Кровоносні судини і рак

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 68

Ендотеліальні клітини вистилають внутрішню поверхню кровоносних судин. Вони жорстко пов’язані між собою і з оболонкою судини, яка служить їм підкладкою

У 1628 році англійський лікар Вільям Гарвей відкрив кровообіг, а через деякий час, 1661 року, італійський медик Марчелло Мальпігі — найдрібніші судини, капіляри, що з «єднують артерії та вени у тварин і людини. Сьогодні наука про серцево-судинну систему, її функції, захворювання — одна з ключових у медицині, проте лише нещодавно, наприкінці ХХ століття, вченим спало на думку, що кровоносні судини відіграють важливу роль і в пухлинному зростанні. Тепер вже ніхто з медиків не сумнівається, що ракова пухлина не може рости без нових судин, які постійно утворюються навколо неї.

Протягом життя в організмі дорослої здорової людини нові кровоносні судини і капіляри зазвичай не утворюються. Але після забиття, порізу, інсульту, поранення і будь-якого іншого руйнівного впливу необхідно відновити кровопостачання пошкоджених тканин. Ось тоді в організмі і «запускається» природний процес формування нових судин, званий ангіогенезом. Під час ангіогенезу ендотеліальні клітини, з яких складаються внутрішні стінки судин, починають інтенсивно розмножуватися, і нові каппіляри проростають в пошкоджені тканини. В організмі жінки кровоносні судини утворюються ще й під час місячного репродуктивного циклу і при вагітності.

Американський хірург Джуда Фолкман більше 30 років тому вперше висловив гіпотезу про те, що якщо яким-небудь способом припинити зростання судин, що живлять пухлину, то її подальший розвиток і метастазування припиняться

Хоча post factum багато що є зрозумілим, але минуло чимало років, перш ніж медики здогадалися, що для інтенсивного розмноження пухлинних клітин потрібні кисень і поживні речовини, тому швидкозростаюча злоякісна пухлина вимагає крові більше, ніж, скажімо, липома, доброякісна пухлина з жирової тканини. А значить, у міру розвитку ракова пухлина повинна проростати новими кровоносними судинами.

У 1971 році з’явилася стаття американського хірурга Джуди Фолкмана, в якій вперше було висловлено припущення, що зростання пухлин, що перевищують у діаметрі кілька міліметрів, можливе тільки в разі формування і проростання в них дрібних капілярів. У 1982 році американські вчені Ваупель, Калліновскі і Окунієфф показали, що у всіх злоякісних пухлинах дійсно йде інтенсивне новоутворення судин. Вірно і зворотне — якщо утворення нових судин припиняється, то подальше зростання пухлини стає неможливим.

Відкриття Фолкмана послужило початком цілої низки наукових досягнень, в результаті яких на світ з’явилася струнка теорія ангіогенезу. Згідно з нею, утворення судин у раковій пухлині, так само як і в будь-якій пошкодженій тканині, протікає в кілька стадій. Що спонукує організм створювати нові капіляри?

Активатори зростання нових судин

Фактор зростання ендотелію судин (ФРЕС) синтезується в раковій пухлині, що зростає. На поверхні ендотеліальних клітин, які вистилають кровоносні судини, ФРЕС взаємодіє з рецепторами. Сигнал з рецептора за допомогою ланцюга біохімічних реакцій передається всередину клітини на клітинне ядро, активуючи гени, що відповідають за вироблення білків — стимуляторів зростання нових судин

Виявляється, деякі тканини організму, та й самі швидкозростаючі пухлинні клітини, виробляють білкові молекули, що стимулюють проростання кровоносних капілярів. Такі молекули називають факторами росту. Найважливіший з них — фактор зростання ендотелію судин (ФРЕС), більш відомий під англійською назвою «vascular endothelial growth factor (VEGF)», — виділив у 1989 році французький медик Наполеон Феррара. Сьогодні фахівцям відома структура гена, що відповідає за синтез цієї речовини, а концентрація ФРЕС в пухлині служить діагностичним показником швидкості її зростання (злоякісності). За минулі з тих пір майже два десятки років вчені відкрили безліч (близько 20) сигнальних молекул, що стимулюють утворення нових судин.

