The Evil Within: метастазирование злокачественных опухолей

Яна Белышева

В современном мире “рак” - это то слово, которое боятся услышать, о котором не хотят говорить, а узнав о таком диагнозе, нередко прощаются с жизнью. Эта болезнь ассоциируется с чем-то абсолютно обреченным. И, конечно, такую репутацию рак заработал не без основания. Эффективно лечить опухолевую патологию научились не так давно, да и не везде, но даже сейчас долгое лечение не приносит уверенности в том, что болезнь ушла навсегда.

В чем же кроется корень зла? Почему опухоли бывает так сложно вылечить, а в развитых странах рак стремится стать первой причиной смерти? Ответ можно выразить лишь в одном слове «метастазирование» - распространение опухолевых клеток в отдаленные органы и ткани хозяина. Считается, что 90% смертей от рака связано именно с метастазированием. Давайте попробуем разобраться в механизмах этого смертоносного процесса и найдем точки приложения для его возможной терапии.

Содержание

1. Образование первичной опухоли
2. Этапы метастазирования
   — Эпителиально-мезенхимальный переход
   — Инвазия
   — Интравазация
   — Выживание в кровотоке
   — Экстравазация
   — Состояние покоя
   — Вторичный опухолевый рост
3. Почему метастазы так опасны?
4. Как нам могут помочь знания основ метастазирования?
5. Краткий обзор
6. Источники информации

Образование первичной опухоли

Все процессы в здоровом организме регулируются с большой скрупулезностью, в том числе и процессы размножения, роста и гибели клеток. Когда в этой сложнейшей машине происходит сбой, клетки начинают бесконтрольно расти, избегают апоптоз и иммунный надзор, что приводит к неограниченному делению, т.е. к образованию первичной опухоли.

До сих пор достаточно спорной концепция опухолевых стволовых клеток (ОСК). Согласно ей в первичной опухоли есть небольшая популяция стволовых клеток, которые обладают характерным спектром поверхностных белков, персистируют в опухолевой массе, демонстрируют относительную устойчивость к терапии и обеспечивают репопуляцию опухоли между циклами лечения. Эти клетки способны порождать “обычные” клетки - основную массу опухоли. Считается, что для успешного метастазирования рассеянные по организму опухолевые клетки должны обладать свойствами ОСК - только они обладают возможностью формировать метастатические колонии.

Опухолевые клетки, как и все живое на нашей земле, имеют главную цель - выжить. Что необходимо любому биологическому виду для выживания?

• Еда
• Размножение

Опухолевый клон, подобно биологическому виду, использует такие же стратегии, только в масштабах организма человека.

Первым делом клетки обеспечивают себе поступление питательных веществ. В связи с этим они начинают выделять факторы роста, что приводит к образованию новых кровеносных сосудов - ангиогенезу. Но проверку качеством такие сосуды не проходят: сделаны они «на скорую руку» в попытке удовлетворить потребности опухоли.

Этапы метастазирования

Даже несмотря на значительное увеличение доставки питательных веществ за счет активного ангиогенеза, стремительно увеличивающейся опухоли этого явно не хватает: она решает завоевать новую территорию, т.е. метастазировать.

Метастазирование - это далеко не простой процесс, тайны которого нам еще предстоит разгадать. Точно можно сказать, что это многоступенчатый каскад из последовательных и связанных между собой действий. В дальнейшем мы рассмотрим каждый его этап в контексте детально изученных карцином - опухолей эпителиального происхождения, предполагая что метастазирование опухолей из соединительной и нервной ткани часто следует похожим принципам.

Метастазирование включает в себя семь ключевых этапов — hallmarks of metastasis:

• Эпителиально-мезенхимальный переход
• Инвазия
• Интравазация
• Выживание в системном кровотоке
• Остановка и экстравазация
• Состояние покоя
• Вторичный опухолевый рост

1. Эпителиально-мезенхимальный переход

Итак, опухолевые клетки решили завоевать просторы человеческого организма. Для этого им, как минимум, необходимо оторваться от привычной для них среды, стать более пригодными для дальних странствий. Поэтому опухолевые клетки претерпевают эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), то есть приобретают свойства мезенхимальных клеток: теряют связи с другими клетками эпителиального слоя и базальной мембраной, меняют форму, реорганизуют цитоскелет, меняют профиль экспрессии белков на мезенхимальный. Коротко говоря, становятся более мобильными. Обычно данная программа реализуется в эмбриогенезе и при заживлении ран.

