Эволюционная динамика канцерогенеза, или почему таргетная терапия не всегда работает
Ср, 08 Фев 2017
186
Эволюционная динамика канцерогенеза, или почему таргетная терапия не всегда работает

Глоссарий

Атавистический — возвращение к характеристикам и/или свидетельство о наличии характеристик далекого предка и/или более примитивного типа. В данной статье, атавизм — наличие у раковых клеток черт, обычно не наблюдаемых у нормальных клетках многоклеточных организмов, но наблюдаемых у прокариот и/или простейшими.

Филогенетическая ветвь  (этот термин применяется больше не для клеток, а для видов, поэтому в этой статье подэтим термином будет подразумеваться “группа клеток”) —  таксономическая группа организмов, классифицируемых вместе на основе гомологичных признаков, восходящих к общему предку. В данной статье, группы раковых клеток эволюционируют в (физически) отличающихся друг от друга микроокруженияъ , и демонстрируют тем самым локальную генетическую однородность.

Степень полиморфизма ядер — рак молочной железы определяется по наличию ядер в клетках опухоли и присваивается оценка от 1 (небольшие однородные клетки) до 3 (существенная ядерная вариация).

Супервентность (если очень просто то, это качества системы высокого порядка, определяемые качествами системы низкого порядка) — описывает математический и философский формализм, который характеризует отношения между двумя наборами — в нашем случае это фенотип (или в более широком смысле — адаптивные стратегии) и генотипы. В нижележащем наборе (генетика) каждому определенному пункту будет соотносится пункт из набора фенотипа, а в вышележащем наборе (фенотип), каждая адаптивная стратегия может соотносится с очень большим количеством различных пунктов в наборе генотипов.

Телеологический — описывает доктрину, которая гласит, что существуют конечные причины, и, таким образом, сама цель является частью природы. В данной статье, телеология говорит нам о том, что опухолевые клетки существуют с некой (корыстной) целью. Таким образом, мы задаемся вопросом, ”почему”, а не “как”, опухолевые клетки ведут себя так, как они ведут.

Теория — последовательная группа общих предположений, которые могут быть использованы в качестве принципов объяснения и предсказания для класса явлений. Предложенное объяснение пока остается в статусе предположительным и предметом для экспериментов.

Абстракт

Все злокачественные онкологические заболевания, унаследованные или носящие спорадический характер, принципиально подчиняются действию естественного отбора. Для процесса канцерогенеза необходимы генетическая нестабильность и специфическое локальное микроокружение. Сочетание этих факторов способствует соматической эволюции (Здесь и далее обозначает влияние на приспособляемость мутаций, накопленных в течение жизни клеткой — прим. редактора). Условия микрооокружения — в частности, гипоксия, ацидоз и присутствие активных форм кислорода — не только высокоспецифичны, но также способны индуцировать генетическую нестабильность.

В результате, злокачественные опухоли представляют собой динамично развивающуюся группу клеток, живущих в различных микросредах, что почти наверняка обеспечивает появление устойчивых к терапии популяций.

Противоопухолевая терапия цитотоксическими препаратами также оказывает интенсивное эволюционное давление на выжившие клетки, обеспечивая селекцию и тем самым увеличивая скорость эволюции. Важно отметить, что принципы естественного отбора представляют собой фундаментальные принципы, способные пролить свет на новые подходы к лечению рака.

Эволюция — это ремесленник. Франсуа Жакоб (1977)

В 1976 году Петер Ноуэлл предложил модель соматической эволюции канцерогенеза, основанную как на его собственных предыдущих работах, так и на работах других авторов.

Несмотря на отсутствие подробных генетических данных, эта модель пророчески описала сведения, полученные позже и продемонстрировавшие мутационные неоднородности в опухолях. Совсем недавно были разработаны продуманные эволюционные модели канцерогенеза, но в них не рассматривались факторы отбора микроокружения, которые заставляют опухоль приобретать максимально злокачественный фенотип.

В этой статье-мнении мы обобщаем факторы микроокружения, действующие на всем протяжении прогрессии опухоли, в особенности, такие специфические средовые стрессоры, как гипоксия и ацидоз.

Эти наиболее часто наблюдаемые факторы не являются только лишь причиной развития злокачественных фенотипов, но также влияют на саму геномную стабильность. Таким образом, эта потенциальная «обобщающая теория» помещает эволюцию генома в динамично меняющийся адаптивный ландшафт, результатом чего становится генотипическая и фенотипическая гетерогенности, которые и оказывают негативное влияние на противоопухолевую активность таргетной терапии. Несмотря на то что злокачественное новообразование обычно определяют как поражение генов, мы полагаем, что телеологическое понимание этого термина не обязательно следует из каталогизации огромного количества генетических изменений, наблюдаемых в опухолях в клинике. Мы, а также другие ученые, предложили, что объединяющие аналитические рамки можно найти в эволюционной теории. Интересно, что сам Дарвин ничего не знал о генетике. По его мнению, динамике эволюции нужен был только механизм наследования. Действительно, успешное описание эволюции и экологии продолжалось почти столетие до развития надежных молекулярных методов.