Молекули факторів зростання, в тому числі і ФРЕС, зв’язуються на поверхні ендотеліальних клітин, що становлять внутрішню оболонку судин, зі спеціальними білковими структурами — рецепторами. Рецептори проявляються під впливом речовин, які виробляє злоякісна пухлина. На нормальних клітинах ендотелію в здоровому організмі таких рецепторів немає. Як тільки молекула ФРЕС зв’язалася з рецептором, ініціюється цілий каскад біохімічних подій: клітини ендотелію починають інтенсивно ділитися і «запускають» синтез ферментів — металопротеаз, які розщеплюють обволокуючий ендотелій позаклітинний матрикс і оболонку судин. В «дірки» ендотеліальні клітини, що утворилися, виходять назовні і мігрують у напрямку до пухлини.

Активовані ФРЕС ендотеліальні клітини виробляють спеціальні ферменти — металопротеінази, що розщеплюють матрикс оболонки судини, «зроблений» з білків і полісахаридів. В результаті ендотеліальні клітини отримують можливість мігрувати і ділитися

Ферменти — металопротеази, що перетравлюють білки, як би «розплавляють» тканини перед проростаючими судинами, допомагаючи їм просуватися до мети. Як тільки кровоносний капіляр остаточно сформувався, активність протеаз падає і тканина навколо нової судини знову «затвердіває». Особливість металопротеаз полягає в тому, що в їх активному центрі знаходиться атом цинку. Ці пухлинні ферменти відрізняються від більшості інших природних ферментів, що розщеплюють білки, наприклад шлункового пепсину або трипсину підшлункової залози. Таким чином, ФРЕС та інші фактори зростання, взаємодіючи з рецепторами, стимулюють не тільки зростання, але і формування і просування капілярів в глиб пухлини.

Фактори зростання абсолютно необхідні здоровому організму для відновлення кровотоку при різних ушкодженнях, але їх надлишок може стати фатальним для онкологічного хворого. Підвищення синтезу ФРЕС стимулює метастазування пухлин — під впливом цієї речовини ракові клітини виходять у кров’яне русло і поширюються по всьому організму. З іншого боку, ФРЕС відіграє і позитивну роль — судини, що проростають в пухлині, формують у ній своєрідний м’який скелет, який утримує клітини на місці, не даючи їм метастазувати.

До речі, при нестачі кисню вироблення ФРЕС та інших факторів зростання посилюється — адже організму потрібно скомпенсувати гіпоксію збільшенням кровотоку. Звідси можна зробити висновок про збільшення ризику онкологічних захворювань при зниженні концентрації кисню в повітрі через знищення зелених насаджень, забруднення навколишнього середовища тощо. Також доведено, що молекули, що виробляються в організмі людини при стресі, одночасно стимулюють синтез ФРЕС. Цей факт наводить на думки про згубну роль нервової напруги у виникненні ракових пухлин.

Речовини, що перешкоджають росту нових судин

На щастя, крім молекул, що сприяють проростанню пухлини судинами, в організмі синтезуються і власні фактори, що перешкоджають зростанню судин (інгібітори). У здоровому організмі існує баланс між активаторами та інгібіторами зростання нових кровоносних судин. При багатьох серйозних захворюваннях організм ніби втрачає контроль над підтримкою цієї рівноваги. Зміщення рівноваги в бік надлишкового формування нових судин відбувається при онкологічних захворюваннях, діабеті, ревматоїдному артриті тощо. При таких небезпечних недугах, як захворювання коронарних артерій, інсульт, навпаки, швидкість зростання нових судин явно нижче норми.

Процес ангіогенезу починається з руйнування судинної оболонки ферментами — протеазами, які під дією молекул фактора зростання ендотелію судин (ФРЕС) виробляють активовані клітини ендотелію. Після цього клітини можуть ділитися і мігрувати у напрямку до пухлини

Першою відомою природною речовиною, що гальмує зростання нових судин, став глікопротеїн тромбоспондин, що виробляється різними клітинами, в тому числі і клітинами стінок кровоносних судин. Тромбоспондин гальмує розмноження і прикріплюваність ендотеліальних клітин, стримуючи таким шляхом зростання капілярів.

Клініцистам-онкологам давно відомо, що первинна пухлина стримує зростання метастазів. Ефективне придушення або хірургічне видалення первинної пухлини веде до бурхливого зростання пухлин вторинних. Причина цього явища залишалася невідомою, поки першовідкривач ролі ангіогенезу в пухлинному зростанні Фолкман не висловив припущення, що первинна пухлина виділяє якусь речовину, що стримує проростання судин у своїх «дітках», не даючи метастазам рости. Гіпотеза блискуче підтвердилася. У 1994 році американець Майкл О’Рейлі виділив з сечі мишей з щепленою карциномою речовину, яка пригнічувала ріст капілярів. Воно являє собою фрагмент молекули білка плазміногена, що міститься в крові. З «єднання назвали» ангіостатином «(який стабілізує посудини). Виявилося, що при видаленні первинної пухлини фактор, що стримує зростання метастазів, зникає. У результаті вторинні пухлини починають швидко проростати новими судинами і розвиватися. Механізм дії ангіостатину в даний час інтенсивно вивчається.

У 1997 році той же О’Рейлі при дослідженні культури клітин злоякісної пухлини гемангіоендотеліоми виділив ще один потужний блокатор формування кровоносних судин — ендостатін. Ця речовина є частиною молекули поліпептида колагену. Ендостатін активує програмовану загибель ендотеліальних клітин і, ймовірно, гальмує процес їх активації, розмноження та міграції.

Крім тромбоспондину, ангіостатину та ендостатину в органах і тканинах тварин дослідники виявили безліч речовин, які пригнічують ріст капілярів. До таких речовин належать деякі гормони, фрагменти гепарину та ін. З відомих природних інгібіторів можна назвати інтерферони, які, до речі, борються і з вірусами. Однак як названі речовини, так і багато інших властивих організму продукти обміну речовин володіють багатофункціональною дією і через побічні ефекти не можуть бути використані в якості лікарських препаратів. Проте інтерес вчених до цієї групи з’єднань не слабшає.

«Судинний» підхід до лікування раку

В даний час вчені перевіряють можливість застосування різних блокаторів ангіогенезу в лікуванні раку. Блокатори (ангіостатики) підрозділюються на різні категорії залежно від механізму їх дії

Довгий час протиракова терапія була спрямована лише на придушення зростання пухлинних клітин і посилення імунної відповіді. Зараз вже ясно, що без формування нових судин не може бути зростання злоякісних пухлин. Позбавлені можливості стимулювати утворення нових капілярів, первинні та метастатичні пухлини перестають рости. Тому з «явився новий клас ангіостатиків, тобто ліків, які гальмують проростання нових кровоносних судин. Такі сполуки дуже перспективні для боротьби зі злоякісними пухлинами на будь-якій стадії їх розвитку. Більш того, існуючі зараз препарати ефективні по відношенню до певних пухлин, а блокатори зростання судин можуть стати універсальним засобом протиракової терапії, причому тим більш ефективними, чим злоякісніше пухлина.

Природно, що спочатку при пошуку блокаторів ангіогенезу перевагу дослідників було віддано природним речовинам, притаманним організму, оскільки вони, як прийнято вважати, не викликають побічних ефектів. Застосування природного інгібітора ангіостатину у тварин різко пригнічувало зростання таких пухлин, як меланома, гемангіома, карциноми різної локалізації, фібросаркому та ін. Ангіостатін переводить пухлину спочатку в «сонний» стан, а потім активує в ній «клітинне самогубство» — апоптоз. Особливо ефективно застосування ангіостатину в поєднанні з зазвичай використовуваними хіміотерапевтичними засобами. Введення препаратів відразу після операції істотно знижує ризик метастазування.

За протипухлинною активністю інший природний інгібітор — ендостатин — сильніший, ніж ангіостатин. Вже в малих дозах він запобігає метастазування великих пухлин, а у великих — чинить потужну гальмуючу дію на зростання первинних пухлин, таких, як карциноми, саркоми і меланома, викликаючи в деяких випадках їх повну загибель. Очевидно, після розробки методів отримання ангіостатину та ендостатину в промислових масштабах ці препарати отримають широке клінічне застосування, оскільки істотних побічних реакцій при їх використанні навіть у великих дозах поки не виявлено.

Втім, історія фармації знає масу прикладів, коли речовини, народжені в пробірці за образом і подобою природних, виявлялися і більш ефективними, і більш безпечними. Якщо подивитися назад, то неважко переконатися в тому, що біологічна і синтетична хімія завжди жили в тісній співдружності. Не «розтікаючись думкою по древу», вкажу лише на те, що першими протипухлинними засобами були природний алкалоїд колхіцин, виділений з безвременника підсніжного, меркаптопурин — похідне пурина, одного з метаболітів нуклеїнових кислот, і ембіхін — отриманий модифікацією молекули отруйного газу іприту, якого в природі немає, і краще б не було. При створенні нових лікарських препаратів вчені працюють у трьох напрямках: а) отримання нових речовин на основі знання молекулярних процесів, в які потрібно втрутитися; б) створення аналогів природних речовин, що вже зарекомендували себе в клініці; в) скринінг («просіювання через сито») безлічі речовин, які просто завалялися на полиці і начебто повинні діяти. Приклади нових ангіостатиків добре ілюструють цю схему.

На фотографії показано, як природний ангіостатичний препарат фумагіллін запобігає розвитку нових кровоносних судин на препараті тканини курча (Б). А — контрольний зразок

Перший клас речовин, які зараз випробовуються в якості протипухлинних препаратів, — сполуки, що безпосередньо блокують зростання ендотеліальних клітин. До цієї категорії речовин належить вже згаданий природний білок ендостатин. Його синтетичний аналог комбрестатин A4 — хімічна модифікація сполуки, що міститься в деревині південноафриканського дерева Combretum caffrum, — проходить клінічні випробування. Препарат також виявляє здатність придушувати розмноження клітин судин, стимулюючи клітинний апоптоз. В даний час велика увага приділяється створенню речовин, що блокують розмноження вже активованих клітин ендотелію. З них найбільш вдалим за активністю і малою токсичністю є синтетичний препарат TNP-470, що пройшов клінічні випробування при раку нирок, шийки матки і саркомі Капоші.

Продукт метаболізму грибкових мікроорганізмів фумагіллін — один з найбільш сильних блокаторів зростання судин. Його синтетичний аналог TNP-470 став першим ангіостатичним препаратом, що пройшов клінічні випробування

До другої групи препаратів, що гальмують зростання судин, належать природні або синтетичні речовини, які так чи інакше блокують передачу сигналу на рецептори факторів зростання. Як вже було сказано, ФРЕС взаємодіє з ендотеліальними клітинами за допомогою спеціальних білкових структур — рецепторів. Клітини здорового організму до цих речовин — блокаторів рецепторів нечутливі. Клінічні випробування проходять препарати антитіл до ФРЕС, які ефективно блокують рецептори ФРЕС, не даючи молекулі фактора зростання запустити біохімічний каскад, що призводить до проростання нових судин. Вже зрозуміло, що лікарські препарати на основі антитіл уповільнюють пухлинний зріст і продовжують життя пацієнтам. Фактично антитіла до ФРЕС — поки єдині антиангіогенні ліки, що вже з’явилися на світовому фармацевтичному ринку. Вчені також синтезували кілька молекул — аналогів ФРЕС, блокуючих рецептори. Ці речовини тестуються в онкологічних клініках.

На стадії клінічних випробувань знаходиться і сумнозвісний препарат талідомід. Майже півстоліття тому він застосовувався як снодійний, але викликав потворності плоду у вагітних жінок. Як випадково з’ясувалося згодом, це було пов’язано з порушенням утворення необхідних для зростання плоду судин, хоча механізм дії з’єднання так і залишився до кінця не з’ясованим. Талідомід виявився ефективним при лікуванні хворих на мієлому, рак простати і легенів, саркому і гангліобластому.

Класи блокаторів ангіогенезу

До третьої групи речовин, що переважають проростання судин, а отже, і зростання пухлини, відносяться блокатори (інгібітори) активності пухлинних ферментів — металопротеаз, які руйнують позаклітинний матрикс і оболонку судини, даючи клітинам ендотелію можливість мігрувати в бік пухлини. Нещодавно створені речовини, які блокують іони металів, що входять в активний центр ферментів, виводячи ферменти пухлини з ладу і тим позбавляючи її здатності рости. Розробка препаратів такого типу дії — приномастату, маримастату та COL-3 — знаходиться на стадії клінічних випробувань.

Головна перевага нових препаратів порівняно з застосовуваними в даний час полягає в тому, що вони не пригнічують розмноження інших швидкозростаючих клітин, наприклад клітин кишечника і крові, але діють вибірково на пухлини, причому саме злоякісні. Має значення і їх відносна універсальність. Речовини, що переважають зростання судин пухлини, приходять якщо не на зміну, то, у всякому разі, на серйозну допомогу відомим хіміотерапевтичним засобам. На сьогоднішній день вже більше десяти тисяч пацієнтів пройшли курси лікування ангіостатиками. Але, як і раніше, багато питань залишаються без відповіді — яких побічних ефектів можна чекати від антиангіогенної терапії, як довго може тривати курс лікування і чи не знайдуть пухлинні клітини якийсь обхідний шлях, щоб «обплутати себе» кровоносними судинами? Відповідь на них — лише питання часу.