Как победить в боях без правил: Hallmarks of Cancer-2022

За последние лет десять накопилось огромнейшее количество данных в онкологи – как фундаментальных, так и клинических.

Они сделали возможным ещё более глубокое понимание биологии опухолевого роста и ключевых особенностей опухолевых клеток, и кульминацией накопления этих данных стал фундаментальный труд, вышедший буквально на днях - New dimensions in hallmarks of cancer.

В нём обобщены обновлённые представления о ключевых признаках опухолевой клетки – в качестве новых признаков (в дополнение к предыдущим десяти) выступают:

• Фенотипическая пластичность
• Эпигенетическое перепрограммирование
• Полиморфная микробиота
• Клеточное старение

В контексте новых данных, главный вопрос уже не в том, какие процессы для канцерогенеза ключевые – вопрос в том, как опухолевая клетка умудряется так извращать фундаментальные процессы клеточной жизни и использовать их ради своего выживания. И как мы можем на это повлиять.

Постепенно серых пятен в понимании столь сложной проблемы, как природа опухоли, становится всё меньше, но, как это обычно и бывает, вместе с появлением новых данных перед нами встают новые вопросы, которые требуют своего решения.

Сегодня мы пройдёмся по новым Hallmarks of Cancer, осветим предпосылки к их отдельному выделению, коснёмся их биологической сути и проанализируем их роль для терапевтической онкологии.

Фенотипическая пластичность

Введение в проблему

Естественный процесс развития дифферона (гистогенетического ряда – преемственной линии клеток различной дифференцировки в рамках конкретной ткани – эпителиальной, мышечной и т.д.) рассматривается как постепенное, поэтапное созревание пула недифференцированных (aka стволовых, прогениторных) клеток в направлении специфичного фенотипа с уникальным набором морфологических особенностей и функций клетки.

Развитие тканей сопряжено с развитием конкретного гистогенетического ряда клеток. Оно начинается с недифференцированных клеток, заключающих в себе потенциал стать практически любой клеткой в рамках конкретного зачатка (progenitor cell) – сначала эктодермы, энтодермы или мезодермы, затем – в рамках эпителиальной ткани, нервной ткани, мышечной и так далее.

По итогу, минуя множество метаморфоз. этот процесс заканчивается формированием клеток, которые пребывают в состоянии терминальной дифференцировки, в котором количество её делений стремится к нулю. Как правило, на терминальной дифференцировке развитие останавливается – и остаётся популяция клеток с конкретным фенотипом и конкретной функцией.

Тут надо добавить, что в некоторых случаях, при воздействии пролиферативных сигналов, ряд высокодифференцированных клеток способен к делению, но вновь образующиеся клетки всё равно имеют те фенотипические черты, что и исходная высокодифференцированная клетка.

Возможности плюрипотентной клетки в отношении пути развития крайне широкие, и всё потому, что набор и количество генов в каждой клетке одинаковы и всё зависит от спектра тех генов, которые в ней функционируют. Подробнее почитать об этом можно здесь.

Причём тут опухоль?

Естественный сценарий развития нормальной ткани – от низкодифференированных клеток к высокодифференцированным.
Естественный сценарий развития опухолевой ткани – от высокодифференцированных к низкодифференцированным.

Терминальная дифференцировка клетки считается необратимым состоянием для нормальных клеток, и чем выше дифференцировка клетки, тем меньше её пролиферативный потенциал.

Опухолевая клетка же ломает естественный уклад вещей (как и всегда): различными путями она может запускать процесс обратного развития, т.е. дедифференцировки – возвращения к более раннему (в рамках гистогенетического ряда) фенотипу, либо вовсе подвергаться «превращению» из одного фенотипа в другой (трансдифференцировка).

Как это выглядит в опухоли и что за этим стоит?

Дедифференцировка

Сами авторы приводят пример с SMAD 4 и патогенезом колоректального рака.

SMAD 4 имеет ключевое значение для формирования мезодермы и гаструляции, о чём свидетельствуют древние доклинические данные – отключение SMAD 4 чревато грубыми нарушениями эмбриогенеза.

В контексте КРР, утрата функция SMAD 4 является той кнопкой (конечно, не единственной, но значимой), которая позволяет приобрести опухолевым клеткам толстой кишки менее дифференцированный фенотип и усугубить неопластическую трансформацию. Это и происходит.