Этот успех отражает два первых принципа естественного отбора, которыми часто пренебрегают: 1) природа отбирает фенотипы, а не генотипы; 2) популяционные изменения зависят от локальных факторов отбора окружающей среды.

У многоклеточных организмов многие ключевые признаки носят полигенный характер, так что суждения о фенотипе через картирование генов часто оказывается неточным.

Так, хорошо известно, что один и тот же фенотип в опухолевой и нормальной клетке может сложиться под действием огромного множества генетических причин.

В опухолях эволюция по большому счёту движется благодаря факторам селекции микроокружения, которые взаимодействуют с отдельными клеточными стратегиями или фенотипами, обусловленными (расположены на уровень выше и обусловленные) генетикой клетки.

Понимание опухоли как заболевания начинается с выявления важнейших факторов микроокружения и соответствующих адаптивных клеточных стратегий. Характеризовать эволюционирующие популяции исключительно по их генетическим изменениям, предшествующим пониманию этих фундаментальных эволюционных сил, скорее всего, бесполезно.

Даже если мы примем эволюцию в качестве обобщающей парадигмы, то мы должны признать существенные ограничения в нынешнем применении этих принципов. К примеру, опухоль широко описывается как гетерогенное образование; это обычно предполагает (и исследователи выражают надежду), что клетки опухоли хорошо “перемешаны” внутри нее и синхронизированы.

Таким образом, опухоли обычно описываются по отдельным важнейшим параметрам, например, ЭР-положительные, трипл-негативные (не имеющие рецепторов к трем основным видам гормонов), с мутантной экспрессией гена BRAF и т.д.

Тем не менее, отбор в злокачественных новообразованиях явно носит локальный характер, в результате чего фенотипическая гетерогенность внутри отдельных опухолей не препятствует ответу на лечение.

Каждая опухолевая клетка конкурирует со своим ближайшим окружением, чтобы сформировать себе некую экологическую и эволюционную перспективу. Таким образом, опухоли могут рассматриваться как «континенты», населенные многочисленными клеточными видами, которые приспосабливаются к локальным изменениям под влиянием средовых факторов отбора.

Можно предположить, что чем больше данное разнообразие ниш, тем хуже прогноз для пациента. Хотя это звучит запутанно, тем не менее опухоли все же регулируются согласно эволюционным принципам, и, следовательно, можно предсказать, определить и использовать конкретные модели отбора и адаптации. В предыдущей работе мы предложили считать внутриопухолевые гипоксию и ацидоз сильным селективным эволюционным давлением, в результате которого формируется характерный метаболический фенотип опухолей. В этой статье мы разовьем этот тезис, показав, что гипоксия и ацидоз могут работать как локальные факторы отбора и причины быстрой адаптации, вызывая геномные изменения, которые мы определяем как атавистический ответ на воздействия окружающей среды.

Мутаторный фенотип

Общепризнано, что опухоли связаны с глубокими изменениями в геноме на различных уровнях, включая эпигенетическую регуляцию, точечные мутации, делеции, дупликации и множественные хромосомные перестройки. Часто упускают из виду, что эти изменения происходят гетерогенно в пределах одной опухоли. В опухолях могут быть найдены сотни генных мутаций. Это может произойти в результате появления мутаторного фенотипа, который может вызываться унаследованными генетическими перестройками, вирусными инфекциями или изменениями в микроокружении. Хотя частота мутаций в опухолях может не отличаться от таковой в нормальных тканях, не подлежит сомнению, что они накапливаются (часто в большом количестве), возможно, из-за нарушения механизмов, обеспечивающих контроль клеточного цикла и целостности ДНК. Генетические изменения могут быть индуцированы непосредственно ингибированием или снижением репаративного ответа ДНК или же внешними генотоксическими стрессорами. Также они могут косвенно накапливаться путем ингибирования апоптоза, или — еще более косвенно — путем индукции гиперплазии, что ведет к гипоксии, генерации активных форм кислорода (АФК) и ацидозу. Они объединены в унифицированной модели (рис. 1). Примечательно, что накопление мутаций будет происходить только в условиях мощного эволюционного отбора, а имеющийся локальный фенотип не является максимумом приспособленности. Следовательно, само наличие разнообразных мутаций и хромосомных транслокаций при имеющейся злокачественной неоплазии предполагает высокую степень средовой селекции в растущих опухолях.

Мутаторы, передающиеся по наследству

По крайней мере, 5% всех случаев опухолей вызываются наследуемыми мутациями (см. обзоры 13,14). Полный список генов, которые, как уже известно, приводят к наследственным онкозаболеваниям, представлен в обзоре 13 и проливает свет на многие аспекты. Более 50% из них — результат мутаций или делеций генов сигнальных путей клеточного ответа на повреждения ДНК (DDR-пути, DNA damage response) или ингибирования апоптоза, что в свою очередь прямо или косвенно ведет к накоплению генетических повреждений. Другие гены, связанные с наследуемыми мутациями и развитием опухоли, модулируют пролиферацию, независимую от факторов роста или от адгезии; оба эти вида могут вести к гиперплазии. Вопросом без ответа остается влияние этих наследуемых мутаций на нормальные ткани в организме человека, об этом имеется слишком мало данных. У мышей гиперплазия наблюдается в ответ на выключение гена Pten, в конечном итоге оно может привести к неоплазии. Точно так же последовательно развивается гиперплазия у мышей с экспрессией протоонкогена Ret. Мы полагаем, что у людей, наследующих эти мутации, может также развиваться гиперплазия, вплоть до предрасположенности к онкологическим заболеваниям. Гиперпластический эпителий “перерастает” собственное кровоснабжение, что может привести к гипоксии и ацидозу, а они в свою очередь, как уже было описано, усиливают нестабильность генома. Таким образом, подавляющее большинство наследуемых онкогенов прямо или косвенно ведет к геномным изменениям. Примечательно, что эти данные получены для нелетальных генов, т.к. гены, контролирующие жестко регулируемые процессы, не могут быть дерегулированы, не спровоцировав гибель эмбриона.

Мутаторы микроокружения

Важной составляющей нынешней модели является то, что соматическая эволюция происходит на адаптивной почве исключительно локального уровня. Таким образом, клетки реагируют на направляющее (прямое) влияние микроокружения и невосприимчивы к системным изменениям, если они в свою очередь не изменяют микроокружения. На клеточном уровне нестабильность генома возникает при наличии стрессорного фактора в окружающей среде. Эти стрессоры могут оказаться смертельными, тем самым обеспечивая надежное селективное давление наряду с геномной нестабильностью. Выжившие клетки побеждают в “эволюционной игре” (бокс 1).
Эта растущая с окружающим стрессом нестабильность генома — атавистический ответ, наблюдаемый также у таких микроорганизмов, как бактерии и дрожжи, а еще в клетках млекопитающих в условиях стресса. Физическое микроокружение вокруг зарождающейся опухоли постоянно меняется, зачастую в ответ на воспаление. Хроническое воспаление связано с большинством случаев спорадического возникновения онкозаболеваний и является продуктом иммунного ответа на инфекцию, факторы окружающей среды и диеты. Воспаление связано с цитокин-индуцированной гиперплазией и АФК-индуцированной гибелью клеток и генотоксичностью. Клетки в гиперпластическом эпителии могут расти в просвет протока, это отдаляет их от кровоснабжения и приводит к первым эпизодам внутрипросветной гипоксии, селекции в пользу гликолитического фенотипа (эффект Варбурга) и, следовательно, к повышению кислотности, а также депривации питательных факторов и факторов роста.

Эти суровые условия также можно рассматривать как измененный ландшафт приспособленности со значительным возрастанием уклона функции адаптации (бокс 1). Такой адаптивный ландшафт отбирает клетки, способные преодолеть барьеры микроокружения, например, гипоксию и ацидоз. Это согласуется с наблюдаемым повышением частоты мутаций репортерных генов (Ген, кодирующий легко выявляемый продукт. Такие гены используют, например, для того, чтобы убедиться, что данная генетическая конструкция успешно введена в клетку, орган или ткань — Прим. редактора) в ксенотрансплантатах по сравнению с культурами в пробирке, которое может быть отнесено на счет стрессоров микроокружения из-за гипоксии и/или ацидоза. Генетические аномалии могут также возникать непосредственно на системном уровне. Вирусы могут прямо влиять на устойчивость генома через вставки в него мутагена или p53-инактивации. Кроме того, существуют мутагены окружающей среды, например: табак, каменноугольная смола или ультрафиолетовое излучение. Однако, как и воспаление, экологически индуцированная мутация не приведет к образованию злокачественной неоплазии в отсутстви локального средового отбора, опосредованного измененным адаптивным ландшафтом.

Гипоксия и АФК

Гипоксия может присутствовать в начале канцерогенеза, даже в случае карциномы in situ. При наличии прорастания опухоли локальная гипоксия является весомым прогностическим признаком появления метастазов (см. обзор 37). Она может привести к нестабильности генома посредством нескольких механизмов, таких как: АФК-индуцированное повреждение ДНК, ошибки перезапуска репликации и снижение деятельности механизмов ответа на повреждение ДНК, в том числе механизмов репарации ошибочно спаренных нуклеотидов (mismatch repair) и инактивации гена BRCA1 метилированием (обзоры 38-40).

Реоксигенация после гипоксии или наличие свободного железа во время гемолиза может вызвать образование АФК и активацию киназы, ассоциированной с повреждением ДНК — белок ATM (аtaxia telangiectasia mutated — ATM).

Гены, которые кодируют белки, участвующие в гомологичной репарации ДНК (например, RAD51 и RAD52) могут также быть подавлены, заставляя клетки восстанавливать двухцепочечные разрывы с ошибками путем негомологичного соединения концов (non-homologous end joining — NHEJ).

Тяжелая хроническая гипоксия может направить отбор на либо сопротивление апоптозу, либо п на оврежденный р53 (обзоры 42,43), вдальнейшем способствуя накоплению мутаций.

Перемежающаяся гипоксия может привести к дупликации генов или к множественным хромосомным перестройкам. С эволюционной точки зрения, дупликация генов обеспечивает клетки возможностью осуществления новых эволюционных траекторий при минимальных затратах, так как оригинальная (изначальная, исходная) функция гена сохраняется. Этот факт давно и хорошо известен для эволюции видов, и мы предполагаем, что такой мощный механизм также может быть применим для опухолевых клеток.

Ацидоз

Благодаря сочетанию повышенного метаболизма и недостаточной перфузии, внеклеточный рН плотных опухолей может достигать значений до 6,5 (обзоры 48,49). Ацидоз сам по себе может быть кластогенным, вызывая хромосомные разрывы и транслокации как у грызунов, так и среди диплоидных линий человека.
Хотя механизм кислотно-индуцированной нестабильности генома неизвестен, низкий рН может вызвать разрывы двойной цепи посредством АФК и/или ингибирования топоизомеразы II.

До сих пор неизвестно, как рН среды влияет на происходящее в клетке, т.к. внутриклеточный рН жестко регулируется. У клетки есть множество механизмов индикации рН окружающей среды, например, рН-чувствительные G-белки и ионные каналы, и они могут быть вовлечены в кислото-индуцированную трансдукцию сигнала. Низкое значение рН также может быть результатом высокой скорости гликолиза, а комбинация ацидоза с итоговой нехваткой глюкозы также может обеспечить мощный отбор для активированных онкогенов, достигнув значений до 6,5 (обзоры 48,49).

Пространственно-временная неоднородность

Индукция геномных изменений и локального отбора наследственными и/или экологическими факторами ведет к фенотипической гетерогенности. Неоднородность может быть выявлена рентгенографическими методами.
В этом случае неравномерное усиление или ослабление сигнала («опухолевая текстура”) может быть связано с плохим прогнозом. Даже при протоковой карциноме молочной железы in situ (DCIS), многие ниши микроокружения могут быть гистологически идентифицированы. В этом исследовании, 112 случаев DCIS были многократно проанализированы на предмет ядерного плеоморфизма. Следует отметить, что более чем в 40% опухолей, имеющих более чем одну степень полиморфизма ядер, был обнаружен мутантный р53, что позволяет предположить: дефекты в этом опухолевом супрессоре привели к росту числа ядерной, и, как следствие, к генетической гетерогенности.

Источник: журнал Nature

Обобщающая модель канцерогенеза

Воспаление проявляется в большинстве спорадических случаев возникновения рака и индуцирует как гиперплазию, так и высвобождение генотоксичных активных форм кислорода (АФК). Гиперплазированный эпителий инвазирует в направлении к просвету органа и имеет участки хронической и острой гипоксии, что ведёт к ингибированию механизма клеточного ответа на повреждение ДНК (ОПД), а также к индукции АФК. Сочетание повышенной генотоксичности, создаваемой АФК и сниженным ОПД, усиливает накопление мутаций, которые в норме вызывают клеточную смерть, но могут аккумулироваться по причине ингибирования путей самоуничтожения. Также гипоксия становится фактором отбора клеток с гликолитическим фенотипом (эффект Варбурга), и важным итогом активного гликолиза становится внутриопухолевый ацидоз. Ацидоз обладает кластогенным эффектом (т.е. способен вызвать разрывы хромосом) и ведёт к хромосомным аберрациям. Наследуемые мутации отображены в кремовых боксах и включают в себя те, что индуцируют гиперплазию и метаболические дефекты, нарушения в собственно механизме ОПД, а также выключают механизмы по самоуничтожению клетки. Важно отметить, что гипоксия, ацидоз и АФК способны порождать мощный эволюционный отбор, а также увеличивать геномную нестабильность. Комбинация геномной нестабильности и естественного отбора повышает скорость эволюции и ведёт к росту различных клад (клеток-основателей) внутри опухолей. Итоговое генотипическое и фенотипическое разнообразие ранних опухолей ведёт к их малигнизации и, в контексте терапии, к развитию устойчивости.

Физиологическая неоднородность

Каждая опухоль — экосистема со своими физическими, физиологическими и метаболическими факторами, нормальными клетками, воспалительными клетками и фактически существующими популяциями опухолевых клеток.

Важным физиологическим фактором является перфузия опухоли, которая часто характеризуется как гетерогенная, или даже хаотичная. Этот фактор стал устоявшейся и измеримой величиной с появлением динамической контрастной усиленной магнитно-резонансной томографии (МРТ-ДКУ), которая измеряет распределение контраста в тканях не только в пространственном, но и во временном аспекте.

Неоднородность перфузии была определена количественно и оказалась мощным отрицательным прогностическим фактором. Она вызывает временное или хроническое снижение уровня метаболических субстратов (в частности, кислорода) и рН. Таким образом, не удивительно, что участки опухоли с различными уровнями перфузии также имели существенно
измененные экспрессию генов и протеомные профили. Хотя изменения экспрессии могут быть обратимы, они обычно связаны с генетическими изменениями на хромосомном и
геномном уровнях, которые в свою очередь необратимы.

Генетическая неоднородность

В 1930 году Уинг индуцировал у 80 мышей неоплазии с помощью каменноугольной смолы и гистологически исследовал каждую опухоль. Когда это было возможно, он подсчитывал хромосомы в нескольких отдельных клетках одной опухоли. При этом Уинг выяснил, что клетки одной и той же опухоли содержат от 35 до 138 хромосом (нормальный диплоидный набор = 40).

