Виявлено несподіваний і неприємний парадокс протиракової терапії

Ріс. 1. Посилене зростання пухлини після виходу ракових клітин зі зістареного стану. Пухлина лімфоми містить клітини і невелику кількість стовбурових клітин (stem cell). Хіміотерапевтичний засіб адріаміцин переводить клітини в стан «старості», в якому вони перестають ділитися, при цьому активується сигнальний шлях Wnt. Тамоксифен регулює експресію необхідних для «зістарювання» генів, а його видалення з культури дозволяє пухлинним клітинам вийти зі зістареного стану. «Ожилі» пухлини містять більше ракових стовбурових клітин і ростуть швидше, ніж до обробки адріаміцином. Якщо при видаленні тамоксифену додати інгібітори Wnt, то вихід зі зістареного стану не супроводжувався прискоренням зростання пухлини або зростанням в ній частки ракових стовбурових клітин. Малюнок з синопсису до обговорюваної статті в Nature

Багато засобів, що застосовуються для терапевтичного лікування раку, переводять клітини пухлини в стан «старості», в якому клітини перестають ділитися. У результаті настає уявне клінічне одужання. Але недавні дослідження несподівано показали, що якщо клітини пухлини з будь-якої причини виходять зі зістареного стану, то вони починають ділитися набагато швидше, ніж зазвичай. Правда, цей процес можна уповільнити інгібіторами сигнального шляху Wnt. Це відкриття повинно мати велике значення для теоретичних і клінічних досліджень терапії раку.

Хірургічне видалення пухлини — в тих випадках, коли це можливо і допустимо за медичними показаннями — досі залишається основною складовою стратегії лікування раку. Пухлину зазвичай видаляють з частиною навколишньої її нормальної тканини. Інші дієві методи лікування раку — променева терапія і введення в пухлини радіоактивних препаратів, що вбивають ракові клітини — можуть застосовуватися для онкологічних захворювань і тоді, коли хірургія неможлива (наприклад, при лімфогранулематозі) або не доцільна. Але всі ці методи не гарантують повного видалення ракових клітин з організму. Наприклад, частина клітин може встигнути відмовитися від пухлини і поширитися по тілу, потім перейти в «сплячий» стан і лише через кілька місяців, а то й років, породити метастази (див.:Вдалося з’ясувати, чому рак може заснути і прокинутися через багато років, «Елементи», 10.06.2016). Для ліквідації клітин, які могли залишитися від пухлини, проводять терапію цитостатиками (лікарськими засобами, що гальмують ділення клітин) і антитілами проти білків ракових клітин.

Цитостатики викликають клітинне старіння (реплікативне старіння), в результаті якого в клітинах пригнічується синтез РНК і білків, так що вони втрачають здатність до ділення. Клітини не вмирають, але можуть бути атаковані і знищені імунною системою організму. В організмі старіння клітин відбувається у відповідь на накопичення мутацій, на активацію онкогенів, на сильні пошкодження ДНК внаслідок впливу радіації, застосування протиракових хіміотерапевтичних медикаментів. Це запобігає розмноженню дефектних або небезпечних для організму клітин, підтримує гомеостаз тканин і органів.

Старіння клітин здійснюється за спеціальною генетичною «програмою», що зупиняє ділення клітин. Ключовими компонентами для реалізації програми зістарювання є білки p16^INK4a (інгібітор циклінзалежної кінази 2A, супресор пухлин, див. p16), p21^CIP1 (інгібітор циклінзалежної кінази 1A, див. p21) і p53 (фактор регуляції транскрипції, регулятор клітинного циклу, супресор пухлин), а також Suv39h1 (метилтрансферазу, що здійснює дівимилювання. Відомо, що програми зістарювання клітин перекриваються з програмами, що відповідають за стовбурові клітини організму, які не дозволяють їм неконтрольовано ділитися і виходити зі стану стовбурових. Водночас взаємозв’язок програм старіння і контролю стовбурових клітин наразі вивчено недостатньо. Не було також відомо, чи може старіння ракових клітин надавати їм властивості стовбурових, потенційно здатних активувати зростання пухлини.

Велика група дослідників, в основному з наукових і медичних установ Німеччини, спробувала розібратися в цьому питанні. Вчені з’ясовували, як старіння злоякісних клітин, викликане хіміотерапією, змінює їх властивості, пов’язані зі стовбуровим станом клітин диференційованих тканин. Для цього культури В-клітинної лімфоми (див. B-cell lymphoma) мишей in vitro переводили в зістарений стан, додаючи в культуральне середовище цитостатик адріаміцин, переважний проліферацію клітин, який давно застосовується для лікування онкологічних захворювань.

Якісні та кількісні характеристики наборів генів, що експресуються (транскрибуються) у зістарених клітинах, порівнювали з відповідними профілями експресії необроблених клітин. Виявилося, що в зістарених клітинах парадоксально активуються гени, експресія яких властива стовбуровим клітинам організму, що сформувалися тканин. Якщо ж В-лімфомні клітини брали від мишей дефектних по ферменту Suv39h1, то внаслідок цього дефекту клітини під дією адріаміцину не старіли і в них не активувалася експресія генів стовбурових клітин. Аналогічні експерименти з культурами клітин різних раків людини також показали посилення при штучному хіміотерапевтичному зістарюванні експресії генів, властивих стовбуровим клітинам (рис. 2).

Ріс. 2. Експресія деяких генів, властивих стовбуровим клітинам, в культурах різних ракових клітин людини і в первинних культурах клітин хронічного лімфолейкозу (B-CLL) при старінні під дією адріаміцину. Ліворуч наведено назви генів, внизу — культур клітин. SA-лід-gal — маркер переходу в зістарений стан. Синім позначені клітини, які перейшли в стан «старості» під дією адріаміцину, білим — не перейшли. Відтінками червоного і сірого позначені ступені активації або гноблення транскрипції генів порівняно з клітинами, не обробленими адріаміцином. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Таким чином, і мишачі, і людські ракові клітини при старінні набувають властивостей стовбурових.

Потім вчені спробували визначити, як змінюються пухлинні властивості клітин після виходу зі зістареного стану і відновлення їх поділу. Для цього були сконструйовані лінії мишей, у яких можна було включати і вимикати згадані вище гени р53 і Suv39h1, функція яких необхідна для переходу клітин «у старість». Ці гени були поставлені під контроль промоторів, що активуються 4-оксі-тамоксифеном, і тому могли працювати тільки в присутності цього з’єднання. Після зістарювання клітин у культуральному середовищі з адріаміцином і тамоксифеном і перенесення в середовище без цих сполук гени старіння вимикалися. У результаті клітини В-лімфоми виходили зі зістареного стану і знову починали ділитися, причому набагато інтенсивніше, ніж клітини, що не піддавалися зістарюванню (рис. 3, зліва).

Ріс. 3. Ліворуч — формування колоній лімфоїдними клітинами (вертикальною віссю — число колоній на 100 клітин) протягом 14 тижнів після впливу хіміотерапевтичними препаратами. Червоним показано клітини, переведені в стан «старості» (4-ONT — тамоксифен, ADR — адріаміцин), чорним — контроль. Справа — ініціація лімфоми у мишей після трансплантації різних доз по-різному оброблених клітин. Кожну дозу кожного типу клітин пересаджували десяти мишам. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Подібні результати були отримані і на оброблених адріаміцином клітинах лімфоми і колоректального раку людини. Дуже важливими є і результати перевірки онкогенного потенціалу клітин В-лімфоми, їх здатності викликати утворення пухлин після виходу зі зістареного стану. Цей потенціал виявився набагато вищим, ніж у вихідних клітин (рис. 3, праворуч).

Загалом, отримані результати абсолютно несподівано показали, що придбання клітинами властивостей стовбурових при зістарюванні сильно підвищує їх онкогенний потенціал.

Аналіз експресії генів різних сигнальних шляхів у зістарених клітинах показав активацію шляхів, що контролюють стовбурові клітини. З них особливо сильно активувався шлях Wnt. Залишилося невідомим, чому активуються саме ці сигнальні шляхи, чи секретуються Wnt-ліганди, чи впливають вони на клітини, які їх продукують, або на сусідні клітини. Проте це ще один доказ несподіваного зв’язку старіння клітин і набуття ними властивостей стовбурових.

Ріс. 4. Виживаність (днями) мишей після трансплантації ним зістарених (previously senescent) або не зістарених клітин лімфоми і введення інгібіторів сигнального шляху Wnt, зазначених внизу. У кожній групі було по чотири миші. Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Дуже важливо, що ця знахідка відкриває шляхи придушення пухлинних ефектів клітин, що «пробуджуються». Інгібітори шляху Wnt пригнічували зростання пухлинних клітин після пробудження (рис. 1) і істотно продовжували життя мишам, яким їх трансплантували (рис. 4).

Це спостереження має бути перевірено в клініці і, не виключено, що деякі підходи в хіміотерапії раку будуть скориговані і переглянуті для підвищення її ефективності. Можливо, хіміотерапію слід припиняти далеко не відразу після зістарювання пухлини, а потім — ще й застосовувати інгібітори шляху Wnt.

Наведені в розглянутої роботі результати отримані головним чином in vitro або на генетично змінених модельних мишах. У майбутньому видається дуже важливим встановити, як ракові клітини можуть долати бар’єри «старості» in vivo і чи обов’язково це пов’язано з набуттям ними властивостей стовбурових і збільшенням їх кількості в пухлині. Потрібна також перевірка отриманих результатів на незмінених генетично модельних тварин. Проте автори представили переконливі докази того, що, виходячи зі зістареного стану, ракові клітини можуть знаходити посилену здатність до розвитку пухлини.

Джерела:

1) M. Milanovic et al. Senescence-associated reprogramming promotes cancer stemness // Nature. 2018. DOI: 10.1038/nature25167.

2) J. P. Medema. Escape from senescence boosts tumour growth // Nature. 2018. (Популярний синопсис до обговорюваної статті).

В’ячеслав Калінін