Существуют 2 варианта распространения клеток карциномы:

• В виде отдельных клеток, реализовавших ЭМП
• В виде опухолевых кластеров

Последние морфологически неоднородны: в их структуре можно найти клетки-лидеры, которые подверглись ЭМП, клетки с промежуточным фенотипом и клетки с эпителиальными свойствами. Клетки, находящиеся в этих инвазивных кластерах, продолжают экспрессировать E-кадгерин, который помогает поддерживать когезию между отдельными клетками.

Хочется особо подчеркнуть, что нет четкого разделения на 2 фенотипа: клетки могут находиться в разных промежуточных состояниях как с мезенхимальными, так и с эпителиальными чертами.

2. Инвазия

После ЭМП клетки опухоли полностью готовы к покорению организма, но возникает новая проблема: на пути в системный кровоток существует барьер в виде базальной мембраны, которая отделяет эпителиальный слой от стромы. Но клетки-лидеры в опухолевых кластерах, равно как и одиночные клетки имеют средство и на такой случай: в инвадоподиях (выростах клетки) выделяются различные протеазы, которые разрушают внеклеточный матрикс (например, матричные металлопротеиназы). Таким образом образуются «дырки» для проникновения через базальную мембрану. Данный процесс называется инвазией.

Фактически только те опухоли, которые могут разрушать базальную мембрану и проникать в окружающие ткани, считаются злокачественными. Многие опухоли долгое время не выходят за пределы эпителиального слоя, не вызывают клинически выявляемых симптомов и считаются индолентными и благоприятными по течению и прогнозу.

3. Интравазация

После инвазии у опухолевых клеток практически не остается препятствий кроме стенки капилляра, в который они так стремятся. Интравазация - проникновение в кровеносные сосуды - осуществляется посредством двух механизмов: активного и пассивного.

В первом случае опухолевые клетки активно проходят через эндотелиальный слой либо траснцеллюлярно, либо парацеллюлярно.

Во втором — опухолевые клетки просто «падают» в кровоток через дефекты вновь сформированных при ангиогенезе сосудов.

Далее будет обсуждаться гематогенный путь распространения, так как это, вероятно, основной путь метастазирования. Небольшие метастатические очаги, которые образуются в лимфатических узлах, представляют собой тупик для раковых клеток и функционируют скорее как важный параметр распространения и стадирования.

4. Выживание в системном кровотоке

Наконец, опухолевые клетки попадают на главную магистраль человеческого организма - в кровеносную систему. Здесь они меняют свой статус: теперь они носят название циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК). Количество ЦОК в крови пациента потенциально является диагностическим и прогностическим маркером опухолевого процесса.

Кровь не является дружелюбной средой: опухолевые клетки вынуждены преодолевать различные препятствия в виде гидродинамического давления, иммунного надзора (особенно со стороны NK-клеток), а также сложностей в связи с отсутствием прикрепления к субстрату (аноикис - форма апоптоза, наступающая в связи с нарушением прикрепления к внеклеточному матриксу), и часть опухолевых клеток погибает в этой борьбе.

Но тут происходит в определенном роде «предательство» со стороны нашего организма. Некоторые клетки встают на сторону опухоли!

• Тромбоциты, не опознав врага, «обволакивают» ЦОК вскоре после интравазации, обеспечивая иммунную и физическую защиту. Они выделяют различные растворимые факторы (TGF, PDGF), которые ингибируют активность NK-клеток - основных эффекторов противоопухолевого иммунитета. Кроме того они физически экранируют опухолевые клетки путем образования защитных оболочек и отложения фибрина. Что еще более интересно, тромбоциты активируют внутриклеточные сигнальные пути в ЦОК, что в конечном итоге влияет на способность последних вызывать метастатический рост.

• Нейтрофилы защищают ЦОК от действия NK-клеток, а также помогают экстравазации - выходу из кровеносного русла в паренхиму отдаленных органов (хотя в определенных условиях они могут и ингибировать метастазирование). Нейтрофилы формируют внеклеточные ловушки, которые образуются из деспирализованных молекул ДНК. В норме они предназначены для «ловли» патогенов в ходе иммунного ответа на инфекцию, но также могут быть использованы для захвата опухолевых клеток в сосудистом русле. Таким «опутанным» клеткам легче выживать в просвете сосуда, а также прилипать к эндотелиальным клеткам и выходить за пределы капилляра.

5. Остановка и экстравазация

Теперь давайте проследим путь распространения ЦОК. Попав в капилляры, они направляются в более крупные венозные сосуды, затем в правый желудочек и в малый круг кровообращения. Здесь они могут с большой вероятностью остановиться в капиллярах легкого, так как диаметр кластеров ЦОК значительно больше, да и, по сравнению с клетками крови, ЦОК не очень хотят деформироваться.

Однако часто они проходят через легкие и попадают в артериальную систему, чем обеспечивают себе доступ ко всем тканям организма. Как они это делают, остается не совсем понятным. Есть предположения, что ЦОК формируют цепочки диаметром в одну клетку, сбрасывают часть своей цитоплазмы, уменьшая объем клетки, проходят через артерио-венозные шунты. Вы уже, конечно, поняли, что опухолевые клетки всегда найдут способ решить проблему!

Итак, артериальная система разносит ЦОК по всем органам человека. Остается только найти желаемое пристанище и выйти из кровеносной системы. Но как это сделать?

Взаимодействия ЦОК в кровеносном русле с клетками крови создают предпосылки для последующей остановки и экстравазации. Экстравазация сопровождается процессом, который называется трансэндотелиальной миграцией. Трансэндотелиальная миграция может осуществляться разными путями:

• Тромбоциты вырабатывают АТФ, которая увеличивает проницаемость стенки капилляров: эндотелиоциты как бы сокращаются и отступают друг от друга.

• Выделяются различные белки, в том числе те, которые помогали при интравазации. Эти белки также увеличивают проницаемость сосудистой стенки. Кроме того, они разрушают базальную мембрану стенки капилляра.

• Опухолевые клетки выделяют CCl2, что вызывает рекрутирование ССl2+ воспалительных моноцитов. Последние дифференцируются в макрофаги и вырабатывают VEGF, что способствует метастазированию, росту и выживанию клеток карцином. CCl2 также увеличивает проницаемость сосудистой стенки.

• Иногда трансэндотелиальная миграция может вообще не понадобиться. Кластеры опухолевых клеток могут просто застрять в просвете капилляра и начать пролиферировать, что в конечном итоге приводит к разрыву сосуда. Этим и обеспечивается прямой доступ к паренхиме органа.

• Кроме того, был описан механизм, используя который опухолевые клетки могут выходить из сосуда и генерировать метастазы в легких посредством индукции запрограммированного некроза (некроптоза) в эндотелиальных клетках.

В основном, все модели экстравазации рассматриваются на капиллярах легких. Но так как капилляры в разных органах имеют разное строение, то и процесс выхода из кровеносного русла в разных органах будет иметь специфические признаки. Например, синусоидные капилляры печени позволяют пассивный выход в паренхиму органа и не требует использования сложных приспособлений. А в головном мозге клеткам необходимо преодолеть гематоэнцефалический барьер, поэтому может потребоваться специфическая программа по экстравазации.

6. Состояние покоя

Казалось бы, дело за малым: опухолевые клетки добрались до стромы отдаленных органов, осталось только начать пролиферировать. Но клетки (теперь они называются диссеминированными опухолевыми клетками, ДОК) попадают в новую микросреду, которая лишена привычных стромальных клеток, факторов роста и компонентов внеклеточного матрикса, а иногда даже содержит антипролиферативные факторы. В связи с невозможностью адаптироваться к новой среде, клетки переходят в состояние покоя. Иногда они все-таки поддерживают минимальный уровень пролиферации, но продолжающаяся элиминация приводит к сохранению одного и того же размера микрометастатических очагов.

Пациенты, которые успешно излечились от первичных опухолей, но обладают такими дремлющими опухолевыми клетками, имеют бессимптомное минимальное остаточное заболевание. Этот период покоя может продолжаться в течение многих лет, а иногда и десятилетий. ДОК практически не делятся, что обуславливает их резистентность к лучевой и химиотерапии.

Неактивные ДОК могут находиться в так называемых спящих нишах, которые сдерживают пролиферацию, обеспечивают их выживание и, возможно, устойчивость к терапевтическим агентам. Особенно интересно, что ДОК могут занимать ниши, в норме предназначенные для популяций стволовых клеток, отвечая на предназначенные для них сигналы покоя и выживания.

7. Вторичный опухолевый рост

Таким образом полноценная, клинически выявляемая метастатическая колония может быть сформирована как сразу после экстравазации, так и после выхода микрометастатических колоний из состояния покоя. Выход из состояния покоя может быть спровоцирован изменениями в окружающей микросреде. Например, при воспалении или ангиогенезе, когда увеличивается уровень ростовых факторов.

Замечено то, что метастазы повторяют ключевые особенности первичной опухоли, а среди них есть и эпителиальные свойства. Но как быть с тем фактом, что опухолевые клетки претерпели ЭМП? Многочисленные исследования предполагают наличие процесса, обратного ЭМП - мезенхимально-эпителиального перехода (МЭП). Правда, остается не совсем ясным, почему мезенхимальные ОСК не способны генерировать устойчиво растущие метастатические колонии в отсутствие эпителиального потомства.

По сути для успешной колонизации необходимы 3 условия:

• Наличие свойств опухолевых стволовых клеток
• Способность адаптации к новому микроокружению
• Развитие поддерживающей микросреды.

Английским хирургом Стивеном Педжетом еще до эпохи молекулярной онкологии была предложена теория «семян и почвы», которая предполагает, что определенные типы раковых клеток (семена) имеют предрасположенность к метастазированию в определенные локализации организма (почву). Связано это с тем, что более предпочтительная «почва» требует более простых механизмов адаптации. Поэтому и определенные виды рака имеют более характерные сайты метастазирования.

Но не нужно забывать, что иногда строение местной системы кровообращения также влияет на органоспецифический тропизм. Например, метастазирование при колоректальном раке в печень более предпочтительно просто потому, что портальная вена, дренирующая кишечник, направляет всю кровь через печень.

Почему метастазы так опасны?

Новообразованные метастатические колонии являются наиболее опасным проявлением опухолевого процесса, нанося большой ущерб организму.

Например, распространение рака молочной железы в пределах «родного» органа не несет угрозу для жизни. Однако метастатические колонии РМЖ в костях могут приводить к разрушению костной ткани, вызывая патологические переломы и мучительную боль. Метастазы в головном мозге могут значительно нарушать функцию центральной нервной системы, тогда как метастазы в легких и печени угрожают жизни в связи с дисфункцией этих органов.

Вот как еще могут навредить метастазы:

• Фатальное кровотечение

• Выработка цитокинов опухолью (к примеру, TNF) и кахексия

• Тромбоэмболия легочной артерии

• Возникновение вторичной инфекции

• Нарушения электролитного баланса

• Агрессивное лечение метастатической болезни приводит к жизнеугрожающим побочным эффектам

… этот список может быть пополнен еще множеством пунктов, которые не оставят у вас сомнений, что метастазирование — самый деструктивный и фатальный процесс онкологического заболевания.

Как нам могут помочь знания основ метастазирования?

Глубинное понимание процессов, лежащих в основе формирования метастазов, критически важно для разработки эффективного лечения опухолевой патологии. Вот какие точки приложения могут быть использованы:

1. Ангиогенез

VEGF - один из самых известных регуляторов ангиогенеза. Подействовав на уровень этого фактора роста, можно контролировать рост опухоли (она не сможет вырасти больше определенного размера, ведь питается без новообразованных сосудов только за счет диффузии). Таким образом, бевацизумаб (авастин), представляющий собой моноклональные антитела против VEGF, используется при лечении метастатического колоректального рака, рака молочной железы, почечно-клеточного рака и т.д. Другие ингибитороы VEGF, такие как афлиберцепт и рамуцирумаб, тоже нашли свое применение в лечении опухолей.

2. Инвазия, интравазация и экстравазация

Заблокировав образование инвадоподий, можно ограничить такие процессы, как инвазия, интравазация и экстравазация. Исследуются различные ингибиторы инвадоподий:

• GNF-5 блокирует полимеризацию актина в инвадоподиях
• Ингибиторы тирозинкиназы BCR-ABL (иматиниб, нилотиниб) кроме уже используемых точек приложения могут тормозить образование предшественников инвадоподий

3. Взаимодействие с циркулирующими опухолевыми клетками

Вы, возможно, слышали о таком интересном подходе к лечению заболеваний, как тераностика. Суть этого подхода заключается в создании фармацевтических композиций, которые являются одновременно и средством диагностики, и терапевтическим агентом.

Было показано, что ЦОК могут возвращаться к месту своего происхождения. В связи с тем, что сформированные при ангиогенезе сосуды “протекают”, экстравазация ЦОК может проходить в первичную опухоль или уже сформированные метастазы. Было предложено использовать такую особенность для доставки противоопухолевой терапии. Так, например, можно доставить онколитические вирусы. При этом мы таким образом модифицируем ЦОК/онколитический вирус с помощью репортерного гена, что может проследить их судьбу на ПЭТ. Это ли не искусство! К сожалению, подобные технологии пока что находятся на ранних этапах исследования и их результаты мы увидим не скоро.

4. Взаимодействие с тромбоцитами

Использование антитромбоцитарных препаратов может быть затруднено тем, что на фоне лучевой или химиотерапии зачастую возникает тромбоцитопения. Таким образом, мы можем еще больше увеличить риск кровотечений. Поэтому такие препараты назначаются с большой осторожностью.

• Аспирин (блокатор ЦОГ) уменьшает агрегацию, адгезию тромбоцитов и тромбообразование за счет подавления синтеза тромбоксана А2 в тромбоцитах. В связи с этим замечен эффект аспирина на сокращение количества метастазов и уменьшение смертности от разных видов опухолей.
• Клопидогрел - еще один ингибитор агрегации тромбоцитов показал свой эффект на сокращение роста и метастазирования опухолей

Даже если мы не можем действовать против тромбоцитов, можно заставить их работать на нас. Так была предложена методика доставки противоопухолевых препаратов на мембранах тромбоцитов (например, ингибиторов контрольных точек). На животных моделях было показано, что такой вид иммунотерапии более эффективен, чем стандартный подход.

5. Действие на диссеминированные опухолевые клетки

Как можно повлиять на состояние покоя:

• Увеличить его длительность при помощи иммунотерапии
• Уничтожить ДОК за счет действия на сигнальные пути, которые помогают им выжить, или вытолкнуть из спящей ниши в менее благоприятную среду и затем уничтожить противоопухолевой терапией
• Вывести ДОК из состояния покоя с помощью факторов роста и после ударить химиотерапией
• Избегать состояние покоя, действуя на сигнальные пути перехода в него

Все эти методики пока что находятся на первых этапах изучения.

Итоги

Несмотря на то, что понимание метастазирования остается неполным, мы можем вывести для себя ряд общих принципов:

• Метастазирование - это многоступенчатый процесс
• Одним из ключевых процессов в нем является эпителиально-мезенхимальный переход
• Опухолевым клеткам нужно выжить в системном кровотоке, для чего они кооперируются с тромбоцитами и нейтрофилами
• Для успешной колонизации опухолевым клеткам необходимо обладать свойствами стволовых клеток, применять механизмы адаптации к новому микроокружению и создавать поддерживающую микросреду
• Знание биологических основ метастазирования необходимо для разработки эффективных методов лечения опухолевого процесса

Что еще почитать

1. Статья “Emerging biological principles of metastasis” R.A.Weinberg, A.W.Lambert, D.R.Pattabiraman, Cell, 2017 (https://www.cell.com/cell/comments/S0092-8674(16)31609-9) и перевод статьи от Медача (https://medach.pro/post/2267)
2. Изображения взяты, переведены и отредактированы из замечательной книги “The biology of cancer” R.A.Weinberg.
3. Курс от университета Джона Хопкинса “Introduction to the biology of cancer”
4. “Биология опухолевого роста” Е.Н. Имянитов, 2017
5. “Cancer Invasion and Metastasis: Molecular and Cellular Perspective” Tracey A. Martin, Lin Ye, Andrew J. Sanders, Jane Lane, and Wen G. Jiang., 2013
6. “Targeting Platelets for the Treatment of Cancer” Omar Elaskalani, Michael C. Berndt,Marco Falasca and Pat Metharom, 2017
7. https://www.cancer.gov/news-events/cancer-currents-blog/2017/platelet-immunotherapy - о доставке иммунопрепаратов на мембранах тромбоцитов от National Cancer Institute.
8. https://www.thno.org/v10p7925.htm - об использовании ЦОК как тераностического агента.
9. “Targeting invadopodia-mediated breast cancer metastasis by using ABL kinase inhibitors” Helicia Paz, Navneeta Pathak, and Jing Yang, 2015 - ингибирование инвадоподий
10. “Tumor Cell Dormancy: Threat or Opportunity in the Fight against Cancer” Rana Jahanban-Esfahlan, Khaled Seidi,Masoud H. Manjili, Ali Jahanban-Esfahlan, Tahereh Javaheri,and Peyman Zare, 2019 - о том, как можно повлиять на состояние покоя