Другой пример, приводимый авторами в контексте КРР (но имеющий значение не только для КРР), относится к HOXA5.

Это фактор дифференцировки, который в опухолевых клетках «заблокирован», но при этом активен в нормальных эпителиальных клетках слизистой толстой кишки.

Доклинические данные свидетельствуют об антагонизме Wnt – сигналинга (одного из ключевых элементов в патогенезе КРР) и активности NoxA5 и возможном обратном развитии канцерогенеза при реактивации последнего.

Наиболее полным и всеобъемлющим выражением фенотипической пластичности опухолевой клетки является эпителиально – мезенхимальный переход. (ЭМП)

ЭМП как пример фенотипической пластичности

Определение ЭМП максимально простое – это процесс, во время которого эпителиальные клетки теряют свои функциональные (например, способность к образованию межклеточных связей) и морфологические (например, апикально – базальную полярность) черты и приобретают фенотип и функциональные (подвижность, способность к биохимической модификации межклеточного матрикса) особенности мезенхимальных клеток.

С одной стороны, из одного дифференцированного фенотипа (эпителиального) мы получаем другой (мезенхимальный), но с другой стороны, мезенхимальный фенотип сам по себе является крайне недифференцированным (если вспомнить о том, что такое мезенхима и что в рамках мезенхимы получается просто огромное количество разных клеток).

В контексте нормальных тканей, ЭМП является одним из ведущих гистогенетических механизмов в эмбриогенезе.

В контексте опухоли, ЭМП – универсальный механизм прогрессирования опухоли, совокупность процессов, позволяющих опухолевым клеткам приобретать способность к инвазии и метастазированию.

Количество публикаций (как и интерес к ЭМП) по этой проблеме просто бешеные. И учитывая массив накапливаемых данных, фенотипическая пластичность (яркий пример которой – именно ЭМП) просто не могла не стать новым hallmark of cancer.

Молекулярные механизмы ЭМП (в очень упрощённом виде) представлены на схеме ниже. ЭМП запускается в ответ на внешний сигналинг, на изменения микроокружения, и реализуется благодаря активации факторов транскрипции – наиболее важными сейчас читаются ZEB1, ZEB 2, SNAIL, SLUG, TWIST. Они запускают транскрипцию и угнетают её у огромного числа генов.

Трансдифференцировка

Отличным примером трансдифференцировки являются случаи трансформации аденокарциному предстательной железы в нейроэндокринную карциному как вариант ответа опухоли предстательной железы на проводимую андроген – депривационную терапию.

Кроме того, никого особо и не удивить возможностью трансформации в мелкоклеточный рак легкого из аденокарциномы легкого с наличием драйверных мутаций (хотя, конечно, вопрос, что имеем место в большей степени – исходное сосуществование двух фенотипов опухоли или превращение одного фенотипа в другой, черт его знает), несмотря на то, что данные ограничены, преимущественно, сериями случаев. И отдельными кейс – репортами с обзорами, крайне увлекательными для ознакомления.

Молекулярные причины таких нейроэндокринных трансформаций кроются в утрате функций белков Rb1 и p53 (молекулярными альтерациями, крайне характерными для нейроэндокринных карцином), которые сочетаются с эффектами AUR–киназы A, SOX2 и много чего другого.

Но как это всё запускается? По каким механизмам? Помимо мутаций ДНК, мы сталкиваемся ещё и с другими молекулярными механизмами, по совместительству являющихся ещё и вторым новым hallmarks of cancer.

Немутационное эпигенетическое перепрограммирование

Введение в проблему

В ДНК клеток имеется ограниченный набор генов (спасибо, кэп). Во всех клетках набор генов исходно одинаковый, но при этом, в организме сосуществуют сотни клеток с разным фенотипом.

Для каждого гена существует свой набор транскрипционных факторов – белков, которые связываются непосредственно со специальными «промоторными» областями ДНК, расположенными выше кодирующей области гена, или непосредственно с молекулой РНК-полимеразы.

Факторы транскрипции могут как активировать, так и подавлять транскрипцию гена. Долгое время считалось, что это является ключевым и единственным фактором, определяющим, функционирует ли ген в данный момент времени. Но, оказывается, что нет.

Благодаря эпигенетической регуляции клетка способна избирательно транскрибировать строго определённый набор генов (паттерн экспрессии генов) и строить такой же, строго определённый и специфичный для конкретного фенотипа клетки, набор белков.

Процесс эпигенетической регуляции экспрессии генов становится возможным благодаря малой группе биохимических процессов, позволяющих, как запустить экспрессию гена, так и прекратить её и потому составляющими суть регуляции экспрессии генов). Наиболее частый механизм – метилирование ДНК – обсужден тут.

Причем тут опухолевая клетка?

Как уже было сказано ранее, механизмы эпигенетической регуляции у опухолевой клетки и нормальной клетки одни и те же, нюанс в том, как они их используют.

В нормальных органах и тканях эпигенетическая регуляция экспрессии генов является одним из механизмов гистогенеза – процессов клеточной дифференцировки.

В опухолевых клетках, эпигенетическая регуляция, наряду с мутациями генома и геномной нестабильностью, составляет уникальный молекулярно–генетический ландшафт, лежащий в основе формирования рака.

Более того: эпигенетическая регуляция отчасти обусловливает наблюдаемую в опухолях фенотипическую пластичность, что делает и её и эпигенетику двумя тесно связанными явлениями, ипоэтому выделения обоих признаков в новые hallmarks of cancer более чем закономерно. Дальше станет ещё понятнее почему.

Активация механизмов эпигенетической регуляции может достигаться различными путями – сигнальными каскадами, запускаемыми рецепторами (например, TGF- b), неблагоприятными факторами микроокружения (например, гипоксией) и т.д.

Как это выглядит в опухоли и что за этим стоит?

И тут мы снова возвращаемся к эпителиально-мезенхимальному переходу. Эпигенетическая регуляция пронизывает канцерогенез очень глубоко, словно невидимая, но очень прочная сеть.

Наиболее ярким примером, приводимым и авторами и который приходит на ум в первую очередь – уже обсуждённый нами эпителиально – мезенхимальный переход.

Литературные данные свидетельствуют о вовлечённости эпигенетической регуляции в экспрессию основных эффекторов в рамках ЭМП – это можно оценить по иллюстрации выше и по списку вовлечённых эффекторов ниже.

Лекарственная устойчивость и прогрессирование на фоне терапии

Эпигенетическая регуляция является одним из механизмов лекарственной устойчивости, возникающей в опухоли на фоне лекарственного лечения.

Еще больше о механизмах лекарственной устойчивости читайте здесь.

Итак, эпигенетическая регуляция затрагивает:

• Сигнальные каскады, которые могут как провоцировать клеточную пролиферацию, так и сами по себе обусловливать химиорезистентность (например, PI3k – AKT – каскад)

• Экспрессию генов, чьи белки могут быть подвергнуты антигенной презентации и служить мишенями для Т – цитотоксических лимфоцитов (наблюдается подавление) и экспрессию PD – L1 и других иммунных чек–поинт молекул на поверхности опухоли (наблюдается усиление) – кстати, так достигается избегание опухоли от иммунного надзора

• Метаболизм глюкозы и усиление механизма Варбурга

• Гипометилирование генов, реализующих программу ЭМП

Можно ли воздействовать на этот процесс?

По всей видимости, да, и есть отдельные данные из онкогематологии. Там азацитидин ингибирует DNMT (ДНК – метилтрансферазы), тем самым демонстрируя противоопухолевую активность в рамках консолидирующей терапии острого миелоидного лейкоза.

Можно ожидать, что попытки вмешательства в эпигенетическую регуляцию опухолевых клеток будут в последующее десятилетие всё более многочисленными.

Фенотипическая пластичность и эпигенетическая регуляция генома среди новых hallmarks of cancer являются наиболее изученными и кажутся наиболее фундаментальными - их роль в патогенезе и прогрессировании опухолей предельно ясна и понятна (насколько это возможно).

Два последующих признака менее изучены и их роль в патогенезе и прогрессировании опухоли продолжает уточняться. Их терапевтический потенциал ещё только предстоит выяснить. Впрочем, я могу быть необъективен. Изучите то, что написано ниже, прикреплённые ссылки а также саму статью, чтобы составить своё мнение.

А я лишь попробую широкими мазками пробежаться по ним.

Микробиомы

На очереди далеко не самый очевидный hallmark (во всяком случае, для меня), который касается микробиомов – сообществ микроорганизмов, заселяющих конкретную среду обитания (например, ту или иную нишу в человеческом организме) и которые находятся с организмом хозяина в отношениях – абъюзивных и не очень. «Где микробы и где рак?» подумал я. А потом вник в то, что пишут авторы и стало чуть – чуть понятнее, пусть и не сразу.

Итак, почему они вообще записали микробиомы в ключевые признаки рака?

Введение в проблему

Человеческий организм состоит из 3 x 10 в 13 степени эукариотических клеток и 3,9 x 10 в 13 степени колонизирующих микроорганизмов, среди которых тысячи видов самых разных микроорганизмов со своим набором генов.

Так что количество клеток-хозяев и микробиоты у человека примерно одинаковое, а наибольшая их концентрация – в коже, ротовой полости и кишке. В силу этого, было бы странно не учитывать возможность влияния взаимодействия микро – и макроорганизма на патогенез различных заболеваний. Между тем, роль микробиомов долгое время являлась недооценённой, что выражалось в малом количестве исследований и публикаций по данной проблеме, что стало выравниваться за последнее десятилетие.

Причём тут опухоль?

Самая идея заключается в том, что различные микробиомы могут влиять на канцерогенез в качестве одного из патогенетических факторов. И речь не только и даже не столько про те случаи рака, для которых найден и доказан инфекционный фактор (например, H. Pylori и рак желудка, ВПЧ и плоскоклеточный рак различной локализации), и т.д.

Речь про то, что канцерогенез отчасти является результатом взаимодействия микробиома и организма хозяина, а сам процесс сильно зависит от состава этого микробиома.

Как утверждают сами авторы: «существуют микробиомы, защищающие от рака, и микробиомы, способствующие развитию опухоли, с участием определенных видов бактерий, которые может модулировать заболеваемость и патогенез опухолей толстой кишки».

Эффект микробиома на патогенез опухоли многогранен. Одной из осью, в которой он реализуется, является его активное участие в жизни любовного патофизиологического треугольника «опухоль – иммунная система – микробиома».

Микроорганизмы вмешиваются во взаимоотношения опухоли и иммунной системы, и в зависимости от своего состава, по пока не очень понятным закономерностям, микробиом способен оказывать на иммунитет как стимулирующее, так и подавляющее влияние. В наибольшей степени, такие данные получены в отношении микробиомов толстой кишки.

Генотоксическое влияние бактерий

Другим аспектом является воздействие конкретных бактерий на эпителий толстой кишки и их генетический аппарат. Показательным примером, который приводят авторы, является E. coli, несущая в своей ДНК «островок патогенности» pks, позволяющей ей синтезировать колибактин.

Колибактин описан как мутаген, формирующий аддукты с ДНК и формирующий в ней двойные разрывы. Виноват ли только один колибактин – конечно нет, но при предварительно существующих генетических дефектах, вклад колибактина в канцерогенез может быть весьма ощутимым.

В кишечнике вообще может много чего расти. Так, у пациентов с КРР описаны изменения микробиоты в виде увеличения числа фузобактерий, Porphyromonadaceae, стафиллококов , Akkermansia spp. и Methano-bacteriales, а также снижение Bifidobacterium , Lactobacillus , Ruminococcus , Faecalibacterium spp. Только клиническое значение этого пока не очень понятно. Но мы точно знаем, что оно есть.

Как это выглядит в опухоли и что за этим стоит?

Пока что мы имеем дело с большим массивом данных, который свидетельствует о роли микрофлоры в патогенезе рака, но ещё очень многое требует своего уточнения (особенно за пределами колоректального рака) и пока не очень понятно, как человечество сможет это использовать в борьбе со столь грозным недугом.

Но что делать нам с вами с этими данными – я пока затрудняюсь говорить.

Если говорить о статье, которую мы обсуждаем в этом лонгриде, то в качестве примеров, помимо тех, что я представил выше, можно найти описания доклинических данных о том, как некоторые штаммы энтерококков (и других бактерий) экспрессируют пептидогликангидролиазу, называемую SagA, которая высвобождает мукопептиды из бактериальной стенки.