Несмотря на то, что анеуплоидия является уже известным признаком злокачественной опухоли, это исследование документально подтвердило, что в одной и той же опухоли может происходить широкий разброс по числу хромосом.

Данный признак воспроизводится в ядерной структуре, а фрактальные и текстурные анализы ядра также показывают высокое прогностическое значение. Уже давно стало понятно, что такая хромосомная нестабильность сопровождается генетической нестабильностью. Таким образом, неудивительно, что подобные внутриопухолевые неоднородности наблюдаются также и в генетической последовательности.

В 2010 году группа Вогельштайна секвенировала геномы 11 различных участков одной и той же опухоли поджелудочной железы и наблюдала множественные мутационные констелляции (различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных её частей в результате вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и т.п. — прим. ред.).

Следует отметить, что эти структуры не были случайными, так что для данного рака может быть разработана эволюционная карта гркпп клеток, вероятне всего, образованных в разных экологических нишах.

Совсем недавно Герлингер с коллегами провели глубокие анализы генома четырех видов почечно-клеточного рака и пришли к одному и тмоу же выводу: морфологическая неоднородность воспроизводится (повторяется) в геномной гетерогенности посредством идентифицируемых эволюционных траекторий.

Примечательно, что в работе группы Герлингера наблюдались множественные случаи конвергентной эволюции, что подкрепляет известную аксиому о том, что природа выбирает фенотип, а не генотип.

Отдельные виды опухоли могут накапливать и гетерогенно проявлять десятки экзомных мутаций. Появилась идея классифицировать некоторые из них как «водителей», которые непосредственно влияют на пролиферацию или выживание опухолевых клеток; а остальные в качестве “пассажиров”, с предположительно “молчащим” фенотипом.

Такое строгое разделение вводит в заблуждение, поскольку, как отмечено выше, соотнесение гена с фенотипа может быть неточным, а локальные факторы отбора меняются во времени и пространстве.

Таким образом, генетические мутации, которые имеют решающее значение для выживания в одной среде, могут играть несущественную роль в другое время и при других условиях.

Кроме того, хоть мутации “пассажиров” и не могут обеспечить очевидное преимущество в росте, они, однако, как было показано, приводят к незначительным изменениям фенотипа, вытекающую во внутриопухолевую фенотипическую неоднородность.

Такие мутации могут быть фенотипически не проявляться до тех пор, пока не подвергнутся конкретным условиям отбора, в которых они смогут дать селективное преимущество (например, лекарственная устойчивость). Отношения между фенотипическим разнообразием, локальным отбором и скоростью эволюции могут быть формально объединены в теорию “эволюционной игры” (бокс 1).

Бокс 1

Теория эволюционной игры. ∂μ/∂t = σ²(∂G/∂μ)
Существование суровой окружающей среды и генотипической неоднородности могут быть формально объединены в теории эволюционной игры, которая может быть записана в форме уравнения, определяющего скорость эволюции:

∂μ/∂t = σ² (∂G/∂μ)

∂μ/∂t — скорость эволюции,при которой данная стратегия (фенотип) (μ) популяции изменяется со временем (t). В этом контексте, стратегия представляет фенотипы, которые контролируют пролиферацию в локальном микроокружении. σ — фенотипическое разнообразие, что в целом отражает генетическое разнообразие. Тем не менее, отношения генотип-фенотип не являются стехиометрическими, так как генные мутации могут фенотипечески не проявится из-за действия молекулярных шаперонов. Примечательно то, что это уравнение утверждает, что скорость эволюции увеличивается с квадратом фенотипического разнообразия. ∂G/∂μ — наклон функции приспособленности, который показывает чувствительность приспособляемости (G), к изменениям в фенотипе (μ). Суровые условия обычно увеличивают наклон этой функции. Это означает, что даже небольшие изменения фенотипа может вызвать большое разнообразие в степени приспособляемости. Данная взаимосвязь четко показывает взаимосвязь между эволюционирующей популяцией опухолевых клеток с как внутриклеточными характеристиками, так и с характеристиками локального микроокружения. В частности, популяция опухолевых клеток, которые фенотипически неоднородны или находятся в суровых, цитотоксических условиях, будут более стремительно эволюционировать, если они находятся ниже их максимума приспособляемости. Важно отметить, что окружающая среда и фенотипическая разнообразие очень прочно связаны друг с другом, так что стрессовая среда (гипоксия и ацидоз) приведет к увеличению разнообразия (генетические изменения) через атавистические механизмы. Введение цитотоксических агентов будет преобразовывать даже стабильную среду опухоли в такую, которая будет являться более избирательной, с высоким значением ∂G/∂μ. Это фундаментальный принцип должен приниматься во внимание при разработке терапевтических подходов.

Эволюционные подходы к терапии

За последние несколько десятилетий был достигнут огромный прогресс в изучении сложной сети молекулярных сигналов, подвергающихся дерегуляции в опухоли, и разработке конкретных агентов, нацеленных на эти патофизиологические пути.

Тем не менее, даже при наличии высокоспецифичного таргетного препарата увеличение выживаемости обычно измеряется в месяцах, а не в годах. Хоть случаи долгосрочной ремиссии и известны, для большинства опухолей на поздней стадии и у большинства пациентов ответ на терапию непродолжителен из-за неизбежной эволюции и пролиферации устойчивой популяции. По причине масштабных геномных изменений и следующего отсюда разнообразия, появление резистентности предсказуемо как фундаментальное свойство самого канцерогенеза. Этот основополагающий факт обычно игнорируется при разработке стратегий лечения. Однако применение эволюционных принципов может осветить альтернативные терапевтические подходы.

Это «шахматы», а не игра «ударь крота»

Появлением лекарственной устойчивости редко (если вообще когда-либо) занимаются прежде, чем она произойдет. Мы утверждаем, что она должна изучаться в целях развития долгосрочных терапевтических стратегий для конкретного пациента.

Например, популяции, которые отвечают на лечение на начальной стадии, проходят через эволюционное “бутылочное горлышко”, что временно делает их чрезвычайно восприимчивыми к вторичной терапии. Выбор этой терапии должен быть спланированным заранее. Утверждается, что комбинированные препараты, аналогичные тем, что используются для лечения ВИЧ, обеспечат устойчивые ремиссии.

Тем не менее, ВИЧ имеет пять основных и четыре вспомогательных гена, в то время как у опухолевых клеток тысячи генов и контролирующих их факторов, способных проявить свою активность. Как бы пугающе ни звучала эта мысль, но число возможных механизмов резистентности может быть конечным.

Например, сопротивление немелкоклеточного рака легких (NSCLC) к ингибиторам тирозинкиназы, таким, как эрлотиниб, может происходить по 12 известным механизмам. Хоть это и большое количество, оно может родвергнуться обработке.

Наиболее распространенный механизм устойчивости к эрлотинибу — точечная мутация Т790М в рецепторе эпидермального фактора роста (EGFR), и комбинированное лечение EGFR-специфичными антителами могло бы предотвратить этот тип резистентности.

Такой подход был опробован на ERBB2 (также известном как HER2)-положительном раке молочной железы с использованием комбинации ERBB2-специфичных антител (препарат трастузамаб) и ингибитора низкомолекулярных соединений (препарат лапатиниб), что привело к некоторой устойчивости ответа на терапию.

Кроме того, в случае рака молочной железы есть очевидная обратная зависимость между уровнем рецепторов эстрогена (ЭР) и сигнальными путями факторов роста. Таким образом, повышенная экспрессия факторов роста или их рецепторов может способствовать дальнейшему распространению рака молочной железы при отсутствии ЭР.

Специфичности к отдельному фактору роста нет; например, эпидермальный фактор роста (EGF), инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF1), трансформирующий фактор роста-бета (TGF-beta), фактор роста фибробластов (FGF) и херегулин с равным успехом могут подавлять экспрессию белков ЭР.

Эти факторы роста могут активировать общие реакции, которые расположены ниже в метаболическом путях, например, метаболические пути протеинкиназы mTOR.

Эта динамика передачи сигналов обеспечивает возможность применения эволюционных принципов в таргетной терапии. Последние клинические испытания показали, что применение ингибитора протеинкиназы mTOR (эверолимус) в сочетании с ингибитором антиэстроген-ароматазы (экземестан) значительно увеличивает выживаемость без прогрессирования заболевания.

Хотя такая комбинированная терапия и выглядит весьма привлекательной, можно также использовать эволюционный подход, начиная с монотерапии (например, анти-эстрогеном), который одновременно токсичен и способствует факторам отбора, обеспечивая повышенную экспрессию рецепторов факторов роста.

Опухолевые клетки, экспрессирующие рецепторы факторов роста, можно излечивать методом, способствующим повышению экспрессии ЭР. Он представляет собой ‘”эволюционно бесполезный” цикл, который позволит осуществить эффективный и длительный контроль опухоли.
В будущем при развитии аналогичных подходов можно использовать несколько парадигм. Во-первых, рассматривается идея по разработке биомаркеров, которые бы предсказывали наиболее вероятные механизмы резистентности у данного пациента. Тогда на них можно будет направить таргетное лечение (или предшествующее стандартной терапии) в сочетании со стандартным подходом к лечени. Также их можно чередовать. Каждый из этих подходов может быть смоделирован с помощью компьютерной программы еще до начала терапии, чтобы разработать интерактивную и индивидуализированную стратегию лечения. Во-вторых, должны быть разработаны биомаркеры для выявления механизмов резистентности в период раннего рецидива для определения гибкого графика лечения, которое бы их учитывало и преодолевал (превозмогало). В-третьих, такие подходы могут быть использованы адаптивно.

Адаптивная терапия

Мантра современной терапии – правильное лекарство для правильного пациента в правильное время.

Хотя для того, чтобы определить парадигму “правильное лекарство-правильный пациент”, было затрачено много усилий, однако, успехов в разработке сложных режимов дозирования для определения правильного времени назначения мало (если они есть вообще). При таком дозировании должны применяться эволюционные принципы для продления контроля над опухолью путем подавления пролиферации резистентных популяций.

В отсутствие приема лекарств можно заметить, что резистентные клетки менее приспособлены (при отборе), чем чувствительные, а в нелеченных опухолях обычно превосходствуют клетки, чувствительные к первичной терапии.

В контролируемых исследованиях было установлено, что некоторые механизмы резистентности действительно имеют предел приспособленности, в рамках которого резистентные клоны растут медленнее, чем родительские чувствительные к лекарствам клетки.

Это, вероятно, связано с распределением ресурсов по механизмам резистентности (например, повышение регуляции и функции р-гликопротеина), которое позволяло бы сократить количество энергии, необходимой для пролиферации. Однако, предел приспособленности для резистентности не может быть принят. В некоторых случаях устойчивые клоны росли так же быстро, как и родительские клетки.

Это может быть в случае T790M-мутации РЭФР (EGFR) или для клеток, в которых экспрессирован белок (массой 190 кДа) множественной лекарственной резистентности MRP1 (обзор 91).

Тем не менее, если такой предел есть, лечение опухолей сублетальными дозами таргетной терапии, осуществляемое только в случаях, когда сталкиваются с количественным ростом опухоли, существует возможность предотвратить появление устойчивых популяций.

Такая парадигма является стандартом лечения гемобластозов, легко поддающихся мониторингу, а недавно стала применяться и к гормон-чувствительным плотным опухолям.

С появлением анти-андрогенов (например, абиратерон), мужчин с раком простаты часто стали лечить циклически, что в первую очередь снизило побочные эффекты. Хотя эти методы используются не адаптивно, перерыв в приеме лекарств может отсрочить появление летального андроген-независимого опухолевого фенотипа.

При гормон-чувствительном раке молочной железы, периодический, по сравнению с непрерывным, прием тамоксифена может задержать появление фенотипа, негативного к ЭР. По нашим данным, такой подход не применялся у пациентов с учитывающей эволюционные изменения опухоли схемой дозировки лекарств, а также при использовании негормональных метаболически специфичных прицельных методов лечения.

Нацеливание на фенотипы и факторы отбора

В качестве терапевтических мишеней могут оказаться привлекательны фенотипы клеток, а не продукты конкретных генов. Это старая концепция, так как большинство ранней химиотерапии (например, анти-фолаты) были разработаны для подавления общего метаболического фенотипа, ассоциированного с пролиферацией.

Ингибиторы ангиогенеза часто рассматривается как фенотипически направленная терапия, так как они прерывают развитие сосудов и, предположительно, убивают опухолевые клетки, путем лишения их субстрата.

Тем не менее, с точки зрения эволюции, это слишком банально, потому что ингибиторы ангиогенеза также изменяют окружающую среду (за счет увеличения гипоксии и ацидоза), что провоцирует усиление давления естественного отбора, который быстро начинает содействовать адаптивным стратегиям, в том числе повышению инвазивности.

Неудивительно, что антиангиогенная терапия показала плохой результат при использовании в качестве монотерапии. Тем не менее, мы отмечаем, что способность предсказуемо изменять адаптивный ландшафт опухоли остается мощным инструментом эволюции, и, таким образом, комбинирование антиангиогенных средств с последующей лекарственной терапией, нацеленной на адаптированные фенотипы, скорее всего, станет успешным.

Совсем недавно концепция ориентации на фенотип была расширена для нацеливания на измененную схему метаболизма глюкозы и её осложнения.

Агенты, нацеленные на метаболизм глюкозы, были разработаны для всех уровней метаболического пути, в том числе для её транспорта и промежуточных и конечных продуктов метаболизма, и показали доклинические эффекты в сочетании с другой таргетной терапией.

Опухолевый ацидоз формируется вследствие усиления гликолиза и может привести к усилению инвазии и метастазирования.

Кислотность может быть нейтрализована с помощью буферов, таких, как бикарбонат натрия, имидазолы или лизин, способных ингибировать образование спонтанных или экспериментальных метастазов.

Буферы также увеличивают эффективность слабощелочной (!!!!!!!) химиотерапии за счет сокращения ионного захвата, что приведет к усилению внутриклеточного распространения препаратов.

Опухоль часто характеризуют как болезнь пролиферации, однако можно в равной степени утверждать, что она является болезнью гибели клеток.

Скорее всего, почти все злокачественные, лекарственно-устойчивые опухоли лишены апоптоза. Таким образом, рациональная ориентация на рестимуляцию чувствительности к апоптозу может иметь общее применение. Тем не менее, это будет очень сложно, потому что природа выбирает фенотип (сопротивление апоптозу), а не многочисленные механизмы избежания самоуничтожения, доступные клеткам.

Таким образом, как и при таргетной терапии, эффективность апоптоз-индуцирующего агента будет зависеть от конкретных механизмов, которые наблюдаются в зависимости от вида опухоли конкретного пациента.

Кроме того, давление естественного отбора, направленное на снижение выраженности апоптоза, достаточно мощное, а значит, согласно теории “эволюционной игры” резистентные клоны возникнут очень быстро.

Тем не менее, можно утверждать, что апоптоз редко является компонентом нормальной физиологии взрослых и, таким образом, остается привлекательной мишенью, и поэтому комбинированные терапии, предотвращающие возникновение резистентности, могут хорошо переноситься.

Апоптоз-способствующие терапии, показавшие хороший результат: бортеземиб, ингибирующий протеосомы; дихлорацетат, восстанавливающий функцию митохондрий; цитокины, способствующие гибели клеток (например, ингибиторы TRAIL и протеинкиназы mTOR) — рапамицин или эверолимус. Терапия, основанная на концепции опухолевой эволюции, предполагает, что эти агенты должны быть эффективны при рациональном использовании как в комбинации с препаратами, стимулирующими апоптоз, так и в сочетании друг с другом, чтобы предотвратить появление резистентных фенотипов.

Умные бомбы, а не волшебные пули

В качестве альтернативы таргетных агентов против конкретных метаболических путей, теоретически может быть достигнут контроль опухоли путем регионального введения токсических веществ в целях поражения клеток-мишеней, что также нанесёт некоторый сопутствующий ущерб окружающим клеткам (как стромальным клеткам, так и опухолевым).

Достичь такого эффекта обещает радиоиммунотерапия, эффективная при гемобластозах костного мозга и представляющая всё больший интерес при применении против плотных опухолей.

Растущий интерес представляет использование альфа-излучателей, по сравнению с бета-излучателями, так как они наносят максимальный сопутствующий ущерб и менее способны провоцировать радиорезистентность (менее восприимчивы к радиорезистетным клеткам).

В качестве альтернативы молекулярному таргетингу разрабатываются агенты, избирательно доставляющие высокие дозы химиотерапевтических препаратов или радионуклидов согласно уникальной патофизиологии опухолей; то есть, регионы с ацидозом и гипоксией, учитывая, что такие условия не присуствуют в тканях в норме.

Еще одна назревающая концепция заключается в разработке носителей про-лекарств, «боеголовки» которых будут срабатывать только при гипоксии или закислении в ткани.

В случае гипоксии, эти пролекарственные агенты обычно основаны на 2-нитроимидазоле, который необратимо восстанавливается в отсутствие кислорода.

Это влечет за собой перераспределение электронов, что приводит к разрыву связи между нитроимидазолом и препаратом.

Некоторые из таких агентов демонстрируют опухолеспецифические эффекты относительно различных опухолевых заболеваний в первых двух фазах клинических испытаний, либо в качестве монотерапии или в сочетаниях со стандартными химиотерапевтическими ЛС — и в данный момент находятся на третьей фазе испытаний.

На ранних стадиях развития опухоли закисленные регионы могут быть целенаправленно обработаны мелкими наночастицами, несущими лекарство, которые растворятся в среде с низким рН, высвобождая своё содержимое.

Это может стать реальностью лишь при разумном применении этих агентов, которые можно периодически нацеливать на наиболее подверженные действию естественного отбора участки опухоли,что обеспечит долгосрочный контроль над заболеванием.

Тем не менее, с эволюционной точки зрения, такие подходы должны быть строго контролируемы, так как локальное введение высокодозируемого лечения может лишь усилить естественный отбор для уже находящих под его действием ниш.

Выводы

Мы предлагаем обобщающую модель, в которой злокачественные онкологические заболевания, независимо от этиологии (спонтанно возникшие, инфекционные или наследственные), подчиняются действию естественного отбора. Важно признать, что соматический эволюция — это результат комплексных локальных взаимодействий между стрессорами окружающей среды, стратегиями адаптации и геномной нестабильностью. Эпигенетические повреждения, мутации и хромосомные перестройки способствуют продолжению клеточной эволюции, но генетические изменения, по сути, не являются достаточными для ее осуществления. Развитие опухолевой клетки, как и любой процесс, подчиняющийся дарвиновским постулатам, регулируется факторами отбора окружающей среды и клеточными адаптивнымих стратегиями (являющимися фенотипами или их комбинациями).

Попытка описать злокачественные опухоли через наблюдаемые генетические изменения, игнорируя адаптивный ландшафт, скорее всего, обречена на провал.

Действительно, независимые ниши микроокружения в растущей опухоли имеют высокую степень физиологической и геномной гетерогенности, что приводит к расхождению фенотипов, значительно увеличивающему потенциальную скорость эволюции, и индуцирует у злокачественных опухолей способность к динамической адаптации.

Под давлением химиотерапии, являющейся фактором отбора, устойчивые популяции неизменно развиваются.

Однако, несмотря на неизбежное появление резистентности, такие популяции не распространяются.

Важно признать, что опухолевые клетки могут адаптироваться только к непосредственным факторам отбора — ведь они не могут предвидеть будущие условия окружающей среды или эволюционную динамику. Обращаем внимание, что в нашей работе это предусматривается; и это — наше принципиальное преимущество в разработке новых терапевтических стратегий. Мы можем использовать наше понимание соматической эволюции чтобы использовать нами стратегически направленный отбор для предотвращения разрастания устойчивых популяций опухолевых клеток и, таким образом, улучшить результаты лечения. Учитывая данный аспект при планировании терапии, можно осуществить долгосрочный контроль над онкозаболеваниями, и мы использовали его, чтобы осветить ряд эволюционно ориентированных неспецифичных терапевтических стратегий. 

Перевод: Азат Муртазин, Даня Ряскина, Станислав Груздев

Изображение: Станислав Кирсанов

Оригинал статьи

Источник: medach.pro

Похожие статьи

Топ 10 за все время