Arrow
Arrow
Slider

IDO - 2,3 dioksygenaza indoloaminy

Wstęp

Zapalenie jest uporządkowanym, ważnym etapem odpowiedzi immunologicznej, odgrywającym kluczową rolę w obronie organizmu przed patogenami. Zaburzenie mechanizmów regulujących zapalenie może prowadzić do rozwoju szeregu przewlekłych chorób, w tym chorób autoimmunizacyjnych. Aby zapobiec uszkodzeniu komórek i tkanek, zapalenie musi być pod ścisłą kontrolą. Znane są liczne mechanizmy zaangażowane w regulację przebiegu zapalenia i wygaszanie odpowiedzi immunologicznej. Jeden z takich mechanizmów związany jest z działaniem enzymu o nazwie: 2,3-dioksygenaza indoloaminy 1 (IDO-1, IDO). Działanie IDO powoduje zmniejszenie aktywności komórek układu odpornościowego (immunoregulacja) oraz rozwój tzw. tolerancji, czyli mechanizmów ograniczających odpowiedź immunologiczną na określone antygeny. Funkcja IDO została po raz pierwszy opisana w pracy Munn, Mellor i współpracowników, którzy wykazali, że IDO odgrywa ważną rolę w ochronie płodu przed cytotoksycznym atakiem limfocytów matki. W modelu mysim wykazano, że IDO syntetyzowane przez komórki łożyska jest niezbędne do zahamowania rozwoju swoistej odpowiedzi immunologicznej matki, skierowanej przeciwko odmiennym genetycznie, bo zawierającym również geny pochodzenia ojcowskiego, komórkom płodu. Od tego czasu prowadzone są liczne badania dotyczące immunoregulatorowej aktywności IDO, w tym roli tego enzymu w unikaniu odpowiedzi immunologicznej przez nowotwór.

 

Aktywność enzymatyczna IDO

IDO jest enzymem cytoplazmatycznym, który katalizuje reakcję degradacji aminokwasu - tryptofanu. IDO należy do rodziny dioksygenaz, głównych enzymów degradacji związków aromatycznych. IDO przeprowadza reakcję katalityczną z udziałem tlenu oraz kofaktora - hemu, polegającą na przecięciu pierścienia aromatycznego indolu w cząsteczce tryptofanu. Produktami tej reakcji są kinureniny. Szlak powstawania kinurenin prowadzi do syntezy dwunukleotydu nikotynamido-adeninowego (NAD), wykorzystywanego do przenoszenia elektronów w wielu reakcjach enzymatycznych.

Enzymy rozkładające tryptofan

Proces oksydacyjnej degradacji tryptofanu może być przeprowadzony z udziałem trzech enzymów: IDO-1, IDO-2, oraz 2,3 dioksygenazy tryptofanu (TDO).

IDO-1 może być syntetyzowane przez: fibroblasty, mezenchymalne komórki macierzyste zrębu, komórki układu odpornościowego jak np. monocyty, komórki prezentujące antygeny (makrofagi, komórki dendrytyczne) oraz komórki nowotworowe. Ekspresja genu kodującego IDO-1 zachodzi pod wpływem różnych cytokin, głownie cytokin prozapalnych takich jak np. IFN-γ, bądź w wyniku aktywacji receptorów rozpoznających fragmenty mikroorganizmów np. receptorów Toll-podobnych. W węzłach limfatycznych, drenujących płyn śródtkankowy z guza oraz w mikrośrodowisku guza, komórki dendrytyczne syntetyzujące IDO-1, hamują namnażanie limfocytów T i wprowadzają je w stan anergii, czyli braku reaktywności. Powoduje to zahamowanie przeciwnowotworowej odpowiedzi immunologicznej, której głównymi efektorami są limfocyty T.

IDO-2 wykazuje 43% podobieństwa w stosunku do sekwencji aminokwasowej IDO-1. IDO-2 jest także syntetyzowane przez komórki układu odpornościowego, jednak jego rola w przebiegu odpowiedzi immunologicznej jest niejasna. W przeciwieństwie do IDO-1, aktywacja receptorów Toll-podobnych nie zwiększa ekspresji genu kodującego IDO-2. Dodatkowo, istnieją warianty polimorficzne genów kodujących odmiany IDO-2, które pozbawione są aktywności enzymatycznej.

TDO, syntetyzowane głównie w wątrobie, ma zupełnie inną strukturę niż IDO-1/2. Ekspresję genu kodującego TDO wykazano w komórkach nowotworowych takich jak rak wątrobowokomórkowy oraz glejak. TDO, podobnie do IDO, wykazuje działanie immunosupresyjne. Jednak funkcje TDO nie zostały jeszcze dobrze opisane.

Wpływ eliminacji tryptofanu na limfocyty T

Tryptofan jest aminokwasem, który nie jest syntetyzowany w organizmie i musi być dostarczany z pożywieniem. Tryptofan to przede wszystkim jeden z elementów budulcowych białek. Jest również wykorzystywany w syntezie serotoniny, melatoniny, oraz, poprzez szlak kinurenin, cząsteczki NAD, która jest przenośnikiem elektronów i protonów w reakcjach enzymatycznych. Aktywność IDO w mikrośrodowisku guza oraz w węzłach limfatycznych drenujących płyn tkankowy z guza prowadzi do obniżenia stężenia tryptofanu. Na niskie stężenie tryptofanu reagują przede wszystkim limfocyty T, jeden z głównych elementów przeciwnowotworowej odpowiedzi immunologicznej.

W limfocytach T, brak tryptofanu wykrywany jest poprzez szlaki aktywowane brakiem określonych składników odżywczych (ang. nutrient-sensing pathways). Główny mechanizm angażuje kinazę GCN2 (ang. general control nonderepressible 2), która jest aktywowana przez wolne, niezwiązane z odpowiednim aminokwasem cząsteczki transportującego RNA (tRNA). tRNA bierze udział w procesie syntezy białek, a każdy rodzaj cząsteczek tRNA może transportować tylko określony rodzaj aminokwasu. Brak tryptofanu powoduje, że cząsteczki tRNA, odpowiedzialne za jego transport, pozostają niezwiązane, co prowadzi do aktywacji kinazy GCN2. Proces ten jest odpowiedzialny za hamowanie namnażania się limfocytów T. Dodatkowo, kiedy IDO syntetyzowane jest przez komórki prezentujące antygeny (np. komórki dendrytyczne prezentujące fragmenty białek nowotworowych), wówczas limfocyty T wchodzą w stan anergii, tracąc zdolność do zabijania komórek nowotworowych.

Innym, ważnym szlakiem biochemicznym, zaangażowanym w hamowanie aktywności cytotoksycznych limfocytów T na skutek obniżenia stężenia tryptofanu, jest szlak mTOR (ang. mammalian target of rapamycin). Aktywność kinazy mTOR jest między innymi uzależniona od dostępności składników odżywczych. Kinaza ta kontroluje podziały i metabolizm komórki. Szlak mTOR bierze więc również udział w podziałach limfocytów T po stymulacji antygenem. Brak niektórych składników odżywczych takich jak tryptofan powoduje zmniejszenie aktywności mTOR i zahamowanie podziałów cytotoksycznych limfocytów T. Ponadto, w obecności czynnika martwicy nowotworów (TGFβ), zahamowanie mTOR indukuje polaryzację limfocytów T w kierunku komórek regulatorowych, wyciszających odpowiedź immunologiczną.

Wpływ kinurenin na limfocyty T

Blokujący wpływ na limfocyty T ma nie tylko brak tryptofanu, ale także zwiększone stężenie kinurenin, produktów reakcji katalizowanej przez IDO. Kinureniny, a także ich pochodne, są ligandami dla receptora AhR (ang. Aryl hydrocarbon Receptor). Skutkiem aktywacji receptora AhR jest różnicowanie limfocytów T w kierunku komórek regulatorowych. Ponadto kinureniny mogą również indukować apoptozę efektorowych limfocytów T.

Efekty zwiększonej ekspresji IDO na przeciwnowotworową odpowiedź immunologiczna przedstawiono na rycinie poniżej.

1pl

Wpływ IDO na przeciwnowotworową odpowiedź immunologiczną. Legenda: KD- komórki dendrytyczne; KN- komórki nowotworowe; IDO- 2,3-dioksygenaza indoloaminy; GCN2- kinaza, ang. general control nonderepressible 2; mTOR- kinaza, ang. mammalian target of rapamycin; AhR- receptor dla kinurenin, ang. aryl hydrocarbon receptor; FoxP3- czynnik transkrypcyjny specyficzny dla limfocytów regulatorowych; Treg- limfocyty regulatorowe.

Ekspresja IDO w nowotworach u ludzi

Wzrost aktywności enzymów metabolizujących tryptofan został stwierdzony w wielu nowotworach na podstawie oceny stosunku stężeń kinurenin do tryptofanu, badanego w surowicy pobranej od chorych. Niektóre komórki nowotworowe pochodzące z nowotworów takich jak: rak okrężnicy, macicy, nerki, niedrobnokomórkowy rak płuc, ostra białaczka szpikowa, wykazują nasiloną ekspresję genu kodującego IDO-1. Jednak w innych typach nowotworów, jak np. w przewlekłej białaczce limfocytowej, wzrost metabolitów tryptofanu w surowicy nie jest powiązany ze wzrostem ekspresji IDO w komórkach nowotworowych. Sugeruje to, że źródłem enzymów metabolizujących tryptofan są komórki zrębu guza. Warto podkreślić, że w niektórych guzach litych, w tym często występujących (rak płuc, rak jelita grubego, czerniak) jak również w niektórych nowotworach hematologicznych np. ostra białaczka szpikowa, wzrost aktywności IDO koreluje ze złą prognozą i krótkim przeżyciem. Jednakże w innych nowotworach (rak piersi, rak nerki, chłoniaki nieziarnicze), ekspresja genu kodującego IDO jest powiązana z dłuższym przeżyciem. Wpływ IDO na kształtowanie się prognoz przebiegu chorób nowotworowych został szeroko opisany w ostatnio opublikowanym artykule przeglądowym (Brochez et al., https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28324751).

Inhibitory IDO

Ze względu na udokumentowaną rolę IDO w rozwoju chorób nowotworowych wiele uwagi poświęca się na zaprojektowanie terapii ukierunkowanej na zahamowanie aktywności tego enzymu. Początkowo, w doświadczeniach w modelach zwierzęcych, obniżenie aktywności IDO uzyskiwano za pomocą wyciszenia ekspresji na poziomie RNA (stosując siRNA). Cząsteczki siRNA powodują degradację produktu ekspresji genu, a w tych konkretnie doświadczeniach był to gen kodujący IDO. Doświadczenia te wykazały, że zmniejszenie ilości IDO powoduje zwiększenie przeciwnowotworowej aktywności limfocytów T. Dało to podstawy do dalszych badań, których celem było zaprojektowanie drobnocząsteczkowych inhibitorów hamujących aktywność tego enzymu. Wiele związków znajduje się obecnie w fazie badań przedklinicznych oraz klinicznych. Badania dotyczące dwóch z nich: epokadostatu oraz indoksymodu są najbardziej zaawansowane.

Epokadostat, związek podawany doustnie, jest pochodną hydroksyamidyny. Jest on bardzo efektywnym inhibitorem IDO-1 (IC50=10 nM) i specyficznym względem pozostałych enzymów metabolizujących tryptofan. W badaniach przedklinicznych wykazano, że epakadostat przywraca funkcje limfocytów T, komórek NK oraz hamuje działanie limfocytów regulatorowych, zwiększając aktywność przeciwnowotworową układu odpornościowego. Indoksymod, inny inhibitor IDO, jest pochodną tryptofanu (1-metylo-D-tryptofan. Izomer o konfiguracji D jest znacznie silniejszym inhibitorem IDO, co wiąże się z silniejszym działaniem immunostymulującym i przeciwnowotworowym. Indoksymod, podobnie jak epokadostat, jest podawany doustnie.

Przeciwnowotworowe działanie epakadostatu i indoksymodu jest obecnie testowane w badaniach klinicznych, głównie w połączeniu z chemio- i immunoterapią. Badania kliniczne 1 i 2 fazy wykazały, że obydwa związki są dobrze tolerowane oraz potwierdziły zdolność do hamowania IDO oraz do indukowania częściowej odpowiedzi na leczenie u pacjentów z nowotworami. Najbardziej zaawansowane badania 3 fazy są obecnie prowadzone dla epakadostatu w połączeniu z pembrolizumabem – przeciwciałem przeciwko PD1 - u chorych na czerniaka złośliwego. Ponadto, działanie przeciwnowotworowe epakadostatu jest obecnie testowane w 1 i 2 fazie badań klinicznych w wielu innych zaawansowanych nowotworach (rak płuc, piersi, jajnika, żołądka, głowy i szyi, glejak, chłoniak B komórkowy), przede wszystkim w połączeniu z nowoczesną immunoterapią (inhibitory punktów kontrolnych, terapie adoptywne za pomocą komórek NK, szczepionki przeciwnowotworowe), a także w połączeniu z chemioterapią (fludarabina, cyklofosfamid). Podsumowanie obecnie rozpoczętych prób klinicznych przedstawiono w artykule przeglądowym (Brochez et al., https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28324751).

Literatura:

https://www.futuremedicine.com/doi/pdf/10.2217/imt-2016-0118

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28324751

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23103127

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26674411

Autorzy:

Dr Angelika Muchowicz, Dr Malgorzata Firczuk, Prof. Jakub Gołąb

 

OPEN