Эти мукопептиды затем могут системно циркулировать и активировать паттерн рецептора NOD2, который, в свою очередь, может усиливать T- клеточные ответы и эффективность иммунотерапии контрольных точек (через NF- kB – зависимую продукцию провоспалительных цитокинов. Значит ли это, что нам нужно трансплантировать культуру энтерококков? Возможно. Или нет.

Это прозвучит забавно (но только прозвучит), но на clinicaltrial.gov зарегистрированы исследования по трансплантации фекальной микробиоты - NCT04236843, NCT04706611. Это значит, что подобные вопросы будут изучаться на полном серьёзе и что из этого получится – увидим в ближайшем будущем.

Я допускаю возможность того, что я недостаточно вник в проблему микробиомов, их изменчивости и роли в канцерогенезе, недостаточно «пропитался ею», но у меня складывается впечатление, что, в отличие от первых двух новых hallmarks, больших открытий и кардинальных изменений в лечении рака в связи с изучением микробиоты, мы в ближайшее время не увидим.

Возможно в связи с тем, что канцерогенез обусловлен изменениями в реализации генетической информации клетки в силу разных причин. И видимо, микроорганизмы являются лишь одной из этих причин – ничего принципиально нового выделение микробиотов в hallmarks of cancer в контексте лечения рака пока не внесёт.

Клеточное старение

Введение в проблему

Что такое старение клеток в принципе? Как и в чём оно проявляется? Интуитивно вопрос может показаться странным, а ответ - простым и понятным, но меня эти вопросы поставили в тупик.

И правда, что это такое? Что лежит в основе клеточного старения? Согласно современным представлениям, это самостоятельная клеточная программа, которая в процессе канцерогенеза предстаёт в неожиданном ракурсе.

Традиционно стареющими клетками рассматривают клетки, в которых происходит постепенная потеря клеточных функций и утрата способности к делению.

Потеря способности к делению является особенно важным элементом старения клетки - оно впервые описано Хейфликом, когда он наблюдал, что после серийного культивирования in vitro нормальные фибробласты человека истощали свою способность делиться и входили в состояние необратимой остановки роста, тогда как раковые клетки не входили в это состояние остановки роста (отсюда и появился лимит Хейфлика, который преодолевается опухолевыми клетками теломеразой).

Но, очевидно, что не только достижения лимита Хейфлика способно вызывать старение клетки.

Любые, длительно воздействующие на клетку неблагоприятные факторы, например, повреждения ДНК, гипоксия, активация онкогенов (в частности RAS), и т.д. приводят к остановке клеточного цикла р53 – зависимым путём – и благодаря ряду других эффекторов.

Эта программа старения реализуется для поддержания тканевого гомеостаза и для предотвращения распространения повреждения ДНК на следующее поколение клеток (которое способно индуцировать злокачественную трансформацию ткани). Казалось бы, вот он – защитный механизм от опухолевого роста.

Причём тут опухолевая клетка?

Делиться стареющие клетки не могут, но при этом они остаются метаболически активными - более того, их метаболизм претерпевает ряд изменений, которые укладываются в рамки особого фенотипа - SASP (senescence-associated secretory phenotype).

Такие клетки высвобождают паракринно действующие сигнальные молекулы, которые могут вызывать самые разные клеточные эффекты. В том числе — протоонкогенные.

Сюрприз в том, что присутствие популяции SASP - клеток (будь то опухолевых или опухоль – ассоциированных фибробластов) в опухолевой ткани способно, парадоксальным образом, усилить опухолевый рост – за счёт высвобождения целого букета паракринных факторов.

Эти факторы могут усиливать отдельные элементы канцерогенеза и позволять опухоли избегать иммунного надзора. При этом они же могут оказывать противоположный эффект. Полный список высвобождаемых SASP - клеткой биомолекул можно найти ниже.

Получается, опухоль не просто может стареть — старение раковых клеток способствует их выживанию. Кажется, такая информация может просто сломать мозг. Но мы не так просты.

Как это выглядит в опухоли и что за этим стоит?

Предполагаемый механизм реализации SASP - фенотипа представлен ниже. Главными молекулярными эффекторами являются NF-kB и C/EBP? (активируется через ERK), которые связываются с промоторами SASP - ассоциированных генов, тем самым усиливая их экспрессию; главным же эффектором, который останавливает клеточный цикл через целую серию реакций, как уже было сказано, является р53, в меньшей степени - Rb1.

Секретируемые SASP - клеткой биомолекулы могут участвовать в ремоделировании межклеточного матрикса (матриксные металлопротеиназы), ангиогенезе (VEGF) и усиливать клеточную пролиферацию.

Между тем, существуют данные и о том, что SASP клетки в разные периоды времени могут создавать иммуносупрессивную среду в микроокружении опухоли, и при этом — создавать условия для реализации реакций, составляющих противоопухолевый иммунный ответ. И понять, в какие именно моменты это происходит и почему, пока не получилось.

Кроме того, противовоспалительные медиаторы, включая IL-10 и PGE2, также секретируются стареющими стромальными и опухолевыми клетками и дополнительно усиливают иммуносупрессивную среду

В иммуноподдерживающем сценарии факторы SASP, секретируемые опухолевыми клетками и перицитами, стимулируют рекрутирование врожденных иммунных клеток (макрофагов, нейтрофилов, естественных киллеров (NK) и NKT-клеток) для обеспечения клиренса стареющих опухолевых клеток

Резистентность к противоопухолевому лечению и прогрессирование

Помимо противоречивой роли в канцерогенезе и отсутствием понимания, в какой момент времени SASP клетки работают “на опухоль” а в какой нет, мы сталкиваемся и с другой проблемой.

Длительное противоопухолевое лечение (химиотерапия, лучевая терапия) также является одним из факторов, повреждающих клетки (как опухолевые, так и клетки опухолевого микроокружения, её стромы), и одним из факторов, провоцирующих формирование SASP - клеток.

Иными словами, появление SASP-клеток в результате химиотерапии может являться одним из механизмов резистентности к противоопухолевому лечению.

(Макконехи, ты рано ушел — кажется, пришло время выкурить еще одну сигаретку)

Впервые это продемонстрировано в культуре клеток мезотелиомы в 2011 году, которые обрабатывали пеметрекседом. Воздействие химиопрепарата привело к ускоренному старению клеток и формированию SASP - клеточной популяции, которая, с течением нескольких суток через биомолекулы (IL - 6, IL - 8 INFy, VEGF) п STAT 3 - сигналлинг, способствовала реализации программы эпителиально - мезенхимального перехода.

Так что, по видимому, возможность существования SASP - ассоциированного механизма резистентности к противоопухолевому лечению - это только для меня новость - во всём мире полно публикаций на эту тему, и даже есть схематическое изображение основных предполагаемых механизмов данного явления.

Заключение и немного рефлексии

Я не сильно удивлюсь, если через пару лет мы увидим ещё одни new dimensions in hallmarks of cancer (или super new mega fresh hallmarks of cancer). Признаков там будет, уже, наверное, за двадцать. И дальше вряд ли станет легче.

Онкология - одна из наиболее изучаемых областей науки во всём мире. Это выражается как в количестве исследований, проводимых и публикуемых ежегодно, так и в расширении наших фундаментальных знаний о природе опухолевых заболеваний.

Очевидно, что эти четыре новых признака - широкие области для последующих научных исследований и поле для потенциальной разработки новых терапевтических мишеней и соответствующих препаратов.

Точно могу сказать, что новая статья проливает свет на то, почему несмотря на наше лечение, опухоль часто рецидивирует и прогрессирует - в её жизни и в её взаимодействии с нашим организмом слишком много переменных, о которых мы можем не знать.

Опухоль не стесняется абсолютно ничего: она подчиняет себе фундаментальные биохимические процессы, перестраивает эпигенетическую регуляцию на свой лад, превращается во что хочет, и даже использует старение и стареющие клетки (которые, казалось бы, не совместимы с опухолевым ростом) для своей прогрессии.

Я всегда говорю своим пациентам, что мы имеем дело с живой тканью, с нечто чрезвычайно креативным и более совершенным и живучим, чем наши собственные клетки, с живой субстанцией, играющей по своим правилам. И мы. врачи, используем свои методы, чтобы победить в этой смертоносной игре.

После знакомства с New dimensions in hallmarks of cancer я понял для себя только одно - у опухоли вообще нет никаких правил…

Источник: m.vk.com

Комментарии: