Иммунная реакция клеток на опухоль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Еще в начале прошлого века Нобелевский лауреат Пауль Эрлих, один из создателей иммунологии, высказал предположение, что в течение эмбрионального и постэмбрионального периода развития у людей могут возникать спонтанно в естественных условиях жизни различные мало специализированные (абберантные) клетки, отклоняющиеся в своем развитии от нормальной программы, которые потенциально способны формировать опухоли. Однако, абберантные клетки обычно из-за каких-то, пока не понятных, причин находятся в латентном состоянии. Эрлих считал, что скрытое существование таких клеток возможно благодаря наличию каких-то защитных механизмов, которые могут быть связаны с возможными иммунологическими реакциями. Этому же ученому принадлежит важнейшая идея о том, что клетки, ответственные за иммунные реакции, имеют на поверхности структуры -- рецепторы, которые позволяют «распознать» антиген.

Длительное время среди ученых-онкологов существовало ошибочное убеждение, что раковые клетки, поскольку они образовались из собственных клеток организма и имеют одинаковый генотип (набор генов), не могут вызвать защитных иммунных реакций в организме-хозяине опухоли.

Первым открыл иммунную реакцию на опухоль английский ученый Питер Горер в 1942 году. Он доказал появление в крови лабораторных мышей, пораженных злокачественной опухолью, антител против клеток этой самой опухоли. Защищают ли противоопухолевые антитела от рака? Дать ответ на этот вопрос на тот момент было невозможным.

Научный прогресс в онкологии ускорился в 1953 году, когда американец Эдвард Фоли обнаружил уникальное явление. Если у мыши с помощью канцерогена (метилхолантрена) вызвать развитие злокачественной опухоли, потом дождаться, когда она увеличится в размерах, а затем удалить, то приживить новообразование обратно не удается. Опухоль отторгается. Такой же по размерам кусочек нормальной ткани, если его также вырезать и затем пересадить (вернуть) обратно в тело этого же животного, всегда прирастет и будет жить также долго, как и сама мышь. Был сделан вывод (вообще-то не бесспорный), о том, что опухоль может вызвать иммунную реакцию отторжения. Соответственно возникло важное предположение, что организм имеет внутренние ресурсы для борьбы с раком, и, безусловно, появилась надежда, что такая возможность рано или поздно будет задействована медиками в борьбе против рака для спасения онкобольных.

Большую роль в поиске доказательств наличия в злокачественной опухоли специфических раковых антигенов и спасительной противораковой иммунной реакции сыграли американские ученые Л. Гросс и Р. Прен.

Открыл два онкогенных вируса, вызывающих злокачественные опухоли у мышей: вирус лейкемии и полиомавирус, заложил методические основы для последующего открытия других канцерогенных вирусов у животных различных видов, от грызунов до высших приматов.

Способность иммунной системы к ответу и уничтожению раковых клеток была продемонстрирована американцами Ричмондом Преном и Джералд Мэйн (Gerald Maine) в оригинальном эксперименте. Они воздействовали на мышей генетически чистой линии химическим канцерогеном (метилхолантреном), и через некоторое время на теле у животных появлялась злокачественная опухоль -- саркома. Эту опухоль вырезали и пересаживали другим здоровым мышам этой же чистой линии. Опухоль начинала расти в телах новых хозяев, и постепенно их убивала. Если же кусочки саркомы предварительно подвергались внешнему воздействию, которое нейтрализовало в них раковые клетки, то последующая пересадка таких «обезвреженных» кусочков лабораторным мышам все той же чистой линии к развитию опухоли не приводила. Кусочки убитой опухоли рассасывались за неделю, а мыши, как ни в чем не бывало, продолжали жить. Если им через некоторое время пересадить эту же самую, и в том же количестве, но живую саркому, то оказалось, что этой группы мыши не заболевали, а пересаженные клетки саркомы (в количестве достаточном для убийства не вакцинированных мышек) уничтожалась подготовленной иммунной системой, мыши продолжали жить. Но не все оказалось так просто.

«Второе рождение» иммунологии опухолей произошло к середине прошлого века. В 1957 году американский ученый Льюис Томас близко воспроизвел идею Пауля Эрлиха, что рак будет происходить «невероятно часто», если защитные силы организма не помешают росту постоянно возникающих раковых клеток. Развивая идею Эрлиха, Томас предположил, что при уничтожении опухолевых клеток в организме задействованы те же механизмы, которые отторгают чужеродный трансплантат. Он предположил, что основная функция клеточного иммунитета состоит в защите от новообразований.Представления об иммунном надзоре развил дальше австралийский вирусолог Фрэнк Макфарлейн Бернет.

В 1969 году Айван Роит предложил короткие названия разных популяций лимфоцитов.

В 1969 году заменил для удобства громоздкое слово «тимусзависимые» на символ -- Т, а «бурсозависимые» -- на символ В. Символы для обозначения лимфоцитов оказались удобными, и теперь используются всеми иммунологами. Т-клетки, или Т-лимфоциты, возникновением своего обозначения обязаны тимусу, а В-клетки, или В-лимфоциты, не зависят от тимуса. Они возникают и живут в костном мозге, где Т-клеток нет. В тимусе нет В-клеток, только Т, а в костном мозге только В. Во всех остальных лимфоидных органах (в лимфатических узлах, селезенке и в крови) есть обе популяции. Именно в периферических лимфоидных органах, Т- и -клетки встречаются, кооперируются и совместно функционируют.

В конце 1950-х Льюис Томас представил теорию иммунном, который Важным элементом такого механизма являются эффекторные клетки иммунной системы, активно патрулирующие организм и приспособленные для выявления и искоренения зарождающихся раковых клеток. Было сделано предположение, что Т-лимфоциты выступают в качестве стражейв обнаружении и устранении постоянно возникающих опухолей. В итоге было сформулировано понятие об «иммунном или иммунологическом надзоре» за постоянством молекулярного (антигенного) состава организма - концепции постоянного контроля, обнаружения и уничтожения иммунной системой,в том числе, трансформированных клеток, распознающихся, как чужеродные.

Гипотеза иммунологического надзора несколько десятилетий не получала ни подтверждения, ни опровержения. И не помогла самому Макфарлейну Бёрнету, который умер от рака.

Натан Каллис вместе со своим учителем Жоржем Снеллом продемонстрировали весьма парадоксальную закономерность. Оказалось, что после прививки животным опухоли, у них в крови появляются противоопухолевые антитела, но если взять эту кровь, и ввести другому животному, то потом получателю чужой крови легче привить эту же опухоль, и она растет быстрее. Антитела не тормозят, а усиливают рост опухоли. Этот феномен был названфеноменом иммунологического усиления. Открытие такого феномена вызвало замешательство у исследователей рака. Иммунитет вместо борьбы усиливает рост опухоли.

Ричмонд Прен в убедительных экспериментах показал, что иммунологические механизмы могут вызывать не только разрушение злокачественной опухоли, но в ряде случаев усиливать ее рост. Этот феномен вошел в литературу, как термин «иммуностимуляция опухоли». В 1972 году в журнале «Science» в статье «Иммунная реакция в качестве стимулятора роста опухоли» Прен опубликовал доказательства гипотезы, что основная роль иммунной реакции в канцерогенезе стимулировать, а не подавлять рост раковых клеток. Также Прен предположил, что стимулирующий эффект слабой иммунной реакции на рост опухоли может быть необходим для роста злокачественной опухоли на начальной стадии ее развития.Данные Прена предполагают, что нормальный иммунный ответ может иметь двойную функцию по отношению к неоплазии: (I) стимуляция роста опухоли, на ранних стадиях заболевания, или всякий раз, когда иммунная реакция минимальна; (II) ингибирование роста опухоли на более поздних стадиях канцерогенеза.

C. A. Janeway и P. Trovers показали, что варианты опухолевых клеток отбираются в организме, прежде всего, по множеству связанных с выживаемостью in vivo (внутри человека) свойств, в том числе важнейшему свойству опухолевых клеток -- их иммунодепрессивной способности, осуществляемой путем защиты себя от эффекторных систем хозяина, неспецифически распознающих чужое с помощью макрофагов, нейтрофилов и натуральных киллеров (NK), путем секреции антигенов, которые подавляют специфический иммунный ответ. Такие опухолевые клетки не экспрессируют антигены тканевой совместимости 1-го класса, необходимые для распознавания их цитотоксическими CD8 Т-лимфоцитами. Известный феномен «ускользания» (escape) состоит в постоянной мутации опухолевых антигенов, когда в результате отбора сохраняются только те опухолевые клетки, которые способны меняться постоянно с большой скоростью, опережая реакции системы иммунитета. Генетическая нестабильность опухолевых клеток, их гетерогенность обеспечивают раку чрезвычайную жизнестойкость. Частота генетических изменений в быстро метастазирующих опухолях в 5-7 раз выше, чем в неметастазирующих.  Кроме того, J. Bradley и J. McClaskey к феномену «ускользания» относят:  * маскировку опухолевых антигенов избытком антител или иммунных комплексов, вырабатываемых иммунной системой хозяина опухоли;  * снижение или полную блокаду Т-киллеров антителами иммунной системы хозяина опухоли к противоопухолевым антигенам;  * снижение «уровня презентации» опухолевых антигенов макрофагами, приводящее к угнетению продукции противоопухолевых цитокинов (ФНО, интерфероны и т. д.) макрофагами.

Шведские иммунологи супруги Карл и Ингегард Хеллстрем обнаружили в сыворотке крови больных раком особый фактор, мешающий лимфоцитам атаковать опухоль. Они установили, что этим фактором являются противоопухолевые антитела. Хеллстремы назвали их блокирующими и сформулировали очень популярную сегодня гипотезу блокирующих антител. Согласно этой гипотезе выработка антител, зависит от деятельности гуморальной системы иммунитета, которая находится в своеобразных конкурентных взаимоотношениях с клеточной формой противоопухолевого ответа. Иммунные лимфоциты распознают клетки рака и уничтожают их. А антитела самостоятельно не способны повредить или оказать вредное влияние на опухолевые клетки, но, прикрепляясь к поверхности мембран опухолевых клеток, загораживают и блокируют их от губительного действия иммунных лимфоцитов. В соответствии с гипотезой Хеллстромов судьба опухоли и опухоленосителя зависит от соотношения выработки антител и накопления иммунных лимфоцитов. Перетянет первое -- опухоль будет расти, перетянет второе -- будет разрушена. Еще в 50-е годы был описан феномен усиления опухолевого роста (enhancing), который состоит в защите антителами хозяина опухолевых клеток от действия иммунных Т-лимфоцитов. В результате такого отбора выжившие варианты опухолевых клеток, как правило, более резистентны к цитотоксическому действию активированных макрофагов, NK-клеток и Т-лимфоцитов. Опухолевые клетки приобретают селективные преимущества in vivo, развивая и используя для своей защиты против этих эффектов вполне адекватные и специфические механизмы (например, усиленный катаболизм перекиси водорода в ответ на его продукцию активированными макрофагами и нейтрофилами, а также выброс иммуносупрессора ПГЕ2 при контакте с NK-клетками и макрофагами). Сегодня ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что иммунные механизмы играют в организме важную роль задолго до появления клинически определяемой опухоли. Выяснено, что опухоль формируется и растет под влиянием противоположно направленных, но не взаимоисключающих иммунных реакций. Динамика опухолевого роста определяется равновесием между факторами иммунного надзора, с одной стороны, и пробластомными факторами той же собственной иммунной системы, способствующими росту опухоли, -- с другой. Феномен сложного механизма взаимодействия опухоли и организма ее хозяина был открыт в 1971 году американским ученым Р. Преном.

Ричмонд Прен в убедительных экспериментах показал, что иммунологические механизмы могут вызывать не только разрушение злокачественной опухоли, но в ряде случаев усиливать ее рост. Этот феномен вошел в литературу как термин «иммуностимуляция опухоли». В 1972 году в журнале Science в статье «Иммунная реакция в качестве стимулятора роста опухоли» Прен опубликовал доказательства предположения, что основная роль иммунной реакции в канцерогенезе стимулировать, а не подавлять рост раковых клеток. Также он предположил, что стимулирующий эффект слабой иммунной реакции на рост опухоли может быть необходим для роста опухоли на начальной стадии ее развития. В настоящее время различают три группы факторов, участвующих в развитии опухоли: 1) антибластомные (противоопухолевые -- врожденные и приобретенные иммунологические механизмы уничтожения опухолевых клеток в организме человека);  2) иммунорезистентности (устойчивость опухоли, ее способность избегать или отражать атаки иммунной системы человека -- хозяина опухоли); 3) пробластомные (способности иммунной системы усиливать рост опухоли за счет: а) оберегания роста злокачественной опухоли при избирательном подавлении противоопухолевого иммунитета; б) механизмов стимуляции роста опухоли).

Иммунная система реагирует на появление опухолевой ткани и развивает нормальный иммунный ответ, направленный на уничтожение опухоли за счет работы компонентов (факторов) противоопухолевой защиты. Противоопухолевые иммунные факторы:

I. Клеточные: 1) Т-лимфоциты-киллеры; 2) ЕК- и К-клетки; 3) активированные макрофаги; 4) гранулоциты. 

II. Гуморальные: 1) специфические антитела; 2) интерлейкины-1 и 2; 3) фактор некроза опухолей (ФНО); 4) интерфероны. Но развивающаяся опухоль постоянно ускользает от иммунного надзора за счет факторов иммунорезистентности опухоли. Иммунорезистентность опухоли обеспечивается: 1) слабой иммунногенностью опухолевых антигенов; 2) постоянной модификацией антигенов опухоли; 3) селекцией иммунологически устойчивых клеток; 4) потерей экспрессии антигенов системы HLA класса I; 5) выделением растворимых опухолевых антигенов; 6) экспрессией на поверхности опухолевых клеток и выбросом в межклеточное пространство рецепторов к различным цитокинам; 7) приобретением устойчивости к запрограммированной клеточной гибели за счет: потери рецептора к ФНО, появления на мембране молекулы FasL; 8) продукцией опухолевыми клетками ИЛ-6, ИЛ-10, ФНО и т. д. Более того, на определенном этапе развития опухоли иммунная система хозяина начинает выделять пробластомные (способствующие росту опухоли) факторы, которые: а) подавляют иммунитет; б) способствуют усилению роста опухоли. Пробластомные факторы, подавляющие иммунитет: 1. Супрессивные вещества, продуцируемые лимфоцитами и макрофагами. 2. Блокирующие антитела. 3. Циркулирующие иммунные комплексы. 4. Простагландины ПГЕ2. 5. Интерлейкин-10. 6. Трансформирующий фактор роста бета (TGFbeta), подавляющий:  а) продукцию цитокинов (ИЛ-12); б) созревание Т-киллеров; в) экспрессию рецепторов к цитокинам. Пробластомные факторы, усиливающие рост опухоли: 1. Фактор роста опухоли, продуцируемый макрофагами. 2. Интерлейкины-2 и 6. 3. Гамма-интерферон. 4. Фактор роста сосудистого эндотелия. 5. Иммунодефицитное состояние: а) нарушение созревания Т-киллеров; б) нарушение функции антиген-представляющих клеток. Сложные механизмы взаимодействия злокачественной опухоли и иммунной системы хозяина опухоли отражают важнейшую функцию иммунной системы -- регулирование процессов регенерации и размножения клеток. Открытие этой важнейшей функции принадлежит выдающемуся ученому -- профессору А. Г. Бабаевой. Возможно, что специфический иммунитет ответствен не за уничтожение злокачественных клеток, а за регуляцию их роста и развития. Механизмы же неспецифической иммунной защиты, согласно последним данным, могут иметь решающее значение в предотвращении онкологических заболеваний. В дополнительном материале к разделу сайта «ОНКОЛОГИЯ» дано объяснение биологического смысла пробластомного и антибластомного компонентов иммунного ответа организма, проявляющихся при канцерогенезе. Обычно опухоль возникает в тех участках тканей и органов, где в ходе регенерации наиболее интенсивно идет размножение клеток -- в так называемых пролиферативных центрах роста. Здесь встречаются менее дифференцированные клетки (клетки-предшественники) и чаще появляются условия для развития клеточной дисплазии с последующей трансформацией в опухоль. Такие центры наблюдаются в периваскулярной ткани, в базальной зоне многослойного плоского эпителия, в криптах слизистых оболочек.

Формирование опухоли, или переход предопухолевых изменений в опухоль, изучено недостаточно. На основании экспериментальных данных можно предположить следующую схему развития опухоли: 

* нарушение регенераторного процесса; 

* предопухолевые изменения, характеризующиеся гиперплазией и дисплазией; 

* возникающая стадийно малигнизация пролиферирующих клеток; 

* возникновение опухолевого зачатка; 

* прогрессия опухоли. 

Превращение нормальной клетки в трансформированную -- процесс многостадийный.

1. Инициация. Почти каждая опухоль начинается с изменения ДНК в отдельной клетке. Этот генетический дефект может быть вызван канцерогенами, например канцерогенными веществами (в частности, компонентами табачного дыма), физическими факторами (УФ-излучение, рентгеновские лучи) или онкогенными вирусами. По-видимому, в течение человеческой жизни немалое число клеток организма из общего их числа 10¹⁴ претерпевает повреждение ДНК. Однако для инициации опухоли важна лишь активация протоонкогенов. Эти повреждения являются наиболее важным фактором, определяющим трансформацию соматической клетки в опухолевую. К инициации опухоли может привести и повреждение антионкогена (гена-онкосупрессора).

2. Промоция опухоли -- это преимущественное размножение генетически измененных клеток. Такой процесс может длиться годами.

3. Прогрессия опухоли -- это процессы размножения малигнизированных клеток, инвазии и метастазирования, ведущие к проявлению злокачественной опухоли. Изучение злокачественных опухолей показывает, что на начальных этапах они растут и развиваются медленно. Наибольшая встречаемость различных форм рака отмечается после 40 лет. Можно предположить, что подобное явление не зависит от увеличения с возрастом частоты мутаций, так как по мере старения скорость деления клеток уменьшается, вероятность подобных ошибок падает.

Есть предположение, что с возрастом снижается эффективность механизмов, разрушающих мутационно измененные клетки. При этом надо также учитывать и сопутствующее уменьшение количества стволовых клеток, снижение эффективности физиологического обновления -- регенерации тканей, роль которого в процессе возникновения опухолей не ясна.

Период от возникновения до клинического установления диагноза занимает (предположительно) при плоскоклеточном раке легкого от 3 до 29 лет (в среднем 10,8 года), при недифференцированном -- от 3 до 46,6 года (в среднем 15,9 года), при аденокарциноме -- от 2,4 до 40 лет (в среднем 18,5 года). Быстрорастущему раку толстой кишки от одной клетки до опухоли в 6 см нужно 6-8 лет, а медленнорастущему -- около 50 лет. Можно предположить, что длительность развития опухоли связана с конкурентной борьбой клеток злокачественной опухоли и системами защиты хозяина опухоли. Как только опухоль нащупывает брешь в защите, она быстро прогрессирует. Итак, существует «скрытый период» развития опухоли, который охватывает промежуток времени между инициированием канцерогенного процесса и клиническим обнаружением опухоли. Последовательные «многократные толчки», являющиеся ступенями канцерогенеза, происходят в течение первой части «скрытого периода». Он может длиться от нескольких лет до 3 или более десятилетий, в результате чего образуется первая неопластическая -- злокачественная клетка. Второй период длится еще несколько месяцев или лет, составляя последний этап скрытого периода.

В это время происходят митозы потомков этой клетки и образуется клинически обнаруживаемое новообразование (злокачественный клон, состоящий приблизительно из 109 клеток). Установлено, что опухоль, развивающаяся (предположительно) из одной первичной клетки диаметром 10 микрон за время, требуемое для 30 удвоений (делений), достигает условно диагностируемого размера, равного 1 см (злокачественный клон, состоящий приблизительно из 109 клеток), -- это тот размер, когда опухоль доступна для клинической диагностики. Принято считать, что при весе злокачественной опухоли 1,5 кг происходит гибель больного. К этому времени осуществляется 40 удвоений (обычно максимальное время существования опухоли). То есть до появления первых признаков опухоль проживает большую часть времени -- ѕ периода существования системы человек -- злокачественная опухоль. Темпы удвоения разных видов опухоли различны и зависят от целого ряда факторов, индивидуальных особенностей опухоли и организма, в том числе: локализации, вида опухоли, состояния иммунитета и психики (стрессовые ситуации), гормонального статуса (например, в период беременности), потребления необходимых пищевых и противоопухолевых ингредиентов.

10 млн мутировавших клеток существуют в организме любого человека всегда, но под воздействием канцерогенных факторов их количество может увеличиваться, к примеру, в 10 раз и достигать 100 млн. Надо подчеркнуть, что мутации в генах вообще -- это естественный процесс, без которого невозможно совершенствование, а главное -- приспособление клетки, органа, организма в целом к постоянно меняющимся условиям среды. В общебиологическом плане мутации -- это механизм изменчивости, который совместно с наследственностью обеспечивает, с одной стороны, сохранение, а с другой -- развитие любого живого организма. И для осуществления возможностей развития в геноме каждой клетки имеются специфические так называемые гены-мутаторы, которые запускают механизм перестроек генома и при необходимости ускоряют их темп. Повреждение генов-мутаторов (например, гена BUB1) приводит к появлению большого числа клеток с генетическими аномалиями. Большинство из этих клеток гибнет либо сразу, либо претерпев несколько делений. Но мутация может дать клетке селективное преимущество, привести к увеличению частоты ее делений. Такая клетка становится родоначальником клона первичных раковых клеток. Справка: хромосомная нестабильность характерна для наследственных синдромов: анемии Фанкони, синдрома Блума и атаксии-телеангиоэктазии. Клинические наблюдения показывают, что при этих заболеваниях очень существенно (более чем в 100 раз) повышается риск развития злокачественных новообразований.

Как правило, возникновение опухоли связано с повреждением регуляторной системы, контролирующей рост и деление клеток. В генетическом аппарате клетки происходит активация протоонкогенов (их известно около 100, они отвечают за развитие и деление клеток), превращая их в онкогены (сверхактивные протоонкогены) -- гены-стимуляторы. Активность онкогенов ведет к автономному и неконтролируемому росту опухоли за счет увеличения продукции стимулирующих факторов роста или рецепторов (кодируемых онкогенами), их воспринимающих. С позиций молекулярной генетики при активации протоонкогена происходят: генная амплификация (умножение количества копий гена), транслокация (подставка под мощный промотор) протоонкогенов, точковые мутации, реаранжировка, инсерции в нуклеотидных последовательностях этих генов. Природой заложена защита в виде противовесов «антионкогенов» -- генов-супрессоров. Эти антагонисты онкогенов отвечают за торможение клеточного роста, запуск процессов специализации клетки (превращение в нормальную зрелую) и последующую программируемую клеточную гибель. Гены-супрессоры кодируют цитокины, рецепторы к ним, передатчики сигналов, факторы транскрипции (деления), ферменты, ответственные за поддержание пространственной структуры ДНК, и т. д. Неуправляемый рост клеток невозможен без угнетения или полного выпадения функции генов-супрессоров.

Сегодня в онкологии все более отчетливо звучит мнение, что рак -- это не следствие накопления случайных мутаций в клетке.

Так, Дэвис и его соавтор профессор Чарльз Линьюивер кратко изложили своё видение проблемы рака следующим образом: «Мы предполагаем, что рак - это атавизм, который возникает, когда генетические или эпигенетические неисправности открывают древний «арсенал» уже существующих приспособлений, восстанавливающих доминирование более раннего слоя генов, которые контролировали свободные колонии лишь частично дифференцированных клеток, похожих на опухоли. Существование такого инструментария предполагает, что прогресс новообразования (рака) в организме хозяина явно отличается от нормальной эволюции Дарвина». Можно сказать, что рак - это древняя реакция выживания отдельных клеток в неблагоприятном микроокружении (токсичная среда, нарушения трофики, измененный иммунитет). Такие клетки учатся выживать при постоянных чрезмерных нагрузках, осуществляя клеточную репарацию и постоянное самовосстановление (репликацию).

В онкологии до последнего времени главенствовало представление об исключительно генетической природе рака (рак -- болезнь генов, нет опухоли без того или иного повреждения генома). За последние четверть века получено множество доказательств его справедливости. Установлено, что причиной возникновения опухоли и ее последующей прогрессии является накопление в клетках мутаций специфических генов (см. выше). Это приводит к изменению структуры соответствующих белков и, как следствие, либо к не адекватной обстоятельствам стимуляции размножений клеток (активация онкогенов), либо к инактивации генов-супрессоров, тормозящих клеточное размножение, либо к сочетанию того и другого (чаще всего).  Согласно альтернативной (эпигенетической) точке зрения, до последнего времени весьма непопулярной, опухоль -- результат не повреждения, а неправильной работы генов (рак -- болезнь регуляции генов, болезнь дифференцировки), которая может быть обусловлена метилированием ДНК. Вполне очевидно, что относительный вклад генетических и эпигенетических факторов в конкретные формы опухолей варьирует в широких пределах. В этой связи следует заметить, что эпигенетическая регуляция не исчерпывается одним лишь метилированием ДНК, но включает и другие механизмы и компоненты хроматина, в частности белки с хромодоменом. 

Недавние исследования привели, однако, к конвергенции этих, казалось бы, непримиримых позиций. Оказалось, что в канцерогенезе две составляющие -- генетическая и эпигенетическая, причем относительный вклад каждой из них в конкретные формы опухолей человека варьирует в широких пределах. Гены-супрессоры и гены репарации в опухолях инактивированы в результате либо их повреждения, либо метилирования промоторов (в последнем случае имеет место «эпимутация» как эпигенетический эквивалент мутации, вызывающая те же функциональные последствия). Становится очевидным, что канцерогенами могут быть не только мутагены, но и другие факторы, воздействующие на клеточный метаболизм (в частности, на метилирование). 

При канцерогенезе механизм метилирования ДНК существенно нарушается. Наблюдаемое при этом массовое метилирование CpG-островков (неметилированных в норме) обусловлено, по-видимому, не собственно реакцией de novo, а скорее механизмом спрединга, результаты активности которого закрепляются поддерживающим метилированием в ряду поколений опухолевых клеток.  Роль метилирования ДНК в патологии наиболее явно проступает в опухолевой трансформации, когда аберрантная и стабильная инактивация генов-супрессоров приводит к тому же эффекту, что и их физическое повреждение.

Это явление было названо эпимутацией, т. е. эпигенетическим эквивалентом генетической мутации. Иногда применяют термин MAGI (methylation-associated gene inactivation).  Параллельно с изменениями генов в перерождающихся клетках происходят геномные мутации -- наследственные изменения, связанные с изменением генотипа. Явление кратного увеличения всего набора хромосом в клетке носит название полиплоидия. Полиплоидия была открыта в 1892 году русским ботаником И. И. Герасимовым у зеленой водоросли спирогиры. Оказалось, что подобное повышение содержания ДНК в клетках происходило в ответ на действие неблагоприятных факторов (нагревание, охлаждение, воздействие хлороформом) на водоросли и помогало водорослям выжить в сложных условиях. Очень интересен в этом контексте вывод, сделанный выдающимся генетиком профессором П. П. Иванищуком: «Приспособленность… к изменяющимся условиям… в значительной степени обеспечивается комбинативной изменчивостью, запас которой определяется числом хромосом».

Профессор Г. Автандилов исследовал ядра опухолевых клеток и обнаружил закономерность, которую назвал «законом ступенчатой стадийности канцерогенеза». Согласно этому закону, каждая последующая стадия канцерогенеза отличается от предыдущей увеличением среднего содержания ДНК в ядрах клеток на одну единицу плоидности («код злокачественности»). В клетках нормальной ткани средние значения плоидности не превышают 2,4 с (с -- единица плоидности), в клетках доброкачественных опухолей -- 2,5-3,4 с. В процессе развития рака возникают пограничные, неинвазивные (не прорастающие в соседние ткани) новообразования, плоидность ядер клеток которых достигает 4,4 с. Опухоли, имеющие средние показатели плоидности (свыше 4,5 с), становятся инфильтрирующими, с нарастающими признаками злокачественности (нарушением дифференцировки, резкой дезорганизацией пораженной ткани, прогрессирующим метастазированием), а также появлением новых биологических свойств. Это карциномы первой (4,5-5,4 с), второй (5,5-6,4 с), третьей (6,5-7,4 с) и четвертой (7,5 с и выше) степеней. Интересно, что полиплоидные клетки появляются как проявление полезной компенсаторно-приспособительной реакции в регенерирующих органах, например, в печени.

Впервые за последние годы поднял вопрос об огромной устойчивости в злокачественных опухолях популяций полиплоидных раковых клеток, и их нечувствительности к ДНК-повреждающим химиопрепаратам. Он так же обнаружил, что тетраплоидные клетки повреждаются под воздействием известных аспирина и ресвератрола, которые, как известно, никаким неблагоприятным воздействием на нормальные и здоровые клетки человека не обладают.

Онкология сегодня представляет собой искусственно выстроенную и подчиненную коммерческим интересам систему заблуждений. Эта во многом псевдонаучная система игнорирует огромные массивы знаний, которые в этой системе необъяснимы. Например, помимо «не понятных» стволовых раковых клеток и«не замечаемых» полиплоидных раковых клеток, не вызывала в течение десятилетий интереса и роль неохромосом, встречающихся в клетках опухолей. Неохромосома (Neochromosome) -- это атипичная внутриядерная структура, которая содержит нуклеиновую кислоту, с увеличенным, в сравнении с нормальной хромосомой, количеством пар нуклеотидов (в 2-3 раза), которая несетувеличенное количество (от 60 до 100 копий) ключевых генов, участвующих в развитии рака.

Присутствие неохромосом в опухолевых клетках обнаруживается в 3%-тахслучаев от всех раковых заболеваний.Наиболее часто неохромосомы обнаруживаются в клетках сарком, липосарком, в некоторых видах опухолей мозга и крови. Автор новейшего исследования этих структур профессор Дэвид Томас из Австралии считает, что неохромосома «служит домом для многих генов, которые заставляют клетки опухоли расти неправильно», и роль этих хромосом в процессеканцерогенеза должна быть тщательно исследована. Надо отметить, что генная инженерия рассматривает возможность искусственного и полезного для человечества изменения наследственной информации, как раз путем создания неохромосом. В природе давно воспроизводиться подобная модификация генома и биологическую сущность этого явления нам еще только предстоит понять.

Недавно было открыто явление быстрого скачкообразного изменения структуры хромосом при канцерогенезе, получившее название «хромотрипсис» (греч. чс?мб -- цвет и фсiшйт -- фрагментация). Хромотрипсис (chromothripsis) -- это одномоментный клеточный кризис (переворот), ведущий к образованию сложных комплексных (иногда охватывающий целую группу хромосом) хромосомных перестроек. Хромосомные перестройки - это тот тип мутаций, при котором хромосомы изменяют свою нормальную структуру, может происходить утрата участка хромосомы, изменение порядка генов участка хромосомы на обратный, повторение участка хромосомы, перенос участка хромосомы на другую и т.д., то есть участки хромосом могут изменить свое положение, потеряться или удвоиться.

Термин «Хромотрипсис» был введён в 2011 году Филиппом Стефенсом и его соавторами по научной публикации результатов обнаруженных геномных перестроек в раковых клетках. В работе проводилось парноконцевое определение нуклеотидной последовательности первичной структуры ДНК клеток опухоли, и было показано, что в клетках различных типов рака (2-3% всех изученных случаев) могут происходить и сохраняться очень сложные перестройки хромосом, образующиеся одномоментно после массивной фрагментации отдельной части генома.

Хорошо известно, что хромосомные перестройки приводят к изменению генома в целом. В биологическом смысле такие изменения способны внести различия между особями одного вида, что впоследствии в исторической перспективе может приводить к образованию новых видов живых существ и является одним из возможных механизмов эволюции. Ранее американский эволюционный биолог Лей ван Вален, исследуя хромосомные наборы самой известной и первой бессмертной культуры опухолевых клеток человека (HeLa, получена в 1951 г.), обнаружил несоответствие признаков (число, размеры, форма и т. д.) полного набора хромосом клеток HeLa (49-78 хромосом) нормальному кариотипу человека -- 46, XX (женский) и 46, XY (мужской).

Известна способность клеток He La сохраняться и размножаться в таких условиях, в которых все остальные культуры нормальных и даже опухолевых клеток выжить не могут. He La -- это линия клеток рака шейки матки (плоского эпителия) человека, со встроенным в их геном папилломавирусом (штамм HPV-16). По приблизительным оценкам во всем мире произведенная масса клеток этой линии превышает 50 тонн, а количество научных статей, где объектом исследования были клетки He La достигает 75.000. Необычайная жизнеспособность этих раковых клеток привела к тому, что множество известных клеточных культур, происходящих из других типов тканей оказались заражёнными этими более агрессивными и живучими клетками. Биологи допускают возможность, что He La могут перемещаться с частицами пыли в воздухе, на недостаточно тщательно вымытых руках и приживаться в культурах других клеток. Учитывая несоответствие числа хромосом у HeLa и людей, определенную экологическую нишу клеток HeLa, а также их удивительную способность сохраняться и размножаться за пределами допустимых условий, Лей ван Вален предположил, что впервые в искусственных лабораторных условиях, созданных человеком, возник новый биологический вид, который он назвал Хелацитоном Гартлера. В честь Стенли М. Гартлера, первого исследователя He La.

Принимая во внимание иерархию биологической систематики, Хелацитон Гартлера по сути может считаться новым видом одноклеточных организмов, но при этом являться ближайшим родственником человека, относиться к отряду приматов и являться млекопитающим. Клетки He La «самостоятельно» распространяются по всему миру, проникают в лаборатории в разных концах света, заражая другие клеточные культуры.

Нельзя не заметить, что трансформация нормальных клеток в опухолевые может быть запущена постоянно имеющимися в окружающей среде и даже в самом организме факторами и «технически» представляет собой довольно сложный процесс, который трудно принять как случайный. Мутации происходят в строго определенных локусах, и не в одном гене, а в нескольких. Происходят до 7-10 генных изменений и череда геномных мутаций. Приобретение клеткой злокачественных свойств -- результат взаимодействий онкогенов как минимум трех разновидностей: генов иммортализации, трансформации и промоции. Этот процесс трудно представить как цепь накоплений случайных дефектов в геноме, длящийся годы и десятилетия. Ряд исследователей считают, что в опухолевой ткани происходят не спонтанные мутации, а запускаются и стабильно функционируют части программ нормального эмбрионального развития. То есть превращение нормальной клетки в злокачественную связывают с ее эмбрионализацией. Злокачественная опухоль для повышения своей жизнеспособности запускает (частично) более простые, но более эффективные программы (механизмы) эмбрионального развития для обеспечения опухолевой прогрессии (индивидуального развития опухоли). Надо отметить, что все свойства опухолевых клеток не уникальны, эти свойства характерны и для абсолютно нормальных клеток и тканей и проявляются на определенных этапах жизненного цикла: 1) так, способность к неограниченному делению и аутокринной стимуляции характерна для нормальных стволовых клеток; 2) способность к повреждающему проникновению в прилегающие ткани характерна для трофобласта. Гемохориальный тип плаценты человека характеризуется тем, что третичные ворсины ветвистого хориона при помощи протеолитических ферментов трофобласта последовательно разрушают эпителий эндометрия матки, соединительную ткань и полностью -- стенку кровеносных сосудов. В результате в эндометрии образуются углубления -- лакуны, в которые изливается кровь из разрушенных артерий.

Благодаря этому третичные ворсины омываются материнской кровью. Из этой крови через трофобласт ворсин всасываются питательные вещества в кровь плода, которая циркулирует в сосудах, расположенных в ворсинах. В условиях эксперимента нормальные клетки, взятые из почки роста регенерирующей конечности и помещенные в атипичное место, например внутрибрюшинно, начинают прорастать в соседние органы. На своем месте эти клетки обеспечивают рост конечности после повреждения (эксперимент на саламандрах). Или другой эксперимент на мышах. Например, если неопухолевые клетки нормальной щитовидной железы, активно синтезирующие тиреоглобулин, извлечь из ткани и поместить в легкие этого же животного, то эти клетки начинают размножаться и вести себя точно так, как ведут себя клетки метастазирующей опухоли -- прорастают и повреждают ткань легкого; 3) способность к распространению с током крови или лимфы по всему организму.

На этом свойстве основано развитие эмбрионов человека. Например, пигментные клетки -- меланоциты образуются из скопления клеток, образующих нервный гребень, а затем эти клетки разносятся по всему организму и присутствуют в эпидермисе, надпочечниках, тканях глаза. Клетки трофобласта при беременности разносятся по всему организму матери, а стволовые клетки плода могут жить в организме матери десятилетия.  Можно продолжать перечисление аналогий достаточно долго. Открыт целый ряд необычных эффектов, которые подтверждают предположение, что раковые клетки по своим свойствам похожи на неспециализированные клетки, характерные для ранних стадий эмбрионального развития.

Удивительный результат получили недавно американские биологи. Им удалось клонировать здоровый эмбрион мыши, используя в качестве исходного генетического материала раковые клетки из опухоли головного мозга. Они впервые продемонстрировали, что гены раковой клетки могут дать начало нормальному эмбриону.

Курран с коллегами показал, что из раковой клетки может быть получен клон нормального животного. Tom Curran, работающий в исследовательском госпитале штата Теннесси, произвел те же манипуляции, которые использовали создатели Долли. Разница заключалась лишь в том, что в этом эксперименте в яйцеклетку мыши было введено ядро от опухолевой клеткой, соответственно, с опухолевой ДНК, в которой ряд генов не подчинялся контролю со стороны организма. На первый взгляд развитие плода с использованием такой поврежденной ДНК казалось невозможным. Плод мыши, согласно современным представлениям, не должен был развиться вообще, либо мог развиваться с сильными врожденными дефектами. Однако, как показал эксперимент, цитоплазме яйцеклетки, очевидно, удалось каким-то образом исправить генетические ошибки, в результате чего сформировались вполне нормальные эмбрионы мыши. Процесс проверки и обновления генетического материала при развитии плода получил название «перепрограммирование» (reprogramming). Пока совершенно неясно, что происходит в этот период в клетке, однако ученые предполагают, что, скорее всего, перепрограммирование не способно исправлять сам генетический код, если он поврежден в ходе мутаций. Более вероятно, что данный процесс регулирует развитие эмбриона, подавая сигналы активации для одних генов и выключая активность других.

Аналогичные результаты были получены профессором Карреном в соавторстве с Джеймсом Морганом на мышах, где ядра из линии клеток медуллобластомы мышей смогли запустить, хотя и с низкой эффективностью, раннее развитие, в результате чего были получены эмбрионы с задержкой дальнейшего развития.

Надо отметить, что значительно раньше Беатрис Минц и Карл Ильмензее еще в 1975-76 гг. провели серию уникальных для того времени экспериментов, продемонстрировав возможность потери клетками рака злокачественных свойств. Им удалось встроить клетки крайне агрессивной злокачественной опухоли -- тератокарциномы (эту опухоль еще называют эмбриональным раком) от мыши одной генетической линии в бластоцисту (зародыш на раннем этапе развития) здоровой мыши другой линии. В результате из полученной в лаборатории искусственным путем бластоцисты (зародыша) при подсадке в матку развился, во-первых, здоровый мышонок, а пересаженные опухолевые клетки при этом не убили ни плод, ни мать. Во-вторых, родившееся животное и его потомство унаследовали признаки мышей обеих линий. То есть, в теле эмбриона раковые клетки потеряли свои злокачественные свойства, а потомки этих опухолевых клеток сформировали здоровое тело нормальной мышки. Были сделаны важные выводы, что злокачественная опухолевая клетка может быть тотипотентной, выполнять роль нормальной стволовой клетки, нести неповрежденную наследственную информацию об организме, из которого она произошла, и, самое важно, что при определенных условиях злокачественность может стать обратимой.

Когда у мышонка появлялась шерсть, то окраска у него оказалась не белой или черной, как у родителей, а смешанной, с чередующимися черными и белыми пятнами или полосами. Это является одним из наглядных доказательств, что ткани животных-химер мозаичны, а часть дифференцированных клеток происходит из клеток тератокарциномы, которые совместно с клетками нормального происхождения участвуют в построении здорового организма.

Схема эксперимента по получению аллофенных зародышей мышей, путем смешивания в чашке Петри клеток тератокарциномы с клетками нормальных предимплантационных зародышей на стадии 8-64 клеток

противораковый иммунный онкогенный опухоль

Зародыши -- химеры, полученные искусственным путем из опухолевых и здоровых зародышевых клеток, нормально развивались, проходили без аномалий внутриутробный период развития, а позднее после рождения такие мыши нормально росли, размножались и давали жизнеспособное потомство.

Следует подчеркнуть, что если те же клетки опухоли, которые были пересажены в зародыш мыши на ранней стадии развития, трансплантировать взрослому животному, той же чистой линии, то тератокарцинома неизменно начнет свой рост, и достаточно быстро убьёт эту взрослую подопытную мышь. Вывод о возможной утрате клетками рака злокачественных свойств, был крайне важен и открывал перспективы к созданию новой стратегии нетоксичной терапии опухолей. Однако, практических результатов за много лет, прошедших после знаменитого эксперимента достигнуто не было. Дизайн исследования и его реализация все же вызывают много вопросов и сомнений. Карл Ильмензее был участником неприятной истории с обвинением в фальсификации своих научных достижений, когда опубликованные им данные по клонированию животных не получилось воспроизвести в других научных лабораториях.

Впоследствии аналогичные эксперименты были проведены с клетками аденокарциномы молочной железы, плоскоклеточного ороговевающего рака, хондросаркомы (Pierce, Speers, 1988). Другой важный вывод из этого эксперимента заключается в том, что даже высокоагрессивной опухолевой клетке можно возвратить статус нормальной помещением ее в специфические условия. А онкоген при этом, по мнению В. Г. Шапота (1981), элиминируется, например, в результате перемещения мобильного элемента и потери промотора, или репрессируется в результате эпигеномных перестроек.

Ниже приведены данные о потере раковыми клетками злокачественных признаков при изменении условий их микроокружения: 1) Embryonic inductive tissues that cause histologic differentiation of murine mammary carcinoma in vitro. DeCosse J. J., Gossens C., Kuzma J. F., Unsworth B. R., 1975. Получена дифференцировка опухоли молочной железы при непосредственном контакте с мезенхимой и печеночной тканью мышиного эмбриона или при контакте через мембранный фильтр. Через 14 дней культивирования в опухоли появились дольки и протоки. 2) Differentiation of a mouse mammary tumor in vitro. Gossens C. L., Unsworth B. R., 1972. Культивация аденокарциномы из спонтанной опухоли молочной железы мыши с различными тканями мышиных эмбрионов при их непосредственном контакте или контакте через миллипоровый фильтр. Через 14 дней была отмечена дифференцировка клеток. Наиболее активно этот процесс индуцировала эмбриональная мезенхима.  3) Experimental activation of the differentiation ability of malignant cells. Esilern-Aspang F., Kratochwil K., 1963. Культивирование злокачественной куриной саркомы с хордой 4-5-дневного зародыша цыпленка приводило к образованию в саркоматозной ткани участков гиалинового или волокнистого хряща. 4) Proceedings: Differentiation of nephroblastoma. Rousseau-Merck M. F., Nezelof C., 1976. Получили агрегацию клеток нефробластомы и образование канальцев при сокультивировании опухоли с тканями мочеточников и среднего мозга куриных эмбрионов. Приведенные данные позволяют объяснить феномен спонтанной регрессии опухоли (см. раздел «ОНКОЛОГИЯ»). В результате внешнего воздействия, например сильного стресса, ложной операции, сопутствующей инфекции, проведения биоэмбриотерапии или вакцинации по Троицкой, опухолевые клетки получают некий сигнал, изменяющий их генетическую программу развития, происходит (открытое в лабораторных условиях) перепрограммирование злокачественных клеток -- реверсия -- превращение раковых клеток в специализированные нормальные. Клетки начинают дифференцировку -- специализируются и переключаются на постнатальную программу развития. Опухоль исчезает бесследно. Потенциал возможностей новых стратегий лечения рака еще предстоит исследовать, но уже очевидно, что препараты, основанные на дифференцировке и нормализации опухолевых клеток:  1) не токсичны;  2) позволяют быстро достичь выраженного эффекта;  3) дают длительные сроки лечебного эффекта.

Биология опухолей мало интересует онкологов-клиницистов, много сложного и непонятного, однако нас неминуемо и скоро ждет глубокое переосмысление современных представлений о раке. Например, достаточно неожиданной для специалистов стала информация, что экзосомы, которые выделяют опухолевые клетки, могут переносить микроРНК, и при попадании в определенные здоровые клетки превращать их в опухолевые. Экзосомы - это давно описанные структуры, известно то, что они обеспечивают адресную передачу информации между удаленными клетками, перемещаясь с током крови или лимфы по всему организму, но прямое участие таких структур в канцерогенезе, когда экзосомыне только способствуют размножению опухолевых клеток и их снабжению новыми кровеносными сосудами, но и перепрограммируют на расстоянии здоровые клетки в злокачественные - это крупное открытие. Таким образом, метастазы могут возникать не только из мигрирующих опухолевых клеток или комплексов, но и из нормальных клеток под действием экзосом первичной опухоли.

В экспериментах под руководством профессора Каллури экзосомы, произведенные клетками человеческого рака молочной железы, вводили здоровым мышам. У этих подопытных грызунов возникали злокачественные опухоли, состоящие из трансформированных мышиных клеток. Если же мышам вводили экзосомы от здоровых людей, то опухоли не возникали. Важно, что мыши так же оставались здоровыми, если в экзосомах, которые им вводили в эксперименте от раковых больных, предварительно блокировали синтез микрорегуляторных человеческих РНК.

Следует отметить, что уже в 1937 г. впервые в мире советским ученым была доказана возможность получения опухолей у животных после введения экстрактов из тканей умерших от рака людей.

Шабад при вскрытии умерших от рака людей извлекал печень (печень была свободна от опухоли или видимых метастазов), получал из нее бензольный экстракт, затем отгонял из экстракта бензол и в виде водной нетоксичной суспензии вводил извлеченное вещество подопытным мышам. Через некоторое время в месте введения у животных возникал рак или саркома. В ходе дальнейших исследований было установлено, что образование злокачественных опухолей вызывали так же экстракты из легких и желчи больных раком. Действующий фактор находился в неомыляемой фракции, и, вероятно, мог быть стероидом. Интересно, что экстракты тканей пожилых людей, умерших не от рака, так же могли вызывать злокачественные опухоли у животных, но значительно реже.

Шабад с коллегами обнаружили так же, что водно-солевые экстракты уже из самих раковых опухолей человека способны вызывать злокачественные новообразования после подкожной инъекции у подопытных животных в месте введения. Не смотря на многие открытые вопросы, Шабад на основе этих экспериментов сформулировал концепцию об эндогенных бластомогенных веществах. М. О. Раушенбах и другие ученые развивали это интересное направление, но серьезного дальнейшего развития оно все же не получило.

Размещено на Allbest.ru