J. Immunol. 2005; 35 (8): 2471-6. DOI: https://www.doi.org/10.1002/eji.200526296
27. Girardin S.E., Boneca I.G., Carneiro L.A.M., Antignac A., Jéhanno M., Viala J., Tedin K., Taha M.-K., Labigne A., Zähringer U., Coyle A.J., DiStefano P.S., Bertin J., Sansonetti P.J., Philpott D.J. Nod1 detects a unique muropeptide from gram-negative bacterial peptidoglycan. Science. 2003; 300 (5625): 1584-7. DOI: https://www.doi.org/10.1126/science.1084677
28. Barton G.M., Medzhitov R. Toll-like receptors and their ligands. Curr. Top. Microbiol. Immunol. 2002. DOI: https://www.doi.org/10.1007/978-3-642-59430-4_5