В центре внимания раковые стволовые клетки
Кандидат биологических наук Илья Щеглов.
Модель раковых стволовых клеток (РСК) подразумевает, что любое злокачественное новообразование (неоплазия) развивается из одной клетки. В результате неких событий генетический аппарат некогда нормальной клетки трансформируется настолько, что происходит её перерождение в инициирующую раковую клетку. В результате последующей пролиферации (деления) этой клетки формируется злокачественная опухоль. Согласно концепции РСК, эта опухоль устроена иерархически, то есть разные типы раковых клеток обладают разной способностью к делению.
Раковые стволовые клетки составляют лишь небольшую популяцию опухолевых клеток. Однако, будучи истинно стволовыми клетками, они (и только они) способны к неограниченному числу делений и постоянному самовоспроизведению. Число делений остальных клеток, если они способны к пролиферации (то есть формально обладают неким стволовым потенциалом), строго ограничено.
В основе процесса самовоспроизведения РСК лежит так называемый асимметричный тип деления стволовых клеток, который заключается в том, что родительская стволовая клетка даёт начало двум клеткам. Одна из них — с такими же стволовыми свойствами, что и материнская, другая же способна к ограниченному числу делений и поэтому называется частично дифференцированной, временно пролиферирующей раковой клеткой. Конечные потомки таких клеток — раковые клетки, не способные к делению. Их называют терминально дифференцированными. Соответственно иерархия опухолевой ткани выглядит так: раковые стволовые клетки → временно пролиферирующие раковые клетки → терминально дифференцированные раковые клетки. Два последних типа клеток образуют при этом основную массу опухоли.
Точно такая же иерархия имеет место и в нормальных тканях, стволовые клетки которых, способные к самовоспроизведению и поддержанию собственной популяции, также дают начало ограниченно пролиферирующим клеткам — предшественникам зрелых клеток. Эти зрелые тканевые клетки не способны к делению вовсе и погибают через какое-то время после выполнения свойственных им функций.
Итак, согласно модели раковых стволовых клеток, не все опухолевые клетки обладают равной способностью к делению и самовоспроизведению. И несмотря на то что основная масса опухоли состоит из злокачественных клеток той или иной степени дифференцировки, её рост и развитие определяются небольшой по численности, но наивысшей в иерархии популяцией раковых стволовых клеток.
Упреждая аргументы критиков РСК-модели, следует отметить, что некоторые злокачественные новообразования не вписываются в эту модель, а, скорее, соответствуют модели клональной эволюции. Есть виды неоплазий, при которых могут встречаться разные популяции раковых стволовых клеток, имеющих разные хромосомные нарушения. Хрестоматийные примеры таких новообразований — хроническая миелоидная лейкемия и колоректальный рак. В этих случаях РСК-модель не может полностью описать развитие опухоли, так как в соответствии с ней все клетки опухоли — потомки одной инициирующей РСК. Здесь же возможна либо инициация опухоли сразу из нескольких злокачественных стволовых клеток, формирующих несколько генетически различающихся клонов, либо эволюция одного клона из другого за счёт последовательного накопления генетических нарушений. Разные клоны могут обладать разной злокачественностью и соответственно могут конкурировать за ресурсы. Иными словами, будет проходить эволюция опухолевых клонов.
Некоторые новообразования, отличающиеся экстремальной злокачественностью, также больше соответствуют модели клональной эволюции, нежели иерархической модели РСК. К ним относятся, например, различные злокачественные меланомы, при которых доля активно делящихся раковых клеток составляет чуть ли не более половины опухолевой массы. При этом в пределах одной опухоли сосуществуют РСК с различными фенотипами, которые при различных воздействиях на опухоль могут легко превращаться один в другой. Очевидно, что и для этих случаев РСК-модель не вполне подходит.
Однако, как можно заметить, в современной интерпретации модели клональной эволюции центральная роль инициирующих раковых стволовых клеток в запуске развития злокачественного новообразования ни в коей мере не оспаривается. Дискуссии продолжаются лишь относительно тех или иных сценариев развития опухоли*. А коли так, мы со спокойной совестью можем говорить о раковых стволовых клетках.
К первым работам, коснувшимся темы раковых стволовых клеток, можно отнести исследования Рудольфа Вирхова (Rudolf Virchow) полуторавековой давности. Вирхов занимался изучением особого вида злокачественных опухолей — тератокарцином. Эта форма новообразований отличается удивительной морфологией. Наряду со слабо дифференцированными, активно делящимися клетками в ней могут присутствовать дифференцированные клетки самых разных тканей (костной, мышечной, жировой, эпителиальной и прочих типов, включая волосы и ткани плаценты). В 1862 году Вирхов обнаружил, что данный тип рака развивается из эмбриональных клеток. Это дало начало теории «зародышевого остатка», постулировавшей развитие раковых заболеваний из клеток, соответствующих ранним этапам развития эмбриона, которые каким-то образом «сохранились» и вновь активировались во взрослом состоянии.
Более полувека спустя, в 1930-х годах, теория зародышевого остатка получила новый импульс. Гистологические наблюдения одной из опухолей мозга — медуллобластомы — показали, что её клетки морфологически очень напоминают клетки эмбрионального мозжечка, на основании чего было выдвинуто предположение, что эта форма опухолей мозга развивается из зародышевого остатка, состоящего из медуллобластов, утративших способность к дифференцировке.
Очередной значительный шаг на пути к концепции раковых стволовых клеток сделан в середине прошлого века. Исследования различных миелопролиферативных заболеваний (особой группы злокачественных новообразований, развившихся из клеток крови**) показали, что в развитие данной группы заболеваний могут быть вовлечены все ветви гемопоэза, за исключением лимфоидных ростков. Это послужило основанием для предположения, что все указанные патологии связаны со злокачественным перерождением клеток — предшественников всех остальных клеток миелоидного ряда, теперь известных как миелоидные cтволовые клетки.
А уже в 1960 году Питер Ноуэл (Peter Nowell) и Дэвид Хангерфорд (David Hungerford) открыли уникальную взаимосвязь так называемой филадельфийской хромосомы с одним из миелопролиферативных заболеваний — хронической миелоидной лейкемией. Филадельфийская хромосома — следствие хромосомной аномалии, которая приводит к образованию мутантного белка BCR-ABL1. К несчастью, этот мутантный белок сохраняет способность одного из своих родительских белков (ABL) к передаче пролиферативного (стимулирующего деление клетки) сигнала внутрь клетки. Более того, он передаёт сигналы гораздо интенсивнее и при этом делится вне зависимости от внешних сигналов. В результате клетки, несущие такую мутацию, начинают быстро и неконтролируемо делиться. В дальнейшем наличие филадельфийской хромосомы при этом заболевании было подтверждено во всех клетках, не относящихся к лимфоидному ряду, на основании чего выдвинули гипотезу о происхождении всех клонов лейкемических клеток от одного предшественника.
В 80-х годах прошлого века появилась стохастическая теория канцерогенеза, давшая начало упомянутой выше модели клональной эволюции опухоли. Стохастическая теория сочетала в себе эволюционную и мутационную теории старения (смерти) многоклеточных организмов. Основной её постулат состоит в том, что стохастическое «подпороговое» (то есть не приводящее к проявлению злокачественности) течение канцерогенных процессов происходит одновременно во многих клетках многоклеточного организма. Суть этих канцерогенных процессов заключается в последовательном накоплении соматических мутаций, то есть мутаций, происходящих в соматических (неполовых) клетках организма, не передающихся по наследству. При случайном стечении обстоятельств, когда эти процессы достигают «порогового» развития (имеют место нарушения в системе репарации ДНК и иммунной защите, а само число мутаций становится критическим), происходит злокачественное перерождение клетки. Скорость деления таких клеток существенно больше, чем у нормальных, что приводит к дальнейшему «лавинообразному» накоплению мутаций, поскольку система репликации (удвоения ДНК) допускает всё больше ошибок. В какой-то момент роста опухоли потомки «родительской» злокачественной клетки начинают различаться числом и качеством накопленных мутаций, что приводит к различиям в их скорости деления, отражающей степень их злокачественности. То есть в терминах эволюционной теории потомки одних раковых клеток будут иметь конкурентное преимущество перед клонами других клеток и в конце концов начнут численно превалировать в опухоли. В результате последующего накопления мутаций на базе «наиболее успешного клона» могут возникнуть ещё более злокачественные клетки, которые, в свою очередь, также займут «лидирующие позиции». Иными словами, будет иметь место клональная эволюция раковых клеток.
Как видно, модель клональной эволюции подразумевает, что одни раковые клоны отличаются большей злокачественностью, другие — меньшей, но в целом все они обладают сопоставимой способностью к делению. И в этом заключается принципиальное отличие стохастической теории канцерогенеза от иерархической теории, которая базируется на модели раковых стволовых клеток.
Основной причиной для критики стохастической теории канцерогенеза и модели клональной эволюции послужило открытое позднее несоответствие их наблюдаемым особенностям метастазирования опухолей. Новые методы исследования позволили обнаружить, что к образованию микрометастазов способно не более 10% циркулирующих в крово- и лимфотоке раковых клеток из первичной опухоли. И лишь доли процента из них образуют «полноценные» вторичные опухоли, снабжённые сосудистой сетью. Стало очевидным, что сопоставимой способностью к делению и инициации опухоли способна лишь малая часть раковых клеток, обладающих стволовыми характеристиками.
Тем не менее, как уже было упомянуто выше, модель клональной эволюции до сих пор не потеряла своей актуальности, поскольку в несколько большей степени, нежели модель РСК, объясняет развитие нескольких типов новообразований.
Долгое время концепция РСК находилась на вторых ролях. Однако в 1997 году Доминик Бонне (Dominique Bonnet, London Research Institute) и Джон Дик (John Dick, Toronto General Research Institute) продемонстрировали, что единичные лейкемические стволовые клетки, взятые у пациентов с острой миелоидной лейкемией, при трансплантации мышам дают начало полному спектру клеток с различными злокачественными фенотипами, наблюдаемыми при этом заболевании у человека. После этой работы число исследований, посвящённых РСК, стало лавинообразно нарастать.
В начале 2000-х годов раковые стволовые клетки были идентифицированы и в солидных опухолях (при одной из форм рака молочной железы). На сегодняшний день РСК описаны для абсолютного большинства форм онкологических заболеваний, и с этими клетками связывают все основные клинические проблемы в онкологии.
Поскольку любое новообразование может развиться только из активно делящейся клетки, наиболее подходящие кандидаты для злокачественной трансформации — нормальные тканевые стволовые клетки (дающие начало полностью дифференцированным клеткам, выполняющим свои узкоспецифические задачи в том или ином типе тканей), так как они обладают длительным сроком жизни и высокой скоростью деления. В соответствии с этим концепция РСК подразумевает, что инициирующее событие в канцерогенезе — злокачественное перерождение нормальных тканевых стволовых клеток***, которые становятся инициирующими РСК.
Однако в последнее время стало очевидным, что самовоспроизведение инициирующих РСК не единственный «источник» раковых стволовых клеток в опухоли. По мере развития (и в особенности под воздействием различных средств терапии) в первичной опухоли происходит генерация «вторичных» РСК из терминально или частично дифференцированных клеток. Скорее всего, именно такие РСК и участвуют в метастазировании. В некоторых работах указывается на то, что «вторичные» РСК могут отличаться по ряду фенотипических особенностей от «первичных» инициирующих РСК. Но принципиальная суть этих различий пока остаётся загадкой.
Здесь мы вплотную подошли к ещё одной концептуальной проблеме онкологии — гетерогенности опухоли. Дело в том, что новые высокоэффективные противоопухолевые лекарственные препараты, в отличие от классической цитотоксической химиотерапии, имеют таргетную (от англ. target — цель) природу. То есть они специфически «нацелены» на строго определённые белковые молекулы, которые, как ранее было установлено, играют важную роль в функционировании опухолевых клеток. Фенотипическая же гетерогенность опухолевых клеток приводит к тому, что определённые белки-мишени экспрессируются не во всех клетках опухоли. Соответственно та часть клеток, где эти белки не экспрессируются, останется нетронутой противоопухолевым препаратом.
Исследования последних лет показали, что опухолевая гетерогенность может быть весьма впечатляющей. Первый уровень гетерогенности заключается в описанной выше пролиферативной иерархии раковых клеток (РСК → временно пролиферирующие частично дифференцированные раковые клетки → неделящиеся полностью дифференцированные раковые клетки). Второй уровень гетерогенности заключается в том, что, как уже упоминалось, часть дифференцированных клеток меняет свой фенотип и «переходит» во вторичные РСК, фенотипически отличающиеся от первичных. Соответственно метастазы, формируемые этими клетками, тоже будут фенотипически отличаться от первичных опухолей. Наконец, ещё один источник гетерогенности — возможность сосуществования в одной опухоли нескольких пулов инициирующих РСК, сформированных в результате независимого злокачественного перерождения двух разных нормальных клеток или «эволюционировавших» одна в другую. Ситуация усугубляется ещё и лабильностью фенотипов РСК (способностью к быстрой смене одного фенотипа на другой). То есть случайно или в результате какого-либо терапевтического воздействия разные пулы РСК могут менять свой фенотип и «переходить» друг в друга.
Очевидно, что опухолевая гетерогенность представляет собой серьёзнейшую проблему. Уже сейчас ни для кого не секрет, что современные препараты годятся не для всех пациентов, в связи с чем персонифицированный подход, при котором лечение подбирается в зависимости от молекулярно-генетических особенностей конкретного пациента, становится новым трендом в медицине. В контексте же опухолевой гетерогенности, как замечают с иронией некоторые специалисты, «персонифицированность» должна теперь сводиться не к отдельно взятому пациенту, а к отдельной клетке (single-cell medicine).
Ещё одна неприятная особенность раковых стволовых клеток — их чрезвычайная устойчивость ко всем известным видам лечения. Какой бы вид противоопухолевой терапии ни применялся (радио-, химио-, иммунотерапия, таргетная), РСК будут погибать последними, когда все дифференцированные раковые клетки уже успешно побеждены.
Известно несколько механизмов терапевтической устойчивости РСК. Во-первых, РСК характеризуются повышенной экспрессией транспортных белков семейства ABC (ATP-binding cassette). Это эволюционно консервативные белки, присутствующие у всех организмов — от бактерий до человека. В норме они локализуются преимущественно в плазматической мембране клеток и отвечают за транспорт полезных веществ (например, витаминов) в клетку и выведение из неё вредных токсинов и ксенобиотиков. В РСК эти белки экспрессируются на особенно высоком уровне и отвечают за выведение из них различных химиотерапевтических препаратов.
Во-вторых, РСК, как никакие другие клетки, отличаются обилием фермента альдегид-дегидрогеназы (ALDH). В норме функция этого белка — окисление токсичных для организма альдегидов до карбоновых кислот. В РСК же он отвечает за инактивацию многих химиотерапевтических препаратов.
В-третьих, РСК отличаются экстремальной устойчивостью к апоптозу — особой молекулярной программе запуска «самоубийства» клетки в ответ на различные повреждающие воздействия. В раковых стволовых клетках эта программа практически заглушена. Именно поэтому после, например, тяжёлого ионизирующего облучения РСК не погибают. Вместо этого они активизируют восстановление повреждений ДНК и через какое-то время вновь приобретают способность к делению. Но поскольку повреждения ДНК «залатываются» экстренно, этот процесс сопровождается новыми мутациями и РСК становятся ещё злокачественнее. Более того, как было показано совсем недавно, даже в тех случаях, когда удаётся добиться апоптоза РСК, эти клетки, при определённых условиях, способны к обратной «самосборке» после их разрушения с полным восстановлением функций и усилением злокачественности.
Это основные, но далеко не все механизмы устойчивости РСК. В тех же случаях, когда системы резистентности РСК к терапии дают сбой, раковые стволовые клетки впадают в дормантность (состояние покоя), в которой они могут пребывать несколько десятилетий, после чего активируются и обусловливают скоротечный фатальный рецидив. Дормантные РСК отличаются очень низким уровнем метаболизма, экстремальной устойчивостью к повреждающим воздействиям и практически не экспрессируют поверхностные белки, которые могли бы послужить мишенями для создания таргетных препаратов. На сегодняшний день дормантные РСК представляют собой наибольшую трудность для лечения. Однако надежда на успех есть. Во-первых, испытываются и неплохо себя проявляют различные сложные комбинации уже существующих таргетных препаратов. Во-вторых, удалось вплотную приблизиться к получению препаратов, воздействующих на процессы, лежащие в основе образования вторичных метастатических РСК. В-третьих, обнаружены белки, отвечающие за дормантность РСК и обеспечение их жизнеспособности в состоянии покоя. Наконец, разрабатываются препараты, способствующие выходу РСК из дормантности, что делает их более чувствительными к существующим формам терапии.
Cловарик к статье
Клеточная дифференцировка — процесс клеточной дифференцировки заключается в так называемом созревании стволовой клетки-предшественника в клетку со строго определённым фенотипом (например, кардиомиоцит или пирамидный нейрон), называемую дифференцированной.
Пролиферация (от лат. proles — отпрыск, потомство и fero — несу) — разрастание ткани организма путём размножения клеток делением.
Репарация ДНК — внутриклеточная молекулярная система восстановления исходной последовательности ДНК после её повреждений.
Стохастический (от греч. στοχαστικός — умеющий угадывать) означает неопределённость, случайность чего-либо.
Фенотип (от греческого слова phainotip — являю, обнаруживаю) — совокупность характеристик, присущих индивиду на определённой стадии развития (особенности строения и жизнедеятельности).
Комментарии к статье
* Большинство ведущих специалистов сегодня склоняются к мнению, что универсального сценария развития опухоли не существует. Возможна реализация обеих моделей.
** В просторечии — «рак крови». Терминологически — это грубая ошибка.
*** Само злокачественное перерождение может быть результатом одного или нескольких канцерогенных событий (например, мутаций, но не только их).
Читайте в любое время
