Что не убивает рак, делает его сильнее: механизмы лекарственной устойчивости

Автор: Яна Белышева

«Однако заканчивалось все и всегда одинаково. После нескольких месяцев ремиссии рак неминуемо возникал снова, рано или поздно преодолевая действие даже самых сильных средств Йеллы. Раковые клетки вновь образовывались в костном мозге, а потом прорывались в кровь, и даже самые активные антифолаты не могли сдержать их деление»

Сиддхартха Мукерджи, «Царь всех болезней. Биография рака»

Несмотря на усилия и достижения в лечении опухолей за последние десятилетия, резистентность к классическим химиотерапевтическим агентам и новым таргетным препаратам остается основной проблемой в онкологии. Какие бы средства ни использовали онкологи в борьбе с опухолью, последняя всегда на шаг впереди.

В данной статье мы постараемся разобраться в чем заключается “успех” устойчивых к терапии опухолевых клеток, всегда ли развивается лекарственная устойчивость, как онкологи борются с таким грозным процессом, и какие существуют научные разработки в данном направлении.

Приятного прочтения!

Почему это важно?

Лекарственная устойчивость остается одной из самых серьезных проблем в терапии опухолей. Она существует при всех типах раках и всех методах лечения, включая таргетную терапию, иммунотерапию и химиотерапию. Избежать развития резистентности практически невозможно. Статистические данные показывают, что более 90% смертей среди онкологических пациентов связано с данным явлением.

Множественная лекарственная устойчивость, т.е. сохранение клетками жизнеспособности в ответ на воздействие ряда лекарственных веществ, является одной из основных причин прогрессирования болезни: опухоль нечувствительна к химиотерапии независимо от комбинации применяемых лекарств. Что остается делать онкологу в таком случае? Вопрос сложный, но интересный. Так появился ретритмент - повторное применение препарата или режима химиотерапии.

Как формируется устойчивость?

Для того, чтобы выжить, инвазировать и метастазировать, опухолевым клеткам необходимо постоянно эволюционировать. Единицами эволюции в данном случае являются отдельные клетки. Делясь, они формируют клоны, определяя гетерогенность опухоли. В борьбе за необходимые ресурсы между разными клонами возникает самый настоящий естественный отбор.

О том, что дает опухолевой клетке жизнь, успех и бессмертие, читайте здесь

Представим, что пациенту вводится какой-либо химиопрепарат. Он начинает убивать клетки, при чем как злокачественные, так и нормальные. Появляется ответ опухоли на лечение и, естественно, побочные эффекты. Постепенно клетки всё погибают и погибают, но в какой-то момент появляется устойчивая к данному препарату клетка, которая начинает размножаться, вытеснять другие клоны и дальше эволюционировать. Лечение в данном случае также является фактором естественного отбора.

Но что же лежит в основе такой эволюции? Лекарственная устойчивость формируется за счет комплекса различных механизмов, взаимодействие которых зависит от конкретной группы препаратов. Далее мы рассмотрим общие закономерности, постараемся привести примеры и точки приложения для борьбы с резистентностью.

Уменьшение поступления препарата в клетку

Препараты попадают в клетку за счет простой диффузии (для противоопухолевых препаратов она мало применима: молекулы это часто большие/полярные и поэтому не охотно проникающие через билипидный слой), облегченной диффузии и активного транспорта (с помощью белков по градиенту или против градиента концентрации).

Опухолевые клетки стараются уменьшить поступление токсичных препаратов внутрь, поэтому снижают количество белков-транспортеров и проницаемость билипидного слоя.

Увеличенный эффлюкс препарата

Во многих тканях человека клетки содержат специальный белок P-гликопротеин (он же MDR-1 - multidrug resistance protein 1), который выводит большое количество чужеродных веществ из клеток, в том числе опухолевых. Так, например, многие ингибиторы микротрубочек являются субстратами для P-гликопротеина.

Обусловленная P-гликопротеином резистентность к таксанам может быть преодолена с помощью многих веществ, в том числе блокаторов кальциевых каналов, циклоспорина А и антиаритмических веществ. Однако клиническая целесообразность такого подхода так и не была доказана.

Нарушение активации препарата

Большинство препаратов поступает в клетку в неактивной форме и подлежит активации. Каким образом происходит активация, зависит от препарата. Например, цитотоксический эффект антифолатов обусловлен их полиглутаматными метаболитами, при этом от 5 до 7 остатков глутаминовой кислоты присоединяется фолилполиглутаматсинтазой (FPGS) к концевому глутаматному остатку, который присутствует в исходной молекуле.

Таким образом при формировании резистентности может быть нарушен процесс присоединения глутаматов либо за счет уменьшенной экспрессии FPGS, либо за счет увеличенной экспрессии разрушающего полиглутаматные метаболиты фермента гамма-глутамилгидролазы (GGH).

Увеличенная инактивация препарата

Увеличивая содержание защитных нуклеофилов, клетка может защищать свой генетический материал от действия электрофильных алкильных групп и увеличивать резистентность к алкилирующим агентам.

Такими защитными нуклеофилами могут выступать глутатион и металлотионеин (белок с высоким содержанием цистеина - аминокислоты с тиольной группой).

Таким образом, мы можем влиять на содержание инактивирующих веществ. В опухолевую ткань можно вводить ингибиторы ферментов биосинтеза глутатиона (бутионин сульфоксимин) или же ингибиторы детоксифицирующих ферментов (глутатион-S-трансфераза - фермент, осуществляющий конъюгацию электрофильных молекул и глутатиона), снижая количество глутатиона. В нормальные же ткани можно ввести предшественники глутатиона, увеличивая его количество и снижая токсичность терапии. Но, к сожалению, значительного терапевтического эффекта от такого подхода не наблюдается.

Увеличенная репарация поврежденной ДНК

Представим, что препарат уже подействовал на ДНК, повредив ее структуру. Чтобы выжить, у клетки есть 2 дальнейших пути: либо исправить поломку, либо игнорировать ее. Способность восстанавливать поврежденную ДНК, по-видимому, играет значимую роль в определении чувствительности к ДНК-повреждающим агентам.

Есть несколько механизмов репарации ДНК. Так, например, репарация аддуктов платина-ДНК чаще всего происходит за счет эксцизионной репарации нуклеотидов (NER - nucleotide excision repair). Если кратко, то при NER происходит удаление короткого участка цепи ДНК, содержащего повреждение, и на основе неповрежденного комплементарного участка второй цепи ДНК-полимеразой происходит достраивание пробела первой цепи.

Точный механизм повышенной репарации в резистентных к цисплатину клетках с помощью NER не известен, но предполагается, что ключевым моментом является формирование белкового комплекса ERCC1/XPF. Selvakumaran et al. в своем исследовании показали, что подавление ERCC1 сенсибилизирует резистентные к цисплатину клетки.

Если NER не справилась со своей задачей, в бой вступает другая система репарации - DNA MMR (DNA mismatch repair). Эта система узнает неправильно спаренные нуклеотиды (А с Ц, Г с Т) и исправляет это недоразумение.

У носителей мутаций в BRCA1 и BRCA2 (генах-супрессорах опухоли) чувствительность к препаратам платины обусловлена тем, что клетки не способны проводить гомологичную рекомбинацию (HR) - ещё одного механизма репарации поврежденной ДНК. Но в резистентных клетках функция генов BRCA может восстанавливаться, приводя к возобновлению HR.

Повышение толерантности к повреждениям

Если повреждение ДНК исправить не удалось, в чувствительной клетке начинают активироваться пути гибели и появляется терапевтический эффект. В резистентной же клетке такие повреждения могут просто игнорироваться. Повышение толерантности к повреждениям ДНК способствует дальнейшему мутагенезу и переходу в более злокачественный фенотип.

Модификация мишени препарата

Зачастую препараты не только повреждают ДНК напрямую, но и нарушают метаболизм нуклеотидов, блокируя активность ключевых ферментов их биосинтеза. Так, например, антифолаты блокируют дигидрофолатредуктазу и тимидилатсинтазу - ключевые ферменты метаболизма пиримидинов.

В резистентных к антифолатам клетках может изменяться структура этих ферментов таким образом, что препарат не может подействовать на свою мишень, а метаболизм пиримидинов не нарушается.

Стволовые опухолевые клетки

Стволовые опухолевые клетки могут находиться в спящем состоянии, т.е. не делиться. Таким образом они не достижимы для цитотоксической терапии, которая повреждает активно делящиеся клетки.

Сигнальный путь NOTCH вовлечен в регуляцию стволовых клеток и опухоли. Zhao et al. описали увеличение активации этого пути как механизм резистентности на клеточное повреждение, индуцированное препаратами платины. Лечение ингибитором гамма-секретазы (что ингибирует NOTCH) уменьшало резистентность. Однако этот ингибитор достаточно токсичен и имеет незначительный клинический эффект.

Другой механизм поддержания стволовых функций опухолевых клеток - изменение опухолевого микроокружения через увеличение количества опухолеассоциированных фибробластов (CAFs - carcinoma-associated fibroblasts), которые уменьшают содержание платины в клетках. В ретроспективных когортных исследованиях пациентов с раком легкого и молочной железы те пациенты, которые имели CD10+GPR77+ CAFs отличались худшим прогнозом и более резистентными опухолями, чем пациенты без CD10+GPR77+ CAFs. Нейтрализация GPR77 с помощью антител восстанавливала чувствительность к химиотерапии. Этот метод все еще исследуется.

Как бороться с резистентностью?

Комбинированная терапия

Первоначальным решением проблемы резистентности к одному препарату было применение полихимиотерапии. Таким образом можно подействовать одновременно на несколько точек приложения и уменьшить вероятность формирования резистентного клона.

Такой подход стал новой парадигмой лечения рака и привел к формированию все более сложных схем лечения. Но эффект от комбинированной терапии примерно через полвека после ее появления значительно снизился. К тому же суммарная токсичность является препятствием для разработки эффективных комбинированных схем.

Ранняя диагностика

Лечение рака, когда масса опухоли и клональное разнообразие еще невелики, является наиболее очевидной стратегией предотвращения устойчивости. При этом в начале должна использоваться наиболее эффективная терапия для максимального уничтожения опухоли.

Улучшение ответа

Поскольку сохранение даже небольшого количества опухолевых клеток неизбежно приведет к возобновлению роста, ликвидация всей опухоли является обязательной. Стратегии улучшения ответа сильно зависят от типа терапии, но несколько общих принципов прослеживается во всех методиках, включая оптимизацию дозы, режима и комбинации препаратов.

Мониторирование эффекта

Постоянное мониторирование ответа на лечение позволяет раньше модифицировать дозу и схему лечения. Традиционный способ оценки ответа основан на измерении диаметра опухоли на серии рентгенографических изображений, что не лишено своих недостатков. Но так же возможна функциональная визуализация во время терапевтического вмешательства (например, ПЭТ-КТ при оценке временного ответа на схему ABVD).

Ретритмент

Ретритмент - это повторное применение препарата/стратегии. Ретритмент включает 2 понятия:

1. Реинтродукция – это повторное применение препарата или режима ХТ, который пациент получал ранее с определенной пользой и который был отменен не из-за прогрессирования (например, из-за токсичности, при запланированном переходе на поддерживающее лечение и др.)

1. Речеллендж - повторное применение препарата или режима ХТ, на котором было зарегистрировано прогрессирование (или рецидив) заболевания. А прогрессирование заболевания при лечении каким-либо препаратом связано с развитием устойчивости к нему.

Доказательная база ретритмента довольно противоречива и вызывает много вопросов. Несмотря на это, в реальной практике ретритмент используется постоянно — отчасти из-за отсутствия других вариантов и недостаточной оснащенности клиник. Но окончательное решение о пользе и оправданности ретритмента всегда остается за вами.

Итоги

1. Лекарственная устойчивость является одной из основных и наиболее сложных проблем в химиотерапии опухолей. Избежать ее крайне сложно, а эффективных схем терапии недостаточно.
2. Опухоль - это усовершенствованная версия нас самих, только изменения в ней происходят очень быстро, что диктуется необходимостью выживать. Поэтому опухоль постоянно эволюционирует, устраивает внутри себя дарвиновский отбор. Лечение - один из факторов такого отбора, приводящий к появлению и делению резистентных клонов.
3. Борются опухолевые клетки с препаратом разными, изощренными способами: не пускают препарат в клетку, выкидывают его наружу, мешают его активации, модифицируют мишень препарата, исправляют нанесенные повреждения или попросту игнорируют их и многое другое.
4. Опухоль никогда не выбирает один путь борьбы: лекарственная устойчивость - это комплексное явление, состоящие из многих приспособительных изменений. Даже если мы подействуем таргетно на какой-либо механизм, резистентность от этого не исчезнет и терапевтический ответ будет незначительный.

1. Поэтому наиболее оптимальным способом борьбы с резистентностью является профилактика этого явления путем ранней диагностики, комбинирования препаратов, достижения наиболее полного ответа и своевременного мониторирования.
2. Но если все подходы исчерпаны и делать больше ничего не остается, то можно попробовать речеллендж в надежде на то, что количество резистентных клонов за определенный промежуток времени снизилось.

Источники информации:

DeVita, Hellman, and Rosenberg’s “Cancer. Principles and Practice of Oncology”

“Is there a role for rechallenge and reintroduction of anti-EGFR plus chemotherapy in later lines of therapy for metastatic colorectal carcinoma? A retrospective analysis” (ссылка на статью), Karani et al, 2020

https://www.cancer.gov/research/annual-plan/scientific-topics/drug-resistance“

A view on drug resistance in cancer” Vasan et al, 2019 https://www.nature.com/articles/s41586-019-1730-1