Рис. 1. Деление и дифференцировка стволовых клеток. А — стволовые клетки, В — незрелые клетки-предшественники, С — зрелые дифференцированные клетки. 1 — симметричное деление стволовых клеток, 2 — асимметричное деление стволовых клеток, 3 — деление клеток-предшественников, 4 — конечная дифференцировка. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Уже более ста лет врачам известно, что в некоторых типах тканей раковые опухоли возникают сравнительно часто, а в других — намного реже, иногда в миллионы раз. До сих пор этому факту не было убедительного объяснения. Авторы рассматриваемой работы показали, что вероятность образования опухоли может быть связана с общим количеством делений нормальных стволовых клеток, присутствующих в любой самообновляющейся ткани. И, по-видимому, только треть форм рака связана с факторами риска окружающей среды или с наследственной предрасположенностью.

Риск человека на протяжении жизни заболеть раком того или иного органа различается во много раз. Так, вероятность рака легких составляет ~7%, а рака хряща гортани — ~0,00072%. Некоторые из этих различий связаны с хорошо известными факторами риска: курением, употреблением алкоголя, ультрафиолетовым излучением, хроническими инфекциями, вызванными вирусами папилломы или гепатита С, и др. Но эти факторы риска не объясняют, почему, например, в различных участках пищеварительного тракта вероятность возникновения рака может отличаться в 24 раза (4,82% в толстом кишечнике и 0,20% в тонком). Или почему частота рака тонкого кишечника, подвергающегося воздействию многих факторов риска, в 3 раза меньше, чем некоторых опухолей мозга, огражденного гемато-энцефалическим барьером?

Другой хорошо известный провокатор рака — это врожденные генетические аномалии. Наследственный компонент свойственен 5–10% раков. И опять-таки, наследственная мутация гена АРС (аденоматозного полипоза кишечника, см. Adenomatous polyposis coli) предрасполагает к раку как толстого, так и тонкого кишечника. Но рак толстого кишечника у носителей этой мутации встречается гораздо чаще, чем рак тонкого кишечника.

Поскольку ни факторы риска окружающей среды, ни наследственные факторы не объясняют различий в вероятности возникновения рака различных органов и тканей, Кристиан Томазетти (Cristian Tomasetti) и Берт Фогельштейн (Bert Vogelstein) из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса исследовали влияние третьего возможного фактора — стохастического (случайного) возникновения мутаций при репликации геномной ДНК клеток. Достоверно установлено, что основной причиной рака являются приобретенные клетками генетические аномалии, на чем и основана общепризнанная теория канцерогенеза как следствия мутаций соматических клеток. Вероятность возникновения мутаций при каждой репликации для всех клеток млекопитающих практически одинакова. Поэтому концепция, принятая авторами, предусматривает строгую количественную корреляцию между числом делений клеток определенного класса на протяжении средней жизни человека и риском возникновения у него рака. Таким классом клеток являются стволовые клетки любой самообновляющейся ткани, за счет которых происходит ее самообновление.

Стволовые клетки составляют очень небольшую часть ткани. В результате деления стволовой клетки одна из клеток-потомков сохраняется как самообновление стволового клона, другая делится, подвергается дифференцировке и в конечном итоге из нее образуются зрелые клетки данной ткани (рис. 1). Авторы провели достаточно глубокий статистический анализ, сопоставив имеющиеся данные по количественной оценке числа делений стволовых клеток на протяжении жизни в 31 типе ткани с частотой возникновения раковых опухолей соответствующих тканей (рис. 2). С удивлением, как отмечают сами авторы, они обнаружили, что эти два совершенно различных параметра коррелируют с очень высокой степенью достоверности: коэффициент ранговой корреляции Спирмена равен 0,81, а линейный коэффициент корреляции Пирсона равен 0,804 при доверительном интервале 95% (это означает, что 65% — от 39% до 81% — вариаций риска возникновения рака в разных тканях может быть объяснено числом делений стволовых клеток в этих тканях). Ни один из известных факторов риска таким свойством не обладал. Таким образом, стохастический эффект репликации ДНК стволовых клеток представляется основным вкладом в формирование многих типов раковых опухолей человека.

Рис. 2. Соотношение между числом делений стволовых клеток в данной ткани на протяжении средней человеческой жизни и риском возникновения рака этой ткани. По оси абсцисс — общее число делений стволовых клеток. По оси ординат — риск возникновения рака. FAP — семейный аденоматозный полипоз, HCV — вирус гепатита С, HPV — вирус папилломы человека, CLL — хроническая лимфоцитарная лейкемия, AML — острая миелоидная лейкемия. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Далее авторы провели оценку доли вклада в генез различных раков факторов окружающей среды и врожденных мутаций по сравнению с эффектом репликации ДНК. В соответствии с полученными результатами типы раков разделили на две группы — с количественно выраженным существенным влиянием на онкогенез первой группы факторов (D-опухоли) и с ограниченным или минимальным их влиянием (R-опухоли, рис. 3).

Рис. 3. Стохастические (репликативные) факторы против факторов окружающей среды и наследственных факторов. Величины aERS (adjusted extra risk score — вычисленные показатели дополнительного риска) указаны для каждого из приведенных типов рака. Зеленым обозначены опухоли с негативным aERS — обусловленные стохастическим эффектом репликации ДНК стволовых клеток, синим — опухоли с положительным aERS. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, к двум известным факторам риска онкогенеза (компонентам внешней среды и врожденным мутациям) нужно добавить третий — ошибки репликации генома нормальных стволовых клеток. Последний может быть главным и при существенном влиянии первых двух. Так, при семейном аденоматозном полипозе кишечника вероятность развития рака толстой кишки в ~30 раз выше, чем рака двенадцатиперстной кишки. Возможно, это связано с тем, что клетки последней испытывают примерно в 150 раз меньше делений. Показательно, что у модельных мышей закономерность образования раковых опухолей обратная. При этом у них количество делений стволовых клеток толстого кишечника меньше, чем тонкого.

Результаты работы Томазетти и Фогельштейна могут иметь не только очевидное теоретическое, но и практическое значение. Возможно, придется скорректировать общую стратегию предотвращения и диагностики рака. Для D-раков большое значение должны иметь, во-первых, профилактика (исключение влияния негативных внешних факторов) и, во-вторых, ранняя диагностика. Для R-раков попытки профилактики будут, скорее всего, неэффективными, и следует сосредоточить усилия на ранней диагностике. А многим заболевшим раком, которые вели праведный и здоровый образ жизни, утешением, хотя и слабым, может служить факт, что их вины в заболевании нет и им просто не повезло.

Естественно, что эта неординарная публикация вызвала много откликов как ученых, так и общественности. Отклики ученых, как правило, положительны (см. статьи J. Couzin-Frankel The bad luck of cancer и Backlash greets “bad luck” cancer study and coverage в Science). Но, например, непонятно, почему авторы не рассматривают такие часто встречающиеся формы рака, как рак молочной железы или рак простаты. Возможно, для этих форм нет достаточного объема данных по стволовым клеткам. А многие журналисты, как часто бывает, не разобравшись, искажают суть дела. Так, факторы внешней среды и наследственность практически не влияют на 2/3 форм, а не случаев рака.

Видимо, столь широким резонансом вызвана и резкая реакция Всемирной организации здравоохранения, озабоченной тем, что эта статья может быть неправильно истолкована и отвлечет внимание от поиска причин того или иного рака и способов его предотвращения (см. Most types of cancer not due to “bad luck”, в русском заголовке даже доходящая до абсурда: В ВОЗ отвергли утверждения о том, что основная причина возникновения рака — генетические мутации). Однако Международное агентство по изучению рака не может отрицать генетические мутации как достоверно установленную причину рака. А Берт Фогельштейн, хорошо известный благодаря своим пионерским исследованиям по молекулярной биологии рака, вряд ли стал бы публиковать сырые результаты.

Источник: Cristian Tomasetti, Bert Vogelstein. Cancer etiology. Variation in cancer risk among tissues can be explained by the number of stem cell divisions // Science. 2015. V. 347. P. 78–81.

Вячеслав Калинин

Рис. 1. Строение митохондрии. Как выяснилось, блокировка активности АТФ-синтазы и, соответственно, образования АТФ — основного источника энергии в организме — предотвращает восстановление опухоли при повторном включении онкогена KRAS. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

При многих устойчивых к терапии раках в опухолевых клетках наблюдается резкая активация дыхательной функции митохондрий. Ряд исследований, проведенных в последнее время, показал, что применение ингибиторов дыхательной функции митохондрий в комбинации с традиционной терапией может быть эффективно для лечения онкологических заболеваний.

Современные противораковые средства в концентрациях, практически безвредных для нормальных клеток, убивают все раковые клетки, культивируемые in vitro. Но в организме этого не происходит практически никогда. Противораковые средства эффективно убивают активно делящиеся клетки. А в организме раковые клетки могут переходить в состояние «спячки», устойчивой к терапии, пребывать в «спящем» состоянии или делиться очень медленно в течение ряда лет. «Спящие» клетки представляют собой резервуар, который может активироваться и вызвать рецидив рака. Разработка подходов, позволяющих их элиминировать, является очень актуальной проблемой. Механизмы, под действием которых раковые клетки засыпают, пока еще изучены недостаточно.

Недавно было показано (D. A. Wolf, 2014. Is Reliance on Mitochondrial Respiration a “Chink in the Armor” of Therapy-Resistant Cancer?), что специфическим свойством «засыпающих» клеток является их потребность в усилении дыхательной функции митохондрий (рис. 1). До последнего времени это свойство не использовалось при разработке подходов к лечению рака. И лишь совсем недавно большая группа ученых из Онкологического центра им. М. Д. Андерсона и других медицинских центров США и Италии пришла к выводу, что комбинация известных противораковых терапевтических средств и ингибиторов функции митохондрий может значительно повысить эффективность лечения рака (A. Viale et al., 2014. Oncogene ablation-resistant pancreatic cancer cells depend on mitochondrial function).

Исследование, показавшее эффективность комбинированной терапии, проводилось на мышиной модели аденокарциномы протоков поджелудочной железы. Это заболевание представляет собой одну из самых агрессивных форм рака, поздно диагностируется и плохо поддается лечению. Примерно половина пациентов погибает в течение 6 месяцев с момента постановки диагноза. Рак у мышей вызывали с помощью мутантного онкогена KRAS, который избирательно экспрессировался в поджелудочной железе под контролем тканеспецифичного промотора и который можно было включать и выключать. Активность мутантного онкогена необходима для инициации, роста и поддержания опухоли. После того как у животных вырастали раковые опухоли, KRAS выключали, что приводило к регрессии опухолей. Однако некоторые опухолевые клетки выживали, и через несколько месяцев развивались рецидивы.

Для детального исследования опухолевые клетки инъецировали под кожу мышам-реципиентам и при включенном KRAS подращивали подкожные опухоли (подкожные опухоли было легче исследовать, чем опухоли поджелудочной железы). Затем KRAS выключали, и опухоли деградировали. Но на месте опухолей обнаруживались выжившие остаточные эпителиоидные клетки, сходные по морфологии с клетками рака. При повторном включении KRAS подкожные опухоли быстро восстанавливались.

Следующая серия экспериментов проводилась in vitro на выращенных в полужидкой питательной среде трехмерных сфероидных культурах клеток первичной опухоли. Такие культуры представляют собой аналог опухоли in vitro. После выключения KRAS образовавшиеся сферы быстро деградировали. При повторном включении KRAS сферы, как и подкожные опухоли, быстро восстанавливались. Эффекты генетического включения-выключения KRAS воспроизводились и в экспериментах с цитотоксичными противораковыми препаратами-блокаторами онкогенных сигнальных путей.

Исследование мРНК, транскрибирующихся в клетках сфероидных культур при деградации, показало резкое усиление активности генов, связанных с функционированием митохондрий. Резко усиливалось также физиологическое проявление функций митохондрий, в том числе их главной функции — окислительного фосфорилирования (рис. 2). Обработка ингибиторами окислительного фосфорилирования полностью предотвращала восстановление сфер при повторном включении KRAS.

Рис. 2. Схема окислительного фосфорилирования. Электрон-транспортная цепь митохондрий является местом проведения окислительного фосфорилирования у эукариот. NADH и сукцинат, образовавшиеся в ходе цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса), окисляются, и их энергия передается АТР-синтазе, которая за ее счет синтезирует АТР. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Ключевые эксперименты были проведены in vivo на мышах. Регрессия опухолей поджелудочной железы, вызванная выключением онкогенного KRAS, сопровождалась инъекциями мышам олигомицина (ингибитора окислительного фосфорилирования) в безвредных для организма концентрациях. Олигомицин блокирует последнюю стадию окислительного фосфорилирования — активность АТФ-синтазы и, соответственно, образование АТФ (аденозинтрифосфата) — основного источника энергии в организме. При последующем включении KRAS оказалось, что практически все контрольные животные погибали в течение 20 дней, но применение олигомицина значительно продлевало их жизнь, а примерно 25% мышей выживали дольше 60 дней (рис. 3).

Рис. 3. Выживаемость модельных мышей после подавления опухолей и реактивации онкогена KRAS. По оси абсцисс отложено время в днях, по оси ординат — процент выживших мышей. Сплошной линией показаны данные по мышам, которым две недели делали ежедневные инъекции олигомицина перед реактивацией KRAS (Oli); пунктиром — данные по контрольным животным (Ctrl). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Для исследования терапевтического потенциала подавления окислительного фосфорилирования применительно к раку человека сферы были получены из подкожных опухолей мышей, образованных в результате инъекции клеток аденокарциномы протоков поджелудочной железы человека. В этом случае деградация сфер вызывалась стандартными противораковыми препаратами. Обработка олигомицином до удаления этих препаратов из культуральной среды предотвращала регенерацию сфер.

Таким образом, полученные результаты позволяют считать, что подавление окислительного фосфорилирования в комбинации с традиционными средствами блокирования онкогенных путей может стать эффективным путем предотвращения рецидивов при раке поджелудочной железы. По результатам других исследований можно полагать, что такой подход может дать положительный эффект и при лечении ряда других раков. Известно достаточно много биологических маркеров, по которым можно судить о целесообразности применения этого дополнения к традиционной терапии. Но прежде чем рекомендовать ингибиторы окислительного фосфорилирования для применения в клинике, еще предстоит решить ряд вопросов. Так, нужно определить набор форм рака, при которых ингибиторы могут быть эффективны. Необходимо также найти «терапевтическое окно» — ингибиторы и их концентрации способные лечить рак, но не дающие неприемлемых побочных эффектов.

Источники:
1) Dieter A. Wolf. Is Reliance on Mitochondrial Respiration a “Chink in the Armor” of Therapy-Resistant Cancer? // Cancer Cell. 2014. V. 26. P. 788–795.
2) Andrea Viale et al. Oncogene ablation-resistant pancreatic cancer cells depend on mitochondrial function // Nature. 2014. V. 514. P. 628–632.
3) Alessia Errico. Targeted therapy: Targeting mitochondria in pancreatic cancer // Nature Reviews Clinical Oncology. 2014. V. 11. P. 562.

Вячеслав Калинин

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (1) | Распечатать

Добавить новость в: