Рак с признаками нормальных клеток

Введение

Раковые клетки с признаками нормальных клеток

Раковые стволовые клетки (CSC) — это раковые клетки (обнаруженные в опухолях или гематологических злокачественных новообразованиях), обладающие характеристиками, свойственными нормальным стволовым клеткам, в частности способностью давать начало всем типам клеток, присутствующим в конкретном образце рака. Следовательно, CSC являются опухолегенными (способными образовывать опухоли), возможно, в отличие от других раковых клеток, не обладающих этой способностью. Сам термин был введен в высокоцитируемой статье 2001 года биологами Танништа Рейя, Шон Дж. Моррисон, Майкл Ф. Кларк и Ирвинг Вайссман.

Модели распространения опухоли

В различных подтипах опухолей клетки внутри опухолевой популяции демонстрируют функциональную гетерогенность, и опухоли формируются из клеток с разными пролиферативными и дифференцировочными способностями. Эта функциональная гетерогенность среди раковых клеток привела к разработке нескольких моделей распространения, учитывающих гетерогенность и различия в регенеративной способности опухоли: модель раковых стволовых клеток (CSC) и стохастическая модель. Однако некоторые исследователи полагают, что такое разделение искусственно, поскольку оба процесса действуют взаимодополняюще в отношении реальных опухолевых популяций. Важно отметить, что в здоровом эпителии пищевода человека пролиферативная активность обеспечивается стохастически делящимся базальным эпителием. Однако при переходе в предраковый эпителий пищевода Барретта появляется небольшое специализированное пучковое образование стволовых клеток, поддерживающее пролиферацию эпителия, в то время как свидетельства существования стохастически делящегося пучкового образования, способствующего поддержанию ткани, исчезают. Следовательно, по крайней мере для некоторых новообразований, специализированные пучковые образования стволовых клеток поддерживают и увеличивают размер трансформированного отсека.

Модель стволовых клеток рака

Модель раковых стволовых клеток, также известная как иерархическая модель, предполагает, что опухоли организованы иерархически (раковые стволовые клетки (ЦСК) находятся на вершине (рис. 3)). Внутри раковой популяции опухоли присутствуют раковые стволовые клетки (CSC), являющиеся опухолеобразующими клетками и биологически отличными от других субпопуляций. Они обладают двумя определяющими характеристиками: долгосрочной способностью к самообновлению и способностью дифференцироваться в потомство, которое не является опухолеобразующим, но всё же способствует росту опухоли. Эта модель предполагает, что только определенные субпопуляции раковых стволовых клеток способны инициировать прогрессирование рака, то есть существуют специфические (внутренние) характеристики, которые можно идентифицировать и затем использовать в качестве мишени для долгосрочного уничтожения опухоли, без необходимости борьбы со всей опухолью в целом.

Стохастическая модель

Чтобы клетка стала раковой, она должна претерпеть значительное количество изменений в последовательности своей ДНК. Эта клеточная модель предполагает, что эти мутации могут возникать в любой клетке организма, приводя к развитию рака. По сути, эта теория утверждает, что все клетки обладают потенциалом к опухолеобразованию, что делает все опухолевые клетки эквипотентными, способными к самообновлению или дифференцировке, что, в свою очередь, приводит к опухолевой гетерогенности, в то время как другие могут дифференцироваться в не-раковые стволовые клетки (non-CSCs). На потенциал клетки могут влиять непредсказуемые генетические или эпигенетические факторы, что приводит к появлению фенотипически разнообразных клеток как среди опухолеобразующих, так и среди не-опухолеобразующих клеток, составляющих опухоль. Согласно "стохастической модели" (или "модели клональной эволюции"), каждая раковая клетка в опухоли может приобрести способность к самообновлению и дифференцировке в многочисленные и гетерогенные линии раковых клеток, формирующие опухоль.

Эти мутации могут постепенно накапливаться и усиливать устойчивость и приспособленность клеток, позволяя им конкурировать с другими опухолевыми клетками, что лучше известно как модель соматической эволюции (Рис. 4). Эти две модели не являются взаимоисключающими, поскольку сами раковые стволовые клетки (CSCs) подвергаются клональной эволюции. Таким образом, могут возникать вторичные, более доминирующие CSC, если мутация наделяет их более агрессивными свойствами (Рис. 5).

Механические и математические модели

После того, как гипотезы о путях развития рака сформулированы, становится возможным разработать прогностические математические модели, например, на основе метода клеточных компартментов. Так, рост аномальных клеток можно описать с помощью определенных вероятностей мутации. Такая модель предсказала, что повторное повреждение зрелых клеток повышает образование аномальных клеток-потомков и риск возникновения рака. Клиническая эффективность подобных моделей пока не доказана.

Происхождение

Истоки раковых стволовых клеток (РСК) – это область активных исследований. Ответ может зависеть от типа опухоли и ее фенотипа. На данный момент гипотеза о том, что опухоли возникают из единственной "клетки-предшественницы", не была подтверждена с использованием модели РСК. Это связано с тем, что раковые стволовые клетки не обнаруживаются в опухолях на поздних стадиях. Гипотезы происхождения включают мутации в развивающихся стволовых или прогениторных клетках, мутации во взрослых стволовых или прогениторных клетках, а также мутации в дифференцированных клетках, приобретающих свойства стволовых клеток. Эти теории часто фокусируются на "клетке-предшественнице" опухоли.

Мутация стволовых клеток

Гипотеза о "мутациях в популяциях нишевых стволовых клеток в процессе развития" утверждает, что эти развивающиеся популяции стволовых клеток подвергаются мутациям, а затем размножаются, передавая мутацию большому числу потомков. Эти дочерние клетки значительно более склонны к злокачественному перерождению, и их увеличение количества повышает вероятность возникновения раковой мутации.

Взрослые стволовые клетки

Другая теория связывает взрослые стволовые клетки (ASC) с формированием опухолей. Чаще всего это наблюдается в тканях с высокой скоростью обновления клеток (например, в коже или кишечнике). В этих тканях ASC рассматриваются как потенциальные кандидаты из-за их частых делений (по сравнению с большинством ASC) в сочетании с продолжительным сроком жизни ASC. Такое сочетание создает идеальные условия для накопления мутаций: накопление мутаций – основной фактор, запускающий развитие рака. Имеющиеся данные подтверждают, что эта связь является реальным явлением, хотя конкретные виды рака связаны с конкретными причинами.

Дедифференциация

Дедифференциация мутировавших клеток может придать им характеристики, схожие со стволовыми клетками, что позволяет предположить, что любая клетка потенциально может стать раковой стволовой клеткой. Иными словами, полностью дифференцированная клетка под воздействием мутаций или внеклеточных сигналов возвращается в состояние, подобное стволовой клетке. Эта концепция была недавно продемонстрирована на моделях рака предстательной железы, где клетки, подвергающиеся терапии лишения андрогенов, временно изменяют свой транскриптом, приобретая характеристики транскриптома стволовой клетки нервного гребня, с присущими этому классу стволовых клеток инвазивными и мультипотентными свойствами.

Иерархия

Концепция иерархии опухоли утверждает, что опухоль представляет собой гетерогенную популяцию мутантных клеток, все из которых разделяют некоторые мутации, но различаются по конкретному фенотипу. Опухоль содержит несколько типов стволовых клеток, одна из которых оптимальна для данной среды, а другие – менее жизнеспособны. Эти вторичные линии могут оказаться более успешными в других условиях, позволяя опухоли адаптироваться, в том числе и к терапевтическому воздействию. Если эта концепция верна, она оказывает влияние на специфические схемы лечения, направленные на раковые стволовые клетки. Подобная иерархия усложнит определение источника возникновения опухоли.

Идентификация

ЦСК, о которых сейчас сообщается в большинстве опухолей человека, обычно идентифицируют и обогащают, используя стратегии, аналогичные тем, что применяются для идентификации нормальных стволовых клеток в различных исследованиях. Эти процедуры включают флуоресцентную клеточную сортировку (FACS) с использованием антител к поверхностным маркерам клеток, а также функциональные методы, такие как анализ боковой популяции или анализ с использованием Альдефлюора. Затем полученный обогащенный ЦСК имплантируют в иммунодефицитных мышей в различных дозах для оценки его способности к развитию опухоли. Этот in vivo анализ называется анализом предельных разведений. Подмножества опухолевых клеток, способные инициировать развитие опухоли при низкой концентрации, дополнительно тестируются на способность к самообновлению в серийных исследованиях опухолей. ЦСК также можно идентифицировать по выведению включенных красителей Hoechst посредством транспортеров, обеспечивающих множественную лекарственную устойчивость (MDR) и АТФ-связывающих кассет (ABC). В последние годы появились генетические подходы к идентификации раковых стволовых клеток у экспериментальных грызунов. В таких исследованиях после индуцирования рака (обычно с использованием мутагенов) активируется генетическая кассета, что приводит к экспрессии легко идентифицируемого маркера, например, зеленого флуоресцентного белка (GFP). Это позволяет преодолеть ограничения традиционных подходов (например, классическая методика мечения бромодезоксиуридином (BrdU) использовалась для выявления медленно делящихся клеток у животных), поскольку генетические подходы не зависят от клеточного цикла и могут быть использованы для in vivo пульс-чейс мечения с целью идентификации покоящихся/медленно делящихся клеток. Эта стратегия, например, сыграла ключевую роль в идентификации так называемого Lgr5+ компартмента как компартмента раковых стволовых клеток при раке печени и продемонстрировала его потенциал в качестве перспективной терапевтической мишени.

Гетерогенность (маркеры)

Гетерогенность ЦСК представляет собой пул дифференцированных и недифференцированных опухолевых клеток, который восполняется клетками, обладающими свойствами как опухолевых, так и стволовых клеток, проявляющими фенотипическую и метаболическую гетерогенность внутри единой опухолевой массы. Существуют две теории, объясняющие фенотипическую и метаболическую гетерогенность ЦСК: клональная вариабельность и теория раковых стволовых клеток. Первая теория подчеркивает роль генетических, эпигенетических факторов и микроокружения, в котором находится опухолевая клетка, в приобретении ею недифференцированных, опухолерогенных признаков. Вторая теория фокусируется на злокачественных признаках, приобретаемых стволовыми клетками, при этом эти недифференцированные и высоко туморогенные стволовые клетки репопулируют дифференцированную опухолевую массу. ЦСК были идентифицированы в различных солидных опухолях. Для выделения ЦСК из солидных и гематологических опухолей обычно используются маркеры, специфичные для нормальных стволовых клеток. Наиболее часто используемые маркеры для изоляции ЦСК включают: CD133 (также известный как PROM1), CD44, ALDH1A1, CD34, CD24 и EpCAM (молекула адгезии эпителиальных клеток, также известная как эпителиальный специфический антиген, ESA). Рак молочной железы был первой солидной злокачественной опухолью, из которой были выделены и идентифицированы ЦСК, и он является наиболее изученным. ЦСК молочной железы обогащены в CD44+CD24−/low и ALDH+ субпопуляциях. ЦСК молочной железы, по-видимому, фенотипически разнообразны. Экспрессия маркеров ЦСК в клетках рака молочной железы, по-видимому, гетерогенна, а популяции ЦСК молочной железы варьируются в зависимости от опухоли. Как CD44+CD24−, так и CD44+CD24+ популяции клеток являются туморогенными; однако ЦСК наиболее сильно обогащены с использованием маркерного профиля CD44+CD49fhiCD133/2hi. О ЦСК сообщалось во многих опухолях мозга. Стволовые опухолевые клетки были идентифицированы с использованием клеточных маркеров, включая CD133, SSEA 1 (стадия-специфический эмбриональный антиген 1), EGFR и CD44. Использование CD133 для идентификации стволовых клеток опухоли головного мозга может быть проблематичным, поскольку опухолерогенные клетки обнаруживаются как в CD133+, так и в CD133− клетках в некоторых глиомах, а некоторые CD133+ клетки опухоли головного мозга могут не обладать способностью инициировать опухоль. Для анализа использовались функциональные методы, включая клональный анализ и анализ с использованием альдефлюоресцентного метода. Использование CD133 в качестве положительного маркера для ЦСК толстой кишки дало противоречивые результаты. Эпитоп AC133, но не белок CD133, специфически экспрессируется в ЦСК толстой кишки, и его экспрессия теряется при дифференцировке. Кроме того, клетки рака толстой кишки CD44+ и дополнительная субфракционирование популяции клеток CD44+EpCAM+ с CD166 повышают успешность трансплантации опухоли. В легких и многих других органах, включая печень, поджелудочную железу, почки или яичники. При раке предстательной железы, клетки, инициирующие опухоль, были идентифицированы в подмножестве клеток CD44+ как CD44+α2β1+, TRA 1 60+CD151+CD166+ или ALDH+ клеточные популяции. Были сообщены предполагаемые маркеры для легочных ЦСК, включая CD133+, ALDH+, CD44+ и онкофетальный белок 5T4+.

