Выявлен неожиданный и неприятный парадокс противораковой терапии

Рис. 1. Усиленный рост опухоли после выхода раковых клеток из состаренного состояния. Опухоль лимфомы содержит делящиеся клетки и небольшое количество стволовых клеток (stem cell). Химиотерапевтическое средство адриамицин переводит клетки в состояние «старости», в котором они перестают делиться, при этом активируется сигнальный путь Wnt. Тамоксифен регулирует экспрессию необходимых для «состаривания» генов, а его удаление из культуры позволяет опухолевым клеткам выйти из состаренного состояния. «Ожившие» опухоли содержат больше раковых стволовых клеток и растут быстрее, чем до обработки адриамицином. Если при удалении тамоксифена добавлить ингибиторы Wnt, то выход из состаренного состояния не сопровождался ускорением роста опухоли или возрастанием в ней доли раковых стволовых клеток. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Многие средства, применяемые для терапевтического лечения рака, переводят клетки опухоли в состояние «старости», в котором клетки перестают делиться. В результате наступает кажущееся клиническое выздоровление. Но недавние исследования неожиданно показали, что если клетки опухоли по какой-либо причине выходят из состаренного состояния, то они начинают делиться намного быстрее, чем обычно. Правда, этот процесс можно замедлить ингибиторами сигнального пути Wnt. Это открытие должно иметь большое значение для теоретических и клинических исследований терапии рака.

Хирургическое удаление опухоли — в тех случаях, когда это возможно и допустимо по медицинским показаниям — до сих пор остается основной составляющей стратегии лечения рака. Опухоль обычно удаляют с частью окружающей ее нормальной ткани. Другие действенные методы лечения рака — лучевая терапия и введение в опухоли радиоактивных препаратов, убивающих раковые клетки — могут применяться для онкологических заболеваний и тогда, когда хирургия невозможна (например, при лимфогранулематозе) или не целесообразна. Но все эти методы не гарантируют полного удаления раковых клеток из организма. Например, часть клеток может успеть отпочковаться от опухоли и распространиться по телу, затем перейти в «спящее» состояние и лишь через несколько месяцев, а то и лет, породить метастазы (см.: Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет, «Элементы», 10.06.2016). Для ликвидации клеток, которые могли остаться от опухоли, проводят терапию цитостатиками (лекарственными средствами, тормозящими деление клеток) и антителами против белков раковых клеток.

Цитостатики вызывают клеточное старение (репликативное старение), в результате которого в клетках угнетается синтез РНК и белков, так что они теряют способность к делению. Состарившиеся клетки не умирают, но могут быть атакованы и уничтожены иммунной системой организма. В организме старение клеток происходит в ответ на накопление мутаций, на активацию онкогенов, на сильные повреждения ДНК вследствие воздействия радиации, применение противораковых химиотерапевтических медикаментов. Это предотвращает размножение дефектных или опасных для организма клеток, поддерживает гомеостаз тканей и органов.

Старение клеток осуществляется по специальной генетической «программе», останавливающей деление клеток. Ключевыми компонентами для реализации программы состаривания являются белки p16^INK4a (ингибитор циклинзависимой киназы 2A, супрессор опухолей, см. p16), p21^CIP1 (ингибитор циклинзависимой киназы 1A, см. p21) и p53 (фактор регуляции транскрипции, регулятор клеточного цикла, супрессор опухолей), а также Suv39h1 (метилтрансфераза, осуществляющая триметилирование девятого остатка лизина в гистоне Н3). Известно, что программы состаривания клеток перекрываются с программами, отвечающими за стволовые клетки организма, которые не позволяют им неконтролируемо делиться и выходить из состояния стволовых. В то же время взаимосвязь программ старения и контроля стволовых клеток в настоящее время изучена недостаточно. Не было также известно, может ли старение раковых клеток придавать им свойства стволовых, потенциально способных активировать рост опухоли.

Большая группа исследователей, в основном из научных и медицинских учреждений Германии, попыталась разобраться в этом вопросе. Ученые выясняли, как старение злокачественных клеток, вызванное химиотерапией, изменяет их свойства, связанные со стволовым состоянием клеток дифференцированных тканей. Для этого культуры В-клеточной лимфомы (см. B-cell lymphoma) мышей in vitro переводили в состаренное состояние, добавляя в культуральную среду цитостатик адриамицин, подавляющий пролиферацию клеток, который давно применяется для лечения онкологических заболеваний.

Качественные и количественные характеристики наборов генов, экспрессирующихся (транскрибирующихся) в состаренных клетках, сравнивали с соответствующими профилями экспрессии необработанных клеток. Оказалось, что в состаренных и не делящихся клетках парадоксально активируются гены, экспрессия которых свойственна стволовым клеткам сформировавшихся тканей организма. Если же В-лимфомные клетки брали от мышей дефектных по ферменту Suv39h1, то вследствие этого дефекта клетки под действием адриамицина не старели и в них не активировалась экспрессия генов стволовых клеток. Аналогичные эксперименты с культурами клеток различных раков человека также показали усиление при искусственном химиотерапевтическом состаривании экспрессии генов, свойственных стволовым клеткам (рис. 2).

Рис. 2. Экспрессия некоторых генов, свойственных стволовым клеткам, в культурах различных раковых клеток человека и в первичных культурах клеток хронического лимфолейкоза (B-CLL) при старении под действием адриамицина. Слева приведены названия генов, внизу — культур клеток. SA-β-gal — маркер перехода в состаренное состояние. Синим обозначены клетки, перешедшие в состояние «старости» под действием адриамицина, белым — не перешедшие. Оттенками красного и серого обозначены степени активации или угнетения транскрипции генов по сравнению с клетками, не обработанными адриамицином. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Таким образом, и мышиные, и человеческие раковые клетки при старении приобретают свойства стволовых.

Затем ученые попробовали определить, как изменяются опухолеродные свойства клеток после выхода из состаренного состояния и возобновления их деления. Для этого были сконструированы линии мышей, у которых можно было включать и выключать упомянутые выше гены р53 и Suv39h1, функция которых необходима для перехода клеток «в старость». Эти гены были поставлены под контроль промоторов, активирующихся 4-окси-тамоксифеном, и поэтому могли работать только в присутствии этого соединения. После состаривания клеток в культуральной среде с адриамицином и тамоксифеном и переноса в среду без этих соединений гены старения выключались. В результате клетки В-лимфомы выходили из состаренного состояния и вновь начинали делиться, причем намного интенсивнее, чем клетки, не подвергавшиеся состариванию (рис. 3, слева).

Рис. 3. Слева — формирование колоний лимфоидными клетками (по вертикальной оси — число колоний на 100 клеток) на протяжении 14 недель после воздействия химиотерапевтическими препаратами. Красным показаны клетки, переведенные в состояние «старости» (4-ОНТ — тамоксифен, ADR — адриамицин), черным — контроль. Справа — инициация лимфомы у мышей после трансплантации разных доз по-разному обработанных клеток. Каждую дозу каждого типа клеток пересаживали десяти мышам. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Сходные результаты были получены и на обработанных адриамицином клетках лимфомы и колоректального рака человека. Очень важными представляются и результаты проверки онкогенного потенциала клеток В-лимфомы, их способности вызывать образование опухолей после выхода из состаренного состояния. Этот потенциал оказался намного выше, чем у исходных клеток (рис. 3, справа).

В общем, полученные результаты совершенно неожиданно показали, что приобретение клетками свойств стволовых при состаривании сильно повышает их онкогенный потенциал.

Анализ экспрессии генов разных сигнальных путей в состаренных клетках показал активацию путей, контролирующих стволовые клетки. Из них особенно сильно активировался путь Wnt. Осталось неизвестным, почему активируются именно эти сигнальные пути, секретируются ли Wnt-лиганды, воздействуют ли они на клетки, их продуцирующие, или на соседние клетки. Тем не менее это еще одно доказательство неожиданной связи старения клеток и приобретения ими свойств стволовых.

Рис. 4. Выживаемость (в днях) мышей после трансплантации им состаренных (previously senescent) или не состаренных клеток лимфомы и введения ингибиторов сигнального пути Wnt, указанных внизу. В каждой группе было по четыре мыши. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Очень важно, что эта находка открывает пути подавления опухолеродных эффектов «пробуждающихся» клеток. Ингибиторы пути Wnt подавляли рост опухолевых клеток после пробуждения (рис. 1) и существенно продлевали жизнь мышам, которым их трансплантировали (рис. 4).

Это наблюдение должно быть проверено в клинике и, не исключено, что некоторые подходы в химиотерапии рака будут скорректированы и пересмотрены для повышения ее эффективности. Возможно, химиотерапию следует прекращать далеко не сразу после состаривания опухоли, а затем — еще и применять ингибиторы пути Wnt.

Приведенные в рассматриваемой работе результаты получены главным образом in vitro или на генетически измененных модельных мышах. В будущем представляется очень важным установить, как раковые клетки могут преодолевать барьеры «старости» in vivo и обязательно ли это связано с приобретением ими свойств стволовых и увеличением их количества в опухоли. Требуется также проверка полученных результатов на неизмененных генетически модельных животных. Тем не менее авторы представили убедительные доказательства того, что, выходя из состаренного состояния, раковые клетки могут обретать усиленную способность к развитию опухоли.

Источники:
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. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье).