Hallmarks of cancer — универсальные признаки злокачественных опухолей

А сегодня мы наконец-таки разберем универсальные характеристики злокачественной трансформации (Hallmarks of cancer).

Несмотря на кажущуюся очевидность морфологических характеристик опухолевых тканей и их отличий от нормы, длительное время учёным не удавалось сформулировать, в чём именно заключается биологическая суть процесса злокачественной трансформации. Колоссальная заслуга в формулировании основных свойств злокачественного фенотипа принадлежит двум учёным, Douglas Hanahan и Robert Weinberg, которые сумели обобщить полувековые усилия учёных-онкологов и предложили перечень обязательных характеристик злокачественного процесса.

На настоящий момент выделяют 10 универсальных признаков злокачественных опухолей (Рис.1):

1. Автономный рост (поддержание пролиферативного сигнала) - Sustaining proliferative signaling

2. Нечувствительность к супрессорам пролиферации - Evading growth suppressors

3. Иммортализация (избегание апоптоза) - Resisting cell death

4. Способность к бесконечному делению (неограниченный репликативный потенциал) - Enabling replicative immortality

5. Индукция ангиогенеза - Inducing angiogenesis

6. Инвазия и метастазирование - Activating invasion and metastasis

7. Геномная нестабильность - Genome instability and mutation

8. Воспаление, индуцирующее злокачественную трансформацию - Tumor-promoting inflammation

9. Перепрограммирование клеточного метаболизма - Deregulating cellular energetics

10. Устойчивость к атакам со стороны иммунной системы (локальная иммуносупрессия) - Avoiding immune destruction

Теперь поговорим о каждом из них поподробнее.

1. Автономный рост (поддержание аутопролиферативного сигнала)

В нормальном многоклеточном организме ни одна клетка не может делиться сама по себе – у клеток не существует «встроенной» программы к делению. Удвоение клетки происходит только в том случае, если от регуляторных систем организма поступает сигнал к пролиферации. Опухолевые клетки, в отличие от нормальных, утратили зависимость от регуляторных систем организма – они приобрели способность к т.н. «автономности» (Рис.2).

Каким образом опухолевые клетки поддерживают пролиферативный сигнал? Есть несколько способов:

A) Опухолевые клетки способны сами продуцировать факторы роста – стимуляторы своего же деления (аутокринная пролиферативная стимуляция); пример: продукция TGF-α клетками глиобластом и сарком

B) Опухолевые клетки могут стимулировать нормальные клетки, находящиеся в составе опухоль-ассоциированной стромы, «заставляя» их вырабатывать факторы роста для деления опухолевых клеток; особую роль в этом процессе отводят фибробластам и эндотелиальным клеткам

C) Амплификация рецептора, отвечающего на сигналы к делению, что делает опухолевые клетки гиперчувствительными к внеклеточным факторам роста и стимулирует пролиферацию; пример: гиперэкспрессия рецептора HER2neu в клетках рака молочной железы (РМЖ), рака желудка (РЖ)

D) Лиганд-независимая активация рецептора, отвечающего на сигналы к делению, в следствие мутации, приводящей к структурным изменениям в молекуле рецептора; пример: мутация в гене рецептора EGFR при немелкоклеточном раке лёгкого (НМРЛ) приводит к конститутивной активации рецептора EGFR

E) Конститутивная активация промежуточных белков пролиферативного сигнального каскада (вследствие драйверной мутации), которые в норме включаются только после активации рецептора; таким образом, сигнальный путь, приводящий к пролиферации клеток, находится в постоянно активном состоянии и для его включения уже нет необходимости в активации рецептора. Пример: мутация BRAF в клетках меланомы, при колоректальном раке (КРР), приводящая к постоянной активации сигнальной молекулы BRAF в MAPK-киназном пути.

F) Нарушения механизма отрицательной обратной связи, усиливающие пролиферативный сигнальный каскад. Пример: онкогенные мутации, затрагивающие гены ras, подрывают активность Ras-ГТФазы, действующей в качестве внутреннего механизма отрицательной обратной связи, который обычно обеспечивает непродолжительность активной передачи сигнала.

2. Нечувствительность к супрессорам пролиферации

В случае появления клона, характеризующегося аномальной пролиферацией, организм посылает к подобному очагу пролиферации сигналы к остановке деления. В отличие от нормальных, опухолевые клетки утратили способность отвечать на подобные сигналы. Это связано с утратой соответствующих рецепторов, сигнальных белков, транскрипционных факторов и т.д., участвующих в сдерживании пролиферации. Часто нечувствительность к супрессорам пролиферации обусловлена мутацией в генах-супрессорах опухолевого роста, основными из которых являются белки Rb (белок ретинобластомы) и p53 (Рис.3).

Белок ретинобластомы собирает сигналы от различных вне- и внутриклеточных источников и решает: следует ли клетке пройти через цикл деления. Таким образом, опухолевые клетки с дефектами в функционировании пути RB-белка теряют критическую систему регуляции клеточного цикла, отсутствие которой вызывает неконтролируемую клеточную пролиферацию.

Ген ТР-53 получает данные от сенсоров стресса, функционирующих в пределах внутриклеточных рабочих систем: если степень повреждения генома выше допустимого порога, или же если уровни оксигенации, содержания глюкозы, нуклеотидного пула, сигналов-стимуляторов роста недостаточны, в таких случаях ген ТР53 способен вызвать остановку клеточного цикла до тех пор, пока эти условия не нормализуются.

3. Иммортализация (избегание апоптоза)

В условиях многоклеточного организма клетки обычно не гибнут сами по себе – этот процесс запускается специальной программой. Программируемая клеточная гибель регулируется не менее тонко, чем клеточное деление – для этого к клетке изнутри или извне поступают специальные сигналы, запускается экспрессия определённых генов, затрачивается энергия и т.д. Апоптоз может инициироваться как в результате возникновения повреждений ДНК, с целью предотвращения появления опасных мутаций, так и в ответ на внешние сигналы, позволяющие способствовать обновлению клеток и препятствовать накоплению избыточной клеточной массы (Рис.4).

Опухолевые клетки, в отличие от нормальных, утратили полноценную способность к апоптозу – они могут персистировать даже в случае появления несовместимых с жизнью повреждений генома и не реагируют на внешние сигналы к программируемой гибели.

Каким же образом опухолевые клетки избегают апоптоза?

A) Потеря белка p53, который является важным сенсором клеточного повреждения и в случае критического и нерепарируемого повреждения генома запускает программу апоптоза

B) Усиление экспрессии антиапоптотических регуляторов (Bcl-2, Bcl-xL)

C) Усиление экспрессии факторов выживания (ИФР 1/2)

D) Снижение экспрессии проапоптотических факторов (Bax, Bim, Puma)

E) Ингибирование внешнего пути апоптоза

4. Способность к бесконечному делению (неограниченный репликативный потенциал)

Даже столь опасный клон, который стимулирует к делению сам себя, не отвечает на сигналы к прекращению деления и утратил способность к апоптозу, не способен создать видимую опухоль. В норме клетки не могут делиться бесконечно – этот потенциал заканчивается после 60–150 делений (для стволовых клеток – после 100-200 делений). Ограничение репликативного потенциала, получившее название «лимита Хэйфлика», является важнейшим барьером на пути к возникновению опухолей – например, именно в связи с этим феноменом нормальные клетки, в отличие от опухолевых, не могут бесконечно пассироваться в культуре. В частности, такой "бессмертной" культурой опухолевых клеток стала клеточная линия HeLa - первые человеческие клетки, выращенные в лаборатории, полученные от пациентки Генриетты Лакс, умершей от рака шейки матки. Эта клеточная линия стала также первой для которой было проведено полногеномное секвенирование. А ещё вы можете лицезреть клеточки из этой культуры, флуоресцентно окрашенные, на аватарке нашего сообщества:)

Трансформированные клетки утратили лимит Хэйфлика – они могут породить бесконечное число потомков и, следовательно, нарастить любую опухолевую массу.

Каким же образом опухолевые клетки приобретают клеточное бессмертие?

Согласно множеству данных, именно теломеры, предохраняющие концевые участки хромосом, обуславливают способность к неограниченному делению. Теломеры, состоящие из многочисленных тандемных 6-нуклеотидных повторов, имеют постоянную тенденцию к укорочению у культивируемых клеток. В какой-то момент они перестают препятствовать слипанию концевых участков хромосомной ДНК, в результате чего образуются неустойчивые дицентрические хромосомы, и это угрожает жизнеспособности клеток. Теломераза – специализированная ДНК-полимераза, которая прибавляет сегменты теломерных повторов к концам теломерной ДНК – практически полностью отсутствует в «смертных» клетках, но экспрессируется на функционально значимом уровне в подавляющем большинстве клеток (~90%), спонтанно приобретающих бессмертие, включая опухолевые клетки (Рис.5).

5. Индукция ангиогенеза

Как и нормальные ткани, опухоли нуждаются в средствах к собственному существованию в виде питательных веществ и кислорода, как и в возможности выведения метаболических отходов и углекислого газа. Ассоциированные с опухолью новообразованные сосуды, сформированные в результате ангиогенеза, помогают справиться с этими потребностями.

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. В противовес этому, в период опухолевой прогрессии происходит постоянная индукция ангиогенеза, в результате чего наблюдается безостановочное прорастание новых сосудов, что способствует росту опухоли.

Стимуляция ангиогенеза происходит под воздействией проангиогенных ростовых факторов, таких как сосудистый эндотелиальный фактор роста-А (vascular endothelial growth factor-A, VEGF-A), а точнее, активируется за счёт сдвига баланса между антиангиогенными факторами и проангиогенными факторами в сторону последних. Кровеносные сосуды, образованные в опухолях из-за длительно активированного ангиогенеза и хаотичной смеси проангиогенных сигналов, обычно аномальны.

В процессе ангиогенеза важную роль также отводят клеткам опухолевого микроокружения: перицитам, макрофагам, нейтрофилам (Рис.6)

6. Инвазия и метастазирование

Самое клинически заметное отличие опухолевых клеток от нормальных заключается в их способности к проникновению в окружающие ткани и диссеминации по организму – эти свойства обычно описываются как инвазия и метастазирование. Именно с инвазией и метастазированием связано подавляющее большинство случаев летального исхода онкологических заболеваний.

Каскад инвазии и метастазирования включает в себя следующие этапы (Рис.7):

1) локальная инвазия окружающих тканей

2) интравазация (проникновение опухолевых клеток в прилегающие кровеносные или лимфатические сосуды)

3) переход опухолевых клеток в лимфатическое и кровеносное русло

4) экстравазация (переход опухолевых клеток из лимфатических и кровеносных сосудов в паренхиму отдалённо расположенных от первичной опухоли органов)

5) формирование небольших узелков опухолевых клеток – микрометастазов

6) рост микрометастазов в макроскопические опухоли – колонизация

Начальные этапы данного каскада 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 (Рис. 8)

Итак, мы разобрали с вами 6 главных признаков злокачественной трансформации (Рис.9).

Однако приобретение этих свойств осуществляется за счёт 2 других признаков – факторов возникновения рака. К ним относятся геномная нестабильность (о которой мы уже начинали говорить ранее) и индуцирующий злокачественную трансформацию воспалительный процесс.

7. Геномная нестабильность

Если попытаться оценить скорость естественного появления мутаций в нормальной клетке, то на накопление столь большого числа фенотипических признаков должны уходить многие тысячи лет. Однако на определённом этапе злокачественной трансформации пренеопластические клетки становятся генетически нестабильными и начинают накапливать мутации с многократно увеличенной скоростью. Эти мутации затрагивают гены молекул-«хранителей» генома (Рис.10). Это те молекулы, которые:

1) участвуют в обнаружении повреждения ДНК и активируют механизм репарации

2) участвуют в репарации повреждённой ДНК напрямую

3) предотвращают воздействие мутагенных молекул до того, как они повредят ДНК

«Хранителем» генома можно также считать фермент теломеразу, поскольку потеря теломерной ДНК во многих опухолях рождает нестабильность в хромосомном наборе и, соответственно, амплификацию и делецию участков хромосом.

Примечательно, что именно геномная нестабильность, возникающая вследствие дефектов репарации ДНК, является основной мишенью для воздействия цитостатических препаратов. Дело в том, что большинство цитостатиков по своей сути являются мутагенами (ДНК-повреждающими агентами), которые действуют на реплицирующиеся клетки. При этом если нормальные клетки способны репарировать повреждения, то опухолевые клетки в виду нарушенных систем репарации не могут этого делать и, следовательно, должны вступить на путь апоптоза. Хотя мы уже знаем, что опухолевые клетки способны избежать апоптоза, и это является одним из объяснений лекарственной устойчивости к химиотерапии.

8. Воспаление, индуцирующее злокачественную трансформацию

Опухоли часто инфильтрированы клетками врождённого (нейтрофилы, макрофаги) и приобретённого иммунитета (лимфоциты), что сопоставимо с воспалительным процессом в нормальных тканях.

Воспаление способствует опухолевому росту за счёт снабжения опухолевого микроокружения биоактивными молекулами (Рис.11):

1) факторами роста

2) факторами выживания

3) проангиогенными факторами

4) внеклеточными модифицирующими матрикс ферментами, которые способствуют ангиогенезу, инвазии и метастазированию

5) факторами, ведущими к активации ЭМП и других программ злокачественной трансформации

Важно отметить, что воспаление в некоторых случаях выявляется на ранних этапах неопластической прогрессии и, как было показано, способно ускорять развитие ранних неоплазий до выраженного рака. Помимо этого, клетки воспаления могут высвобождать химические вещества, активные формы кислорода, являющиеся сильными мутагенами для соседних опухолевых клеток, что ускоряет их генетическую эволюцию по направлению к малигнизации.

Кроме того, с прошлого десятилетия появились ещё 2 новых признака злокачественной трансформации, в отношении которых универсальный характер ещё не был подтверждён. Поэтому они получили название «проявляющихся признаков» (emerging hallmarks) (Рис.12). К ним относятся перепрограммирование энергетического метаболизма опухолевых клеток и устойчивость к атакам со стороны иммунной системы (наличие локальной иммуносупрессии).

9. Перепрограммирование клеточного метаболизма

Одной из интересных особенностей опухолей является способность метаболизировать глюкозу по анаэробному пути даже в присутствии нормального количества кислорода. 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. Великий немецкий биохимик, Отто Варбург, обратил внимание на тот факт, что опухолевые клетки, в отличие от нормальных, вне зависимости от концентрации кислорода склонны разлагать глюкозу по гликолитическому пути (Рис.13) – по-видимому, именно гликолиз является предпочтительным для постройки новых органелл, необходимых для удовлетворения потребностей быстро делящихся клеток.

Это свойство злокачественных клеток легло в основу позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) – методе, основанном на накоплении радиоактивно меченой глюкозы опухолевыми тканями.

10. Локальная иммуносупрессия (устойчивость к атакам со стороны иммунной системы)

Опухолевые клетки могут обеспечивать экспансию трансформированного клона только в том случае, если они продуцируют в окружающую ткань иммуносупрессирующие вещества. Именно этим свойством объясняются многолетние неудачи найти у онкологических пациентов системные нарушения иммунитета; на самом деле, ускользание опухолевых антигенов из-под контроля обеспечивается исключительно локальными процессами.

В норме иммунная система постоянно распознаёт злокачественно перерождённые клетки и уничтожает их, осуществляя иммунологический надзор (иммуноредактирование). Однако некоторым злокачественным клеткам удаётся избежать его. Опухоль-иммунное взаимодействие включает в себя 3 фазы (Рис.14):

1) элиминация (elimination) – опухолевые клетки появляются, однако, ИС с помощью клеточного звена иммунитета (NK-клетки, Т-киллеры, Th1) успевает их элиминировать, эта фаза соответсвует иммунологическому надзору (иммуноредактированию)

2) равновесие (equilibrium) – иммунная система контролирует опухолевый рост, но полностью элиминировать опухолевые клетки не может; на этом этапе происходит многократная селекция и/или активация опухолевых клеток, способных ускользать от иммунного надзора;

3) ускользание (escape) – основную массу опухоли составляет популяция клеток, характеризующихся низкой иммуногенностью, что позволяет этим клеткам ускользнуть от атак иммунной системы

Каким же образом опухолевые клетки ускользают от иммунологического надзора (Рис.15)?

1) Эффекторные Т-лимфоциты теряют способность распознавать опухолевые клетки из-за слабой экспрессии, презентации или мутации опухолевых антигенов: утрата экспрессии молекул главного комплекса гистосовместимости (MHC I) и др.

2) Продукция опухолевыми клетками иммуносупрессорных факторов и цитокинов, которые подавляют иммунный ответ организма: TGF-β, IL-10, VEGF, IFNɤ, PgE2.

3) Устойчивость опухолевых клеток к апоптозу

4) Аккумуляция в опухолевом микроокружении клеток с иммуносупрессивными свойствами: регуляторные Т-лимфоциты, миелоидзависимые супрессорные клетки и др. (подробнее об опухолевом микроокружении далее)

5) Экспрессия на поверхности клеток иммунной системы молекул-чекпоинтов (контрольных точек иммунного ответа – CTLA-4, PD-1) и на поверхности опухолей лигандов к этим молекулам (PD-L1)

***

Разумеется, перечисленные выше свойства не являются абсолютной догмой. Более того, данный список постоянно пополняется. Обязательное присутствие каждой из перечисленных выше характеристик в каждой опухоли тоже является условным. Например, глиобластомы, которые являются одной из наиболее злокачественных разновидностей новообразований, достаточно редко метастазируют. Карциномы молочной железы и простаты далеко не всегда характеризуются полной автономностью – они могут сохранять зависимость от стероидных гормонов. ПЭТ, несмотря на всю свою привлекательность, не является абсолютно универсальным методом диагностики опухолей – повидимому, далеко не все новообразования действительно ассоциированы с феноменом Варбурга. Тем не менее, структуризация знаний об отличиях опухолевых клеток от нормальных позволяет осмысленно выбирать наиболее перспективные направления поиска новых методов борьбы с раком.

Каким же образом фундаментальные знания о биологии опухолевого роста помогают нам в лечении опухолей (Рис.16)?

Лекарственные препараты, действующие на универсальные характеристики опухолевых клеток, уже созданы и находятся на стадии клинических испытаний или, в некоторых случаях, уже применяются для лечения некоторых форм опухолей человека.

Рассмотрим примеры такой удачной терапии, нацеленной на отдельные характеристики опухолевых клеток:

1. Применение ингибиторов EGFR, BRAF и др., моноклональных антител к HER2neu – для подавление пролиферативного сигнала

2. Ингибиторы ангиогенеза – анти-VEGF-антитела – для подавления ангиогенеза опухолей

3. Цитостатики, PARP-ингибиторы – действие реализуется за счёт свойственной опухолевым клеткам геномной нестабильности и соответственно неспособности к репарации повреждений ДНК

4. Некоторые противовоспалительные ЛС (например, аспирин) оказывают умеренный превентивный эффект в отношении опухолей – эффект, таким образом, реализуется за счёт подавления воспаления, индуцирующего злокачественную трансформацию

5. Ингибиторы контрольных точек иммунного ответа (чекпоинт-ингибиторы) и другие методы иммунотерапии – позволяют преодолеть локальную иммуносупрессию опухолей.

Все эти варианты лекарственного лечения будут рассмотрены нами далее. Остальные препараты, действующие на другие характеристики злокачественных опухолей, находятся на стадии клинических испытаний и ещё не вошли в повседневную клиническую практику.

Важно отметить, что терапевтический агент, ингибирующий один важный путь сигнальной трансдукции в опухоли, не останавливает развитие признака полностью, позволяя некоторым опухолевым клеткам выживать с остаточными характеристиками до тех пор, пока они или их потомки случайно не адаптируются к избирательному действию со стороны применяемой терапии. Такая адаптация, которая может быть обусловлена мутацией, эпигенетическими механизмами или преобразованием стромального микроокружения, способна восстановить эту функциональную способность рака, способствуя возобновленному опухолевому росту и клиническому рецидиву. Учитывая, что количество параллельных сигнальных путей, поддерживающих данный признак, должно быть ограниченным, становится возможным нацеливание на все эти пути терапевтических агентов, посредством чего можно достичь предупреждения развития приобретенной устойчивости.

Список литературы:

1. https://medach.pro/post/895
2. Devita, Hellman, and Rosenberg’s Cancer : principles & practice of oncology—11th edition
3. https://www.biooncology.com/pathways.html
4. Имянитов Е.Н. Биология опухолевого процесса// Практическая онкология. - 2017. - Т18, №4. - С. 307-315
5. W.G. Jiang, A.J. Sanders, M. Katoh, H. Ungefroren, F. Gieseler, M. Prince, S.K. Thompson, M. Zollo, D. Spano, P. Dhawan, D. Sliva, P.R. Subbarayan, M. Sarkar, K. Honoki, H. Fujii, A.G. Georgakilas, A. Amedei, E. Niccolai, A. Amin, S.S. Ashraf, L. Ye, W.G. Helferich, X. Yang, C.S. Boosani, G. Guha, M.R. Ciriolo, K. Aquilano, S. Chen, A.S. Azmi, W.N. Keith, A. Bilsland, D. Bhakta, D. Halicka, S. Nowsheen, F. Pantano, D. Santini, Tissue invasion and metastasis: Molecular, biological and clinical perspectives, Seminars in Cancer Biology, Volume 35, Supplement, 2015, Pages S244-S275, ISSN 1044-579X.

6. Cancer immunoediting: from immunosurveillance to tumor escape. Dunn GP, Bruce AT, Ikeda H,Old LJ, Nat Immunol. 2002 Nov;3(11):991-8

7. Advances in personalized cancer immunotherapy. Kazuhiro Kakimi, Takahiro Karasaki, Hirokazu Matsushita. Breast Cancer, 2017, Volume 24, Number 1, Page 16