Метастазы

Метастазирование является основной причиной летальности опухолей. Однако не каждая опухолевая клетка способна к метастазированию. Этот потенциал зависит от факторов, определяющих рост, ангиогенез, инвазию и другие фундаментальные процессы.

Эпителиально-мезенхимальный переход

В эпителиальных опухолях эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМТ) считается ключевым событием. ЭМТ и обратный переход от мезенхимального к эпителиальному фенотипу (МЭТ) вовлечены в эмбриональное развитие, которое включает нарушение гомеостаза эпителиальных клеток и приобретение миграционного мезенхимального фенотипа. ЭМТ, по-видимому, контролируется каноническими путями, такими как WNT и трансформирующий фактор роста β. Важной характеристикой ЭМТ является потеря мембранного E-кадхерина в адгерентных соединениях, где β-катенин может играть значительную роль. Транслокация β-катенина из адгерентных соединений в ядро может приводить к потере E-кадхерина и, как следствие, к ЭМТ. Ядерный β-катенин, по-видимому, способен непосредственно транскрипционно активировать гены-мишени, связанные с ЭМТ, такие как репрессор гена E-кадхерина SLUG (также известный как SNAI2). Механические свойства микроокружения опухоли, такие как гипоксия, могут способствовать выживанию раковых стволовых клеток (РСК) и метастатическому потенциалу посредством стабилизации индуцируемых гипоксией факторов через взаимодействие с ROS (реактивными формами кислорода). Опухолевые клетки, подвергающиеся ЭМТ, могут быть предшественниками метастатических раковых клеток или даже метастатических РСК. Более того, ингибирование рецептора CXCR4 снижает метастатический потенциал, не изменяя опухолегенную способность. Эпителиально-мезенхимальный переход требует железа, которое поглощается клетками посредством CD44. Полученные мезенхимальные клетки обладают свойствами раковых стволовых клеток.

Двухфазная модель выражения

В раке молочной железы CD44+CD24−/low клетки обнаруживаются в метастатических плевральных выпотах. Возможно, что клетки CD44+CD24−/low первично метастазируют, а затем в новом месте изменяют свой фенотип и подвергаются ограниченной дифференцировке. Гипотеза двухфазного паттерна экспрессии предполагает существование двух форм раковых стволовых клеток: стационарных (SCS) и мобильных (MCS). SCS внедрены в ткань и сохраняются в дифференцированных областях на протяжении всего прогрессирования опухоли. MCS локализуются на границе между опухолью и организмом-хозяином. Эти клетки, по-видимому, происходят из SCS посредством приобретения временной EMT (рисунок 7).

Последствия

Канцерогенные стволовые клетки имеют значение для терапии рака, включая выявление заболевания, определение селективных мишеней для лекарственных препаратов, предотвращение метастазирования и разработку стратегий вмешательства.

Лечение

ЦСК по своей природе более устойчивы к химиотерапевтическим препаратам. Существует 5 основных факторов, способствующих этому: 1. Их ниша защищает их от контакта с высокими концентрациями противораковых лекарств. 2. Они экспрессируют различные трансмембранные белки, такие как MDR1 и BCRP, которые выводят лекарства из цитоплазмы. 3. Они делятся медленно, как и взрослые стволовые клетки, и поэтому не погибают под воздействием химиотерапевтических агентов, нацеленных на быстро делящиеся клетки посредством повреждения ДНК или ингибирования митоза. 4. Они повышают экспрессию белков, участвующих в восстановлении повреждений ДНК. 5. Они характеризуются чрезмерной активацией антиапоптотических сигнальных путей. После химиотерапии выжившие ЦСК способны репопулировать опухоль и вызывать рецидив. Для предотвращения этого необходимо использовать дополнительное лечение, направленное на уничтожение ЦСК в дополнение к раковым соматическим клеткам.

Целевая ориентация

Выборочное воздействие на раковые стволовые клетки (РСК) может позволить лечить агрессивные, неоперабельные опухоли, а также предотвратить метастазирование и рецидив. Гипотеза предполагает, что после элиминации РСК рак может регрессировать за счет дифференцировки и/или гибели клеток. Неясно, какая доля опухолевых клеток представлена РСК и, следовательно, нуждается в элиминации. В 2009 году ученые идентифицировали соединение салиномицин, которое избирательно снижает долю РСК молочной железы у мышей более чем в 100 раз по сравнению с паклитакселом, широко используемым химиотерапевтическим препаратом. Позже, в 2017 году, было показано, что салиномицин убивает РСК, секвестрируя железо в лизосомах и используя их уязвимость к ферроптозу. Некоторые типы раковых клеток могут выживать при лечении салиномицином посредством аутофагии, при которой клетки используют кислотные органеллы, такие как лизосомы, для деградации и переработки определенных типов белков. Использование ингибиторов аутофагии может уничтожить РСК, выживающие благодаря аутофагии. Клеточный поверхностный рецептор интерлейкина-3 альфа (CD123) сверхэкспрессируется на CD34+CD38+ лейкемических стволовых клетках (ЛСК) при остром миелоидном лейкозе (ОМЛ), но не на нормальных CD34+CD38+ клетках костного мозга. Лечение мышей с трансплантированной ОМЛ NOD/SCID специфическим моноклональным антителом к CD123 нарушило миграцию ЛСК в костный мозг и снизило общую репопуляцию клеток ОМЛ, включая долю ЛСК у вторичных реципиентов. В исследовании 2015 года наночастицы, содержащие miR-34a и бикарбонат аммония, доставлялись к РСК простаты в модели мыши. Затем область облучалась лазером ближнего инфракрасного диапазона. Это приводило к увеличению наночастиц в размерах в три раза или более, что вызывало разрыв эндосом и высвобождение РНК в клетку. miR-34a способен снижать уровни CD44. В 2017 году было продемонстрировано, что РСК содержат больше железа, и это является их ахиллесовой пятой. Воздействие на железо, особенно путем его секвестрации в лизосомах, может избирательно уничтожать эту популяцию клеток. Исследование 2018 года идентифицировало ингибиторы семейства ферментов ALDH1A и показало, что они могут избирательно истощать предполагаемые РСК в нескольких клеточных линиях рака яичников. Новый ингибитор малых молекул, названный соединением 974, специфически нацелен на РСК и ингибирует пути и гены РСК. Этот ингибитор также снижал частоту РСК у мышей. В этом исследовании 2022 года также была выявлена новая связь между ALDH1A1 и клеточным старением. Блокирование старения с помощью соединения 974 ингибировало стволовые свойства раковых клеток яичников.

Пути

Разработка новых лекарственных препаратов для воздействия на раковые стволовые клетки (РСК) требует понимания клеточных механизмов, регулирующих пролиферацию клеток. Первые успехи в этой области были достигнуты при изучении гематопоэтических стволовых клеток (ГСК) и их трансформированных аналогов при лейкемии – заболевания, происхождение РСК в котором изучено лучше всего. Стволовые клетки многих органов используют те же клеточные пути, что и ГСК, полученные из лейкемических клеток. Нормальная стволовая клетка может трансформироваться в РСК в результате нарушения регуляции путей пролиферации и дифференцировки, контролирующих ее, или путем индуцирования активности онкопротеина.

ИМТ-1

Транскрипционный репрессор группы Polycomb Bmi 1 был впервые обнаружен как общий онкоген, активируемый при лимфомах, а позднее было показано, что он регулирует гемопоэтические стволовые клетки (HSC). Роль Bmi 1 была продемонстрирована на нейронных стволовых клетках. Данный путь, по-видимому, активен в раковых стволовых клетках (CSC) детских опухолей головного мозга.

Зарез

Путь Notch играет роль в контроле пролиферации стволовых клеток для нескольких типов клеток, включая гематопоэтические, нейронные и стволовые клетки молочной железы. Компоненты этого пути были предложены в качестве онкогенов при раке молочной железы и других опухолях. Ветвь сигнального пути Notch, включающая транскрипционный фактор Hes3, регулирует ряд культивируемых клеток, обладающих характеристиками раковых стволовых клеток, полученных от пациентов с глиобластомой.

Соник-ежик и Wnt

Эти пути развития являются регуляторами СК. Оба пути Sonic hedgehog (SHH) и Wnt обычно гиперактивированы в опухолях и необходимы для поддержания роста опухоли. Однако, факторы транскрипции Gli, регулируемые SHH, получили свое название от глиом, где они высоко экспрессируются. Между этими двумя путями существует определенная перекрестная регуляция, и они часто активируются совместно. В то же время, при раке толстой кишки сигнализация hedgehog, по-видимому, оказывает антагонистическое действие на Wnt. Доступны блокаторы Sonic hedgehog, такие как циклопамин. Циклопамин, растворимый в воде, может быть более эффективным в лечении рака. DMAPT, водорастворимое производное партенолида, индуцирует окислительный стресс и ингибирует сигнализацию NF κB при AML (лейкемии) и, возможно, при миеломе и раке предстательной железы. Теломераза является объектом изучения в физиологии ЦСК. Недавно начались клинические испытания GRN163L (Imetelstat) для воздействия на стволовые клетки миеломы. Сигнализация Wnt может стать независимой от обычных стимулов из-за мутаций в дочерних онкогенах и генах-супрессорах опухолей, которые становятся постоянно активированными, даже если нормальный рецептор не получил сигнал. β-катенин связывается с факторами транскрипции, такими как белок TCF4, и в комбинации эти молекулы активируют необходимые гены. LF3 сильно ингибирует это связывание in vitro, в клеточных линиях, и снижает рост опухоли в моделях на мышах. Он предотвращал репликацию и снижал их способность к миграции, не оказывая влияния на здоровые клетки. После лечения не осталось раковых стволовых клеток. Это открытие стало результатом "рациональной разработки лекарств" с использованием технологий AlphaScreens и ELISA.