Hallmarks of Cancer v. 2.0, или десять крестражей раковой клетки

Классические шесть признаков опухолевой клетки мы уже обсуждали здесь. В этом лонгриде вас ждут все известные на данные момент Hallmarks of Cancer, описанные в знаменитой статье Роберта Вайнберга и Дугласа Ханаана — «Hallmarks of Cancer: The Next Generation».

Введение

В 2000 году в журнале Cell вышла статья, изменившая дальнейшие представления о механизме развития злокачественных опухолей. В ней двое молекулярных биологов, Вайнберг и Ханаан, собрали весь мировой опыт исследований канцерогенеза и сформулировали шесть ключевых признаков рака — те самые Hallmarks of Cancer. После этой работы стало очевидно, что рак не возникает сам по себе — он использует множество тонких молекулярных и генетических инструментов, чтобы выжить, обеспечить себя питанием и захватить весь организм. И что у каждой опухоли есть свои крестражи, дарующие ей вполне реальное бессмертие.

Статья пережила несчетное количество цитирований и переизданий, а спустя 11 лет мир увидело продолжение — Hallmarks of Cancer: The Next Generation, где все те же Ханаан и Вайнберг дополнили предыдущие шесть признаков еще четырьмя. Так и сформировалась господствующая на данный момент система восприятия канцерогенеза.

Эти работы так и остались бы фундаментальными статьями по молекулярной биологии, представляющими интерес только для теоретиков, да вот в онкологии так не бывает — в какой-то момент всем стало понятно, что нельзя бороться с раком, просто убивая, облучая и вырезая вышедшие из под контроля клетки. Нужно понимать суть процесса, причины и глубинные алгоритмы малигнизации и воздействовать прямо на них, устраняя причину болезни, а не последствие. Знание механизмов канцерогенеза позволило кардинально изменить представления о лечении рака и спасти множество жизней. Более того, сейчас все только продолжается.

Именно поэтому любой онколог, интересующийся студент-медик или просто причастный человек просто обязан знать все крестражи раковой клетки в лицо — только уничтожая их один за другим мы получаем возможность бороться с нашим главным врагом, устроенным куда сложнее, чем нам бы хотелось.

Ключевые признаки рака можно сформулировать следующим образом:

Но запомнить это практически нереально — очень много сложных слов, лишенных какой-либо логики.

Поэтому для простоты все признаки можно свести к трем категориям, преследующим главные цели молодого опухолевого клона — не погибнуть, обеспечить себя едой и иметь способность преумножать свое количество.

Используя такую классификацию, все десять признаков можно разделить таким образом, где для достижения одной из трех целей, опухоль прибегает к тому или иному пути.

Обсуждая каждый признак, мы будем формировать вопрос таким образом:

1. Проблема. Это описание ситуации, перед которой встает молодой опухолевый клон, окруженный враждебными для него клетками организма-хозяина.
2. Решение. То, что опухоль делает, чтобы этой проблемы избежать — собственно, это и есть один из интересующих нас крестражей.
3. Что нам дает эта информация. Самое важное и интересное — как эти знания помогают нам бороться с онкологическими заболеваниями (или, может быть, помогут в будущем).

Задача первая. Выжить.

1. Неограниченный рост

Проблема:

Все клетки, проходя через определенное количество делений, достигают конечного репликативного потенциала (тот самый предел Хейфлика) и перестают пролиферировать - это называется старением.
Даже если in vitro отрубить у клетки супрессоры роста, она, хоть и продолжит делиться, но спустя определенное количество циклов войдет в состояние кризиса, которое в культуре клеток проявляется массивной клеточной гибелью и грубыми нарушениями кариотипа.
Большинство клеток достигают предела Хейфлика после 60-70 делений, и субстратом этого предела являются теломеры хромосом (концевые участки хромосом, состоящие из тысяч повторений коротких последовательностей). Постепенно обрезаясь, теломеры в конце концов оказываются неспособны защищать концы ДНК от сшивания, что приводит к нарушениям кариотипа и запуску апоптоза.

Решение:

Злокачественные клетки преодолевают это с помощью, в первую очередь, гиперэкспрессии фермента теломеразы, добавляющего новые повторы на концы хромосом.

Другой вариант - альтернативный путь удлинения хромосом, когда длина хромосом поддерживается при помощи межхромосомной рекомбинации.
Теломераза экспрессируется на 90% клеток, приобретающих бессмертие.

Что нам дает эта информация:

Пока ничего. Ингибиторы теломеразы на данный момент не показали особых успехов. Зато экспрессия гена TERT, кодирующего ее белковую субъединицу, оценивается в контексте рака мочевого пузыря как прогностический фактор.

2. Избегание апоптоза

Проблема:

Апоптоз запрограммирован в геноме всех клеток, являясь основным фактором клеточной убыли и важнейшим элементом гомеостаза. Система, обеспечивающая апоптоз, состоит из сенсоров (осуществляют мониторинг условий внеклеточной и внутриклеточной среды), которые связаны с эффекторами, регулирующими выживание или гибель клетки. Положительным или отрицательным лигандом для сенсора апоптоза может стать цитокин, циркулирующий во внеклеточном матриксе (IGF, TNF?). Наряду с наружными сигналами, сенсоры контролируют внутриклеточные сигналы на предмет аномалий (повреждения ДНК, дисбаланс в передаче сигналов, недостаточность факторов выживания и гипоксию). Примерами эффекторов служат важнейшие онкосупрессоры, такие, как p53 и bcl-2 - именно они передают сигнал о необходимости самоубийства в нисходящие структуры клеточных путей.
Большинство сигналов, активирующих апоптоз, направлены на митохондрии. В случае запуска самоубийства клетки именно митохондрии выделяют мощный катализатор апоптоза - цитохром С. Цитрохром С и другой важнейший рецептор смерти, FAS, активируют каспазы (внутриклеточные протеазы), окончательно запускающие механизм апоптоза, разрушающие органеллы и геном умирающей клетки.

Решение:

Раковая клетка решает вопрос апоптоза гиперэкспрессией онкогенов, инактивацией онкосупрессоров и нарушением передачи сигнала смерти в пути FAS.
Наиболее часто встречается потеря проапоптотического компонента в гене р53 или нехватка опухолевого супрессора pTEN
Иногда инактивация апоптоза обусловлена активацией молекулярного пути PI3 киназы AKT/PKB, передающей клетке сигнал выживания
Кроме того, злокачественная клетка может выделять внеклеточные антиапоптотические факторы (IGF-1/2, IL-2, Bcl-2, Bcl-xL), изменять внутриклеточные каскады (Ras. Raf)
Еще один возможный механизм - связывание молекул FAS-пути по типу конкурирующего ингибирования, что предотвращает возможность их взаимодействия с рецептором.

Что нам дает эта информация:

Некоторые таргетные препараты (иматиниб, EGFR ингибиторы и т.д.) влияют на баланс онкогенов и онкосупрессоров и способствуют инициации апоптоза.

3. Избегание уничтожения иммунной системой

Проблема:

В норме иммунная система постоянно распознает опухолевые клетки и убивает их – в этом суть иммунологического надзора.
Иммунологический надзор может быть успешным (элиминация), когда NK-клетки и Т-киллеры вовремя и поголовно уничтожают молодые опухолевые клоны, а может быть неэффективным (ускользание), когда опухолевым клеткам удается преодолеть иммунный надзор и развиться до таких масштабов, когда иммунная система будет уже бессильна справиться с клоном.
Очень часто опухоль-иммунное взаимодействие находится в состоянии равновесия, когда иммунная система контролирует опухолевый рост, но полностью элиминировать опухолевые клетки не может – такое состояние может длиться годами, пока чаша весов не сместится в ту или иную сторону.

Решение:

Опухоль снижает экспрессию, презентацию и мутацию опухолевых антигенов и теряет главный комплекс гистосовместимости – эффекторные Т-лимфоциты перестают распознавать опухолевые клетки.
Кроме того, опухолевый клон продуцирует иммуносупрессивные факторы и цитокины, подавляющие иммунный ответ организма (TGF-?, IL-10, VEGF, IFN?, PgE2). При этом опухоль в целом становится устойчива к апоптозу.
Важнейшую роль играет блокада рецепторов запрограмированной клеточной смерти (PD-L1, CTLA-4).

Что нам дает эта информация:

Иммунотерапия, нувыче. Иммунотерапевтические препараты на данный момент являются самыми прогрессивными и во многих случаях эффективными лекарственными методами лечения рака.

4. Избегание супрессоров опухолевого роста

Проблема:

Антипролиферативные сигналы представляют собой растворимые ингибиторы роста, циркулирующие вне клетки и иммобилизованные ингибиторы, встроенные во внеклеточный матрикс и на поверхность окружающих клеток. Подавлять рост и деление клетки необходимо для тканевого гомеостаза, и осуществляется этот процесс либо с помощью перевода в фазу G0, либо через введение клетки в постмитотическое состояние, близкое к терминальной дифференцировке, когда клетка навсегда теряет свой пролиферативный потенциал.
Кроме того, функцию предотвращения опухолевого роста выполняют онкосупрессоры – гены общего контроля (p53, MSH, BRCA) и гены-хранители клеточного цикла (Rb1, p16, VHL, NF1)

Решение:

В нормальной клетке главный тормозящий деление каскад - это “сторожевой путь” pRb: сигнальная молекула TGF? в ответ на внешние и внутренние сигналы предотвращает фосфорилирование и деактивацию Rb, что не позволяет клетке переходить из S в G1 и другие фазы клеточного цикла.
В арсенале раковой клетки есть несколько способов нарушения передачи сигналов через pRb путь: подавление экспрессии TGF?-рецепторов или синтез дефектных рецепторов, элиминация промежуточных белков, таких как Smad4, прямая и опосредованная инактивация pRb.
Кроме того, раковая клетка делает все возможное, чтобы не перейти в фазу терминальной дифференцировки. Один из таких способов - активация онкогена c-myc (Mус вместе с другим фактором, Max, контролирует транскрипцию клетки, тормозя дифференцировку клетки и способствуя росту - ему противостоит онкосупрессивная комбинация факторов Mad-Max).

Что нам дает эта информация:

Много чего! В онкологии активно используются CDK4/6 и PARP ингибиторы; исследуется применение CRISPR/Cas технологий в отношении Rb; пытаются пробиться в фазу клинических испытаний препараты, ассоциированные с активацией ТР53

Задача вторая. Кушать.

1. Индукция ангиогенеза

Проблема:

В период эмбриогенеза развитие сосудистой системы включает в себя появление новых эндотелиальных клеток и их слияние в трубки (васкулогенез) наряду с прорастанием (ангиогенез) новых сосудов. Во взрослом организме формирование новых сосудов происходит при определённых ситуациях и наблюдается преимущественно при заживлении ран.
Чтобы делиться и увеличиваться в размере, зарождающиеся опухоли должны развивать свои ангиогенные свойства для обеспечения себя необходимым объемом питательных веществ.

Решение:

Примерами молекул, активирующий ангиогенез в здоровой ткани, служат фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), а также кислый и основной факторы роста фибробластов (FGF1/2). Ингибиторами ангиогенеза являются такие вещества, как тромбоспондин-1. Известно более двух десятков различных индукторов и супрессоров ангиогенеза.
Гиперэкспрессия факторов, стимулирующих ангиогенез и угнетение супрессоров этого процесса - один из ключевых моментов выживания молодой опухоли.

Что нам дает эта информация:

Один из наиболее популярных таргетных препаратов бевацизумаб, которым в наше время лечат рак легкого, кишки, яичника, молочной железы, уротелия и т.д., а также последующий за ним афлиберцепт основаны на принципе ингибирования ангиогенеза.

2. Перепрограммирование клеточного метаболизма

Проблема:

В норме распад глюкозы происходит, преимущественно, по аэробному пути – подобный процесс называется клеточным дыханием. Привлечение к процессу распада молекул кислорода позволяет получать наибольшее количество молекул АТФ (эквивалента энергии) с каждой молекулы глюкозы. Однако, в этом случае на получение АТФ требуется достаточно большое количество времени. При нехватке кислорода (гипоксии) клетки могут разлагать глюкозу в экстренном порядке – по механизму гликолиза; в этом случае АТФ образуется очень быстро, но в значительно меньшем количестве.

Решение:

Опухолевые клетки способны разлагать глюкозу по механизму гликолиза вне зависимости от уровня кислорода – это позволяет получать энергию значительно быстрее. Снижение эффективности в образовании АТФ клетка компенсирует многократным повышением количества переносчиков глюкозы.

Что нам дает эта информация:

Принцип ПЭТ основан на том, что опухолевые клетки любят глюкозу значительно больше, чем обычные клетки; Кроме того, определение в крови ЛДГ является прогностическим фактором для некоторых локализаций рака. Определение IDH-мутации в глиомах позволяет предположить возможный тип метаболизма гликозы в опухоли и также служит прогностическим фактором.

Задача третья. Размножаться.

1. Поддержание пролиферативного сигналинга

Митогенные сигналы необходимы для того, чтобы клетка могла перейти из состояния покоя в фазу пролиферации. Они передаются в клетку через трансмембранные рецепторы. Ни один тип соматических клеток не может пролиферировать без стимулирующего сигнала.
Раковые клетки в экзогенных факторах роста не нуждаются. Они сами генерируют собственные сигналы пролиферации. Эта независимость обеспечивается пятью основными способами, которые будут перечислены ниже.
На процессах блокировки пролиферативного сигналинга построена практически вся таргетная терапия (HER2, BRAF, EGFR и т.п.)

1. Смена гетеротопической сигнализации (когда одни типы клеток стимулируют пролиферацию других) на аутокринную стимуляцию (когда опухолевые клетки стимулируют сами себя). В здоровых тканях синтезом пролиферативных факторов занимаются специальные клетки, воздействующие на окружающие ткани, раковая же клетка синтезирует факторы роста, чтобы самой же быть ими активированной.

2. Изменение внеклеточных сигналов роста. К примеру, раковые клетки изменяют тип экспрессируемых ими рецепторов внеклеточного матрикса - интегринов. Интегрины находятся на поверхности клеток и связывают их внеклеточным матриксом, участвующим в передаче того или иного сигнала. В злокачественных клетках интегрины меняются исключительно на те, что способны воспринимать сигналы роста, что делает клетку более подвижной, резистентной к апоптозу и обладающей повышенным пролиферативным потенциалом.

3. Изменение трансмембранных проводников. Гиперэкспрессия тирозинкиназных рецепторов к факторам роста (EGFR, HER2/neu, etc) характерна для многих видов рака. В результате чувствительность раковых клеток к факторам роста увеличивается, и они приобретают способность реагировать даже на фоновые концентрации стимулирующих молекул. Кроме того, гиперэкспрессия рецепторов приводит к лиганд-независимой передаче сигналов.

4. Изменение внутриклеточных путей. Наиболее важную роль в изменении внутриклеточных каскадов в раковой клетке играет путь SOS-Ras-Raf-MAPK. Ко всем звеньям этого онкогенного пути на данный момент разработаны лекарственные средства, как и ко многим другим. Суть внутриклеточных путей такова: каскад сигналов проводится от клеточной стенки до ядра, в конечном итоге влияя на экспрессию генов и, как следствие, пролиферации клетки. Нарушение этой структуры позволяет проводить внутрь клетки большое количество митогенных сигналов, заглушая при этом тормозящее действие восходящих регуляторов. Внутриклеточные каскады устроены очень сложно и активно пересекаются друг с другом. На данный момент изучено множество внутриклеточных путей, но постоянно обнаруживаются новые элементы и молекулы.

5. Использование раковыми клетками здорового клеточного микроокружения. Такие клетки, не имеющие отношение к опухоли, как фибробласты и эпителиоциты вносят в онкогенез существенный вклад: все опухоли существуют благодаря гетеротипическому взаимодействию клеток разных типов. Злокачественная клетка достигает эволюционного превосходства только когда заставляет обычные клетки “работать на себя”. Раковые клетки, используя мембранные и внеклеточные сигналы, “вербуют” здоровые клетки, которые помогают им разрастаться и получать питательные вещества. Воспалительные и иммунокомпетентные клетки, мигрирующие в зону опухоли, также зачастую становятся невольными “союзниками” и вместо уничтожения раковых клеток, стимулируют их рост.

2. Инвазия и метастазирование

Метастазирование является самым фатальным последствием развития опухоли - метастазы оказываются причиной смерти 90% больных раком людей. Способность к инвазии и диссеминации позволяет раковым клеткам покинуть основной опухолевый массив и колонизировать новые места в теле.

Метастазирование – это поэтапный процесс, состоящий из инвазии, интравазации, переходе в кровеносное русло, экстравазации и собственно метастазирования. Начальные этапы каскада метастазирования реализуются с помощью программы эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМП). Благодаря ЭМП эпителиальные клетки приобретают свойства, характерные для мезенхимальных клеток, в частности, способность к передвижению,и, таким образом, способность к инвазии. Одним из важных механизмов ЭМП является утрата молекулы Е-кадгерина, которая в норме обеспечивает адгезионное соединение между эпителиальными клетками.

Для инвазии опухоли также необходимо разрушение матрикса, которое реализуется за счёт ферментов металлопротеиназ. Они могут вырабатываться самой опухолью или рекрутированными опухолью клетками воспаления. Кроме того, эти клетки могут способствовать инвазии опухоли и другими путями

3. Геномная нестабильность и мутирование

Геномная нестабильность опухолевого клона обусловлена несколькими факторами: затрагиванием в процессе канцерогенеза компонентов защиты ДНК («хранителей») генома; приобретением мутантных генов, необходимых для адекватного опухолегенеза; повышения чувствительности к мутагенным агентам; потеря теломерной ДНК и т.д.

Опухолевый клон при этом получает селективное преимущество над обычными клетками, где процессы мутагенеза ограничены. Высокая частота нарушений генома обуславливает значительное присутствие выгодных для опухоли мутаций – предопухолевые и опухолевые клетки быстрее накапливают необходимые им генотипы.

Разнообразные дефекты, которые вовлекают компоненты механизма защиты ДНК («хранителей») включают: прямое повреждение ДНК и нарушение репарации; активация мутагенных молекул, повреждающих ДНК. Гены-хранители во многом сходны с генами-супрессорами опухолей, что объединяет в единый механизм причинно-следственной связи появление опухоли как таковое и механизмы ее дальнейшего выживания.

Что дает нам эта информация

Большинство существующих цитостатиков созданы с расчетом на геномную нестабильность опухоли, и, как следствие, ее большую подверженность воздействую химиотерапии. С этого все начиналось.

4. Опухоль-стимулирующее воспаление

Практически в каждом очаге неоплазии имеются иммунные клетки врожденного и приобретенного иммунитета, симулирующие состояние, подобное воспалению в обычных тканях.

Иммунные клетки обладают опухоль-стимулирующим действием, обеспечивая биоактивными молекулами опухолевое микроокружение: факторами роста, факторами выживания, факторами выживания, которые иммуногенные клетки выделяют обычно для здоровых клеток, проангиогенные факторы и различные ферменты, способствующие инвазии, метастазированию и питанию клетки.

Кроме того, клетки воспаления высвобождают активные формы кислорода, которые являются сильными мутагенами и ускоряют генетическую эволюцию опухолевого клона.

В целом, реестр опухоль-стимулирующих воспалительных клеток включает макрофаги, лимфоциты, тучные клетки и нейтрофилы. Их деятельность и продуцируемые ими цитокины и факторы роста помогают опухоли расти и развиваться.

Что дает нам эта информация:

Доказана связь ЦОГ-ингибиторов и развития злокачественных опухолей: аспирин в низких дозировках официально одобрен для профилактики колоректального рака; исследуется влияние ЦОГ-ингибиторов на развитие ОГиШ; противоспалительное действие метформина также достоверно снижает риск развития рака; исследуются и другие противоопухолевые агенты, ориентированные на воспалительный компонент канцерогенеза.

Что еще почитать и посмотреть

•Hallmarks of cancer от Пеммы Арслановой: https://vk.com/@-177591840-hallmarks-of-cancer-universalnye-priznaki-zlokachestvennyh-o

•Про метастазирование: https://medach.pro/post/2267

•Тоже про метастазирование: https://www.coursera.org/learn/cancer-metastasis

•Канцерогенез от университета Джона Хопкинса: https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fwww.coursera.org%2Flearn%2Fcancer&post=-178806594_297&cc_key=

•Молекулярная онкология от Stepik: https://stepik.org/course/4836/promo

•И деВиту, если любите пожещще

Источник: m.vk.com

Комментарии: