Современные представления о канцерогенезе и опухолевой прогрессии

В настоящее время в России, как и в большинстве развитых стран мира, отмечается тенденция к неуклонному росту заболеваемости злокачественными новообразованиями и смертности от них.

В связи с вышеизложенным, к одной из первоочередных задач здравоохранения отнесено изучение механизмов онкогенеза. За последние 10-15 лет получены результаты, позволяющие существенно расширить наши представления о механизмах возникновения и развития опухоли, охарактеризовать на молекулярном, биохимическом, клеточном, тканевом и организмен- ном уровнях различные этапы в развитии злокачественного новообразования (Якубовская Р.И., 2000).

Значительный прогресс в понимании механизмов канцерогенеза связан с открытием сначала онкогенов и протоонкогенов, а затем - опухолевых супрессоров и мутаторных генов. Онкогены — это клеточные или вирусные (вносимые вирусом в клетку) гены, экспрессия которых может привести к развитию новообразования. Протоонкогены — нормальные клеточные гены, усиление или модификация функции которых превращает их в онкогены. Опухолевые супрессоры - (антионкогены, рецессивные опухолевые гены) - клеточные гены, инактивация которых резко увеличивает вероятность возникновения новообразований, а восстановление функции, наоборот, может подавить рост опухолевых клеток. Следует заметить, что причисляемые у опухолевым супрессорам так называемые «мутаторные» гены, т.е. гены, нарушение функции которых тем или иным способом увеличивает темп возникновения мутаций и/или других генетических изменений, могут и не влиять на рост неопластических клеток, однако их инактивация столь сильно увеличивает вероятность появления различных онкогенных мутаций, что образование опухоли становится лишь делом времени (Копнин Б.П., 2000).

Очевидное значение концепции онкогенов состоит в том, что она способствует унифицированному представлению о механизмах канцерогенеза в противоположность еще недавно существовавшим, не связанным друг с другом «теориям» вирусного, химического и физического канцерогенеза. Сегодня кажется несомненным, что этиологических факторов канцерогенеза может быть много, тогда как патогенез един - повреждение ДНК. Поражения ДНК происходят при химической нестабильности ДНК, спонтанных ошибках в процессах репликации и репарации ДНК, при образовании эндогенных реактивных альдегидов, активных форм кислорода и т. п. (Gupta R.C., Lutz W.K., 1999). Экзогенными источниками повреждения ДНК служат ионизирующее и ультрафиолетовое излучение - физический канцерогенез, природные изотопы и многочисленные генотоксические составляющие пищи и окружающей среды - химический канцерогенез, а также вирусная экспансия - вирусный канцерогенез (Птицина С.Н. и соавт., 2001; Ferguson L., 1999; Wang Y.J. et al., 2001; Noshchenko A.G. et al., 2002). Получены данные, согласно которым метаболиты эстрогенов вызывают мутации в ДНК, инициирующие развитие рака. Высокий уровень эстрогенов коррелирует с частотой встречаемости рака молочной железы, легкого и толстой кишки среди женщин (Service R.F., 1998).

Вирусная этиология злокачественных новообразований изучена в настоящее время лучше всего, и теория вирусогенетического происхождения опухолей, предложенная в 1945 г. Л.А. Зильбером, нашла подтверждение в отношении определенных онкопатологий. Показано, что инфицирование Helicobacter pylori удваивает риск развития рака желудка (Schraub S., 1999); в

50% случаев рак печени связывают с вирусом гепатита В (Arbuthot P., Rew M., 2001); риск рака шейки матки, связанный с вирусом папилломы человека, отмечается в 85% случаев в развитых странах и в 91% случаев в развивающихся странах (Александрова Ю.Н. и соавт., 2001; Rolon Р. A. et al., 2000); есть данные о роли вирусов группы герпеса (HHV 8 и вируса Эпштейна- Барр) в этиологии и патогенезе таких опухолей, как саркома Калоши, рак носоглотки, лимфома Беркита и В-клеточные лимфомы у больных с иммунодефицитом (Botella-Estrada R.

Вирусные онкогены ответственны за очень небольшую часть неоплазм человека, поэтому внимание молекулярных онкологов главным образом сосредоточено на клеточных онкогенах. Для возникновения опухоли человека нужно в среднем около 10 изменений в различных онкогенах или генах-супрессорах опухолей (теория многоступенчатого канцерогенеза). Обычно разные опухоли содержат разный набор измененных генов. Каждая опухоль имеет свой генетический портрет. Однако некоторые гены оказываются поврежденными особенно часто. Сюда относится опухолевый супрессор р53, поврежденный в 50% опухолей человека, и онкоген ras, активированный в 25% опухолей человека (Георгиев Г.П. и соавт., 2003).

Подавляющее большинство известных протоонкогенов и опухолевых супрессоров являются компонентами нескольких сигнальных путей, контролирующих клеточный цикл, апоптоз, целостность генома, морфогенетические реакции и дифференцировку клеток (Копнин Б.П., 2000). Так, продукт гена-супрессора злокачественного роста р53 индуцируется в ответ на различные стрессовые воздействия, способные привести к появлению в организме наследственно измененных патологических клеток, и является важным звеном в процессе запуска механизма апоптоза, который обеспечивает удаление из организма таких потенциально опасных клеток (Чумаков П.М., 1998; Cetin-Atalay R., Ozturk M., 2000). Протоонкоген ras - один из ключевых компонентов пути передачи внеклеточных сигналов в ядро клетки, контролирующий несколько сигнальных каскадов, результатом конститутивной или временной активации которых могут быть пролиферация клеток, их опухолевая трансформация, апоптоз или предотвращение апоптоза, дифференциров- ка.

Недавние исследования показали, что в канцерогенезе две составляющие - генетическая и эпигенетическая, причем относительный вклад каждой из них в конкретные формы опухолей человека варьирует в широких пределах. Гены-супрессоры и гены репарации в опухолях инактивированы в результате либо их повреждения, либо метилирования промоторов (в последнем случае имеет место «эпимутация» как эпигенетический эквивалент мутации, вызывающий те же функциональные последствия) (Залетаев Д.В. и соавт., 2002). Помимо факторов транскрипции, являющихся ключевыми инструментами онтогенеза, структура хроматина также является доминирующей детерминантой генной экспрессии. Идентифицировано несколько новых ферментативных комплексов, обратимо модифицирующих архитектуру хроматина путем метилирования, фосфорилирования и ацетилирования поровых белков нуклеосом. Эти ферменты крайне важны для поддержания баланса и характера генной экспрессии и часто являются мишенями для мутаций при раке у человека (Лихтенштейн А.В., Киселева Н.П., 2001; Juan Li-Jung et al, 2000; Chakraborty S. et al., 2001).

Исследования рака выявили относительно небольшой набор молекулярных, биохимических и клеточных признаков (приобретенных свойств), которые присуще большинству (если не всем) типам опухолевых клеток. К ним относятся: неограниченный потенциал деления, блокирование апоптоза, самообеспеченность ростовыми сигналами, нечувствительность к антиросто- вым сигналам, стимуляция ангиогенеза, инвазия и метастазирование. Обретение клетками совокупности этих свойств есть необходимое и, по- видимому, достаточное условие развития злокачественной опухоли (Лихтенштейн А.В., Киселева Н.П., 2001).

Одним из главных свойств опухолевой клетки является способность к неограниченному числу делений. Продолжительность пролиферации большинства нормальных клеток человека даже в идеальных условиях роста ограничена внутренними ингибиторными сигналами, которые индуцируют задержку клеточного цикла после определенного числа клеточных делений.

Нарушения регуляции клеточного цикла является неотъемлемым и основополагающим признаком неопластической клетки. Большинство известных протоонкогенов и опухолевых супрессоров тем или иным образом регулируют активность циклинзависимых киназ, ответственных за вход в S фазу клеточного цикла (Latres Е. et al., 2000; Terrinoni A. et al., 2001). Продукты некоторых из клеточных (Mdm2) или вирусных (Т-антиген вируса SV 40, ElA аденовирусов, E7HPV и др.) онкогенов связывают и инактивируют основной субстрат этих ферментов - белок pRb (Копнин Б.П., 2000).

Снижение способности к апоптозу (программированной гибели клеток) играет существенную роль в развитии многих опухолей, осуществляется это с помощью различных механизмов, анализ которых может быть полезен для понимания существующих и поиска новых путей подавления опухолевого роста. Апоптоз, как известно, вызывается различными сигналами: связыванием с рецепторами специфических киллерных лигандов, нехваткой факторов роста/выживания, повреждением цитоскелета, гипоксией и другими неблагоприятными условиями (Копнин Б.П., 2000; Барышников Д.Ю., 2001). Процесс апоптоза может быть разделен на две фазы: - формирование и проведение апоптических сигналов (фаза принятия решения); - демонтаж клеточных структур (эффекторная фаза). Основными фигурантами эффекторной фазы апоптоза являются цистеиновые протеазы (каспазы). Каспазы находятся в клетках в неактивном состоянии (прокаспазы). Активация каспаз происходит путем их протеолитического расщепления в местах расположения аспарагиновых оснований с последующей димеризацией образованных таким образом активных субъединиц. К настоящему времени у человека идентифици- ровано 14 видов каспаз, которые по своим функциям могут быть разделены на три группы: активаторы цитокинов, каспазы - индукторы активации эф- фекторных каспаз, эффекторные каспазы - исполнители апоптоза (Владимирская Е.Б., 2002).

Онкогенная трансформация клетки часто сопровождается мутацией в гене р53 и превращением его из индуктора в ингибитор апоптоза, что является во многих случаях ключевым механизмом в наработке опухолевого клона. Именно этот ген является сенсором множества сигналов, таких как: снижение поступления ростовых факторов, потеря межклеточных взаимодействий и связей с микроокружением, гипоксия вследствие недостаточного кровоснабжения, повреждение ДНК в результате мутаций и воздействия токсинов, укорочение теломера вследствие митогенного стресса и др. Все эти факторы должны включать апоптоз через посредство гена р53, но при снижении его активности или в результате патологической мутации этого не происходит, что лежит в основе накопления опухолевых клеток и дальнейшей опухолевой прогрессии. Мутация в гене р53 является также одним из факторов метаста- зирования опухоли, так как разрешает опухолевым клеткам длительно пребывать в суспензии без поддержки специфического микроокружения, что в норме должно было бы закончиться апоптозом (Комарова Е.А., Гудков А.В., 2000; Чумаков П.М., 2000; Asschert J.G.W., 1998; Li Xiao-dong, Wang Xiao- jing, 2002).

Другим механизмом поломки апоптоза в опухолевых клетках является мутация в генах, контролирующих суициидальную программу. В ряду этих процессов находится хорошо изученная оверэкспрессия гена Ьс12, тормозящего апоптоз, что лежит в основе развития многих опухолей человека (Владимирская Е.Б., 2002; Xia Chun-Yan, et al., 2001).

Процесс перерождения здоровой клетки в опухолевую многоступенчатый и включает в себя, как полагают, три стадии: инициацию, промоцию и прогрессию. Перепрограммирование генома сопровождается искажением сигнального, рецепторного, биохимического аппарата клетки и приводит к

созданию условий для неконтролируемого роста, нарушения в программах конечной дифференцировки и смерти клетки, а также способности к метаста- зированию и к усилениям механизмов устойчивости (резистентности) клеток к различным воздействиям. Такая клетка дает потомство, способное расселяться за пределами базальных мембран (Якубовская Р.И., 2000).

Сложнейший процесс формирования первичного и метастатического очагов включает неоваскуляризацию, инвазию опухолевых клеток в окружающую ткань, мигрирование в кровеносные и лимфатические сосуды, а также циркуляцию в них с последующим прикреплением к эндотелию в органе-мишени, выход в ткань органа-мишени с образованием там метастатического очага. Ключевыми моментами на этом этапе являются процессы инвазии и неоваскуляризации (Liu Fu-sheng, 2002).

Для осуществления процесса инвазии опухолевая клетка секретиру- ет на своей поверхности и выделяет в межклеточное пространство протеолитические ферменты различного типа, способствующие деградации биоструктур базальных мембран и межклеточного матрикса (Gazzanelli G. et al., 2000; Kajita М. et al., 2001; Vihinen P., Kahari V.M., 2002). Наряду с этим на поверхности опухолевых клеток происходит перераспределение специфических клеточных молекул адгезии: исчезают молекулы адгезии, направленные на гомологичные связи, появляются молекулы адгезии, способствующие связыванию гетерологичных клеток (Yoshioka К. et al., 1999). И третьим моментом, наиболее важным в инвазивном механизме, является изменение клеточной подвижности клеток новообразования. Это выражается в нарушении формирования фокальных контактов и в ухудшении прикрепления клеток к матриксу, дезорганизации системы актиновых микрофиламентов, что приводит к изменениям активности псевдоподий и характера перемещения клеток. В целом наблюдаемая картина напоминает изменения, возникающие в нормальных клетках при действии мотогенных цитокинов - факторов, стимулирующих передвижение клеток. Однако так называемый «локомоторный» фенотип в неопластических клетках, как правило, сильно утрирован, что позволяет отличать по морфологии опухолевую клетку от движущейся нормальной клетки (Копнин Б.П., 2000). Ряд ростовых факторов, которые выделяются другими клетками по системе обратной связи, являются хемоаттрактантами для опухолевой клетки. Так, p-трансформирующий фактор роста может оказывать как положительное, так и отрицательное действие на опухолегенез, действуя в начале как супрессор опухоли, но позднее как стимулятор инвазии опухоли (Akhurst R.J., Balmain А., 1999).

Не менее важным является этап (процесс) неоваскуляризации. В механизме его формирования огромная роль отводится переводу опухолевых клеток в ангиогенный фенотип, который характеризуется повышенной секрецией факторов роста фибробластов, эндотелиальных клеток с одновременным снижением секреции ингибиторов опухолевых ангиогенных факторов, повышением синтеза и секреции хемотаксических молекул, активирующих ангиогенные способности макрофагов, тучных клеток, фибробластов и эндотелиальных клеток, а также повышенным синтезом протеолитических ферментов, осуществляющих деградацию базальных мембран и способствующих продвижению клеток эндотелия по направлению к опухолевым клеткам (Якубовская Р.И., 2000; Герштейн Е.С. и соавт., 2003; Lin Ji-kin et al., 1999; MacLean А.В. et al., 1999; Wu J. et al., 2002). Разрегулированность экспрессии нескольких факторов роста и их рецепторов, связывающих белков, протоон- когенных продуктов и продуктов генов-супрессоров опухолей сочетается C развитием злокачественного фенотипа (Djakiew D., 2000). В возникновении опухолей у человека важную роль играют факторы роста из семейства Wnt, осуществляющие каскад сигналов с поверхности клетки к ее ядру (Walten- berger J. et al., 2001). Фактор роста эндотелия сосудов в эндотелиальных клетках является специфическим митогеном и может индуцировать опухолевый ангиогенез, промотируя размножение клеток эндотелия и, увеличивая проницаемость сосудов, что может играть критическую роль в канцерогенезе и злокачественной трансформации (Sun L., Zou X., 2001). Кроме того, изменения вязоупругих свойств клеток злокачественных опухолей влияют на спо-

собность указанных клеток к инвазии и метастазированию, а также на взаимоотношения опухолевых клеток с микроокружением (Zhang G. et ah, 2002).

К факторам, способствующим продвижению метастазирующих клеток по сосудистому руслу, относят белковые миграционные факторы, тромбоциты и фрагменты межклеточного матрикса, которые, образуя надмолекулярные комплексы с клетками опухоли, обеспечивают транспорт и прикрепление к базальной мембране в органах-мишенях. Полагают, что выбор органа-мишени обусловлен специфическими взаимодействиями углеводных компонентов плазматической мембраны опухолевой клетки со структурами олиго- и полисахаридов, находящимися на поверхности эндотелиальных клеток, однако взаимодействия между углеводами слабы, и клетка окончательно прикрепляется к стенке сосуда за счет связей, образованных интегринами (Силаева С.А., 2000; Trusolino L. et al., 2001).

В процессе онкогенеза опухолевая клетка вступает в различные кооперативные взаимоотношения с окружающей тканью организма-хозяина и эти взаимоотношения в конечном итоге подчинены законам выживания либо опухолевой клетки, либо организма-хозяина. На пути клеток с пред- и трансформированным потенциалом встают системы естественной резистентности и иммунной защиты. Проблема взаимоотношений между неопластическими клетками и системами врожденного и специфического иммунитета находит отражение в следующих трех основных аспектах: 1) защита хозяина, т.е. механизмы распознавания и элиминации мутантных, трансформированных и опухолевых клеток эффекторами системы врожденного иммунитета (и специфического противоопухолевого иммунитета в случае антигенных опухолей); 2) механизмы защиты трансформированных и опухолевых клеток против эффекторов системы врожденного противоопухолевого иммунитета; 3) влияние селективного давления врожденного и специфического противоопухолевого иммунитета хозяина на прогрессию опухоли. Неспецифическое распознавание опухолевых клеток эффекторами врожденного противоопухолевого иммунитета и подавление их роста (или, наоборот, стимуляция про-

лиферации) связаны с комплексом межклеточных взаимодействий и индукцией сети различных цитокинов, создаваемой при кооперации дендритных клеток, макрофагов, естественных киллеров, нейтрофилов и опухолевых клеток при участии (или неучастии на ранних этапах канцерогенеза) активированных Т-клеток (Гинкул Л.Б., 2000; Поповская Т.Н., 2001; Макаренкова В.П. и соавт., 2002). При этом, в процессе злокачественного роста возникают и отбираются варианты опухолевых клеток, характеризующихся новыми свойствами: высоким уровнем Н₂0₂-катаболизирующей (антиоксидантной) активности и способностью к немедленному выбросу простагландина Е₂-типа при контакте с естественными киллерами, макрофагами и нейтрофилами, что обеспечивает опухолевые клетки двумя механизмами эффективной локальной защиты против эффекторов врожденного и приобретенного специфического противоопухолевого иммунитета и выражается в снижении в десятки и сотни раз эффективности отторжения опухолевых клеток (Дейчман Г.И.,

2000) . Известно, что одним из факторов, вызывающим иммунологическую толерантность в организме хозяина, является гиперфункция коры надпочечников как ответ на гипогликемическое действие опухоли (McCartty M.F.,

2001) . Глюкокортикоиды, стимулируя глюконеогенез из тканевых белков, неблагоприятно воздействуют на клетки иммунной системы, вызывая их деструкцию по механизму апоптоза, что приводит к стойкой иммуносупрессии (Шапот В.С., 1975; Силаева С.А., 2000).

По данным литературы, важная роль в ограничении механизмов пролиферации, так же как и стимуляции, принадлежит энергетическим процессам. Наиболее ранние из открытых заболеваний были связаны с недостаточной продукцией энергии и мутациями в митохондриальной ДНК. Выявлено, что нарушения структуры митохондрий, вероятно, являются ключевыми в процессе торможения пролиферативной активности клеток опухоли, ибо последняя, не может осуществляться без адекватного биоэнергетического обеспечения реакций синтеза (Винник Ю.О. и соавт., 2000). Сигнальные пути митохондрий участвуют в активации программированной клеточной смерти и

и контроле пролиферации клеток. Показано, что ранние морфологические и функциональные изменения, связанные с апоптозом, происходят в первую очередь в митохондриях и только после этого отмечаются в ядрах клеток (Shen Z.Y. et а!., 2002). Апоптоз, контролируемый митохондриями - основное событие многих генетических и негенетических заболеваний. Мутации в ядерных генах, кодирующих митохондриальные ферменты цикла Кребса, часто связаны с образованием опухолей (Яровая О.В. и соавт., 2001; Rustin P., 2002).

Развитие неопластического процесса в организме сопровождается, как правило, изменением функциональных отношений между его органами, обусловленным исчезновением одних функциональных связей и появлением новых. В работе И.П. Шабалкина и соавт. (2002) на модели перевиваемой карциномы Льюис показано, что действие опухоли на организм включает в себя две стадии: 1-я стадия - прямое действие опухоли на орган-мишень; 2-я стадия - опосредованное влияние опухоли, заключающееся в изменении функциональных взаимоотношений клеточных популяций других органов под влиянием преобразованных клеток пораженного органа-мишени.

Развитие злокачественного процесса в организме носит «системный» характер, обусловленный перерастанием со временем «местного процесса» в поражение большинства систем организма, в основе которого лежит каскад нарушений функциональных связей между удаленными от первичного очага поражения органами и тканями, что ведет к сбою скоординированной во времени работы цепи метаболических процессов всего организма, и, в конечном счете, к его гибели.

Изложенное выше свидетельствует о том, что угроза перерождения нормальной клетки в опухолевую, и дальнейшее противостояние организма- хозяина агрессии со стороны злокачественного новообразования зависят от нормального согласованного функционирования всех гуморальных и клеточных систем организма и сохранения целостности его внутренней среды.

1.2.