1
11198

Стволовые клетки опухоли

Несмотря на успехи в разработке многочисленных противораковых препаратов, большинство опухолей на стадии метастазирования остаются фактически неизлечимыми. Сравнительно недавно было показано, что "первую скрипку" в развитии практически всех злокачественных новообразований играет небольшая субпопуляция раковых клеток, обладающая характеристиками стволовых клеток. Подобная дифференциация клеток опухолей приводит к гетерогенности опухоли, что влечет за собой снижение восприимчивости к лечению.

на сайте с 15 января 2009

Введение

В достаточно провокационной статье, опубликованной в журнале Fortune в 2004г, редактор Clifton Leaf, перенесший сам онкологическое заболевание, ставит вопрос: "почему мы проигрываем войну с раком?". В этой статье автор рассматривает данные о прогрессе в разработке и развитии различных противораковых препаратов за последние 40 лет. За это время произошел существенный прорыв в лечении лейкемии у детей, болезни Ходжкина, рака яичников. Более того общая смертности от таких распространенных опухолей, как рак молочной железы и рак предстательной железы, существенно сократилась во многом благодаря предупреждению и внедрению ранней диагностики. Вместе с тем, в статьей отмечено, что за последние десятилетия так и не произошло значительного увеличения выживаемости пациентов с метастазами. За последние время опубликовано огромное количество работ, в которых используются идеи целевой терапии онкологических заболеваний. При данном подходе препараты специфически поражают опухолевые клетки, воздействуя на их молекулярные механизмы. К сожалению, результаты клинических испытаний, как правило, не столь обнадеживающие как данные, полученные ex vivo, на клеточных культурах. Таким образом, возникает вопрос: "Правильно ли выбрана мишень для противопухолевых препаратов?"
мышка с привитой опухолью Фундаментальной проблемой в исследовании рака является идентификация клеток, способных поддерживать рост опухоли. Существует огромное количество доказательств того, что раковые опухоли являются потомством одной клетки. Вместе с тем в многочисленных экспериментах, начиная с 1950х г. показано, что при пересадке раковых клеток модельным животным требуется в среднем 1млн клеток. Подобные наблюдения привели к гипотезе о том, что не все клетки опухоли равнозначны, а представляют собой достаточно гетерогенную популяцию. Примерно в это же время было продемонстрировано, что тератокарциномы содержат как клетки, вызывающие опухоли, так и клетки, не вызывающие опухоли, которые являются потомством первого типа клеток. Эти данные в 1961 позволили Pierce и Speers из Department of Pathology, University of Colorado Health Sciences Center выдвинуть идею, что опухоли являются своего рода "карикатурами"  на нормальное развитие клеток и обладают иерархической организацией.

Модели гетерогенности рака

модели, объясняющие гетерогенный состав опухоли


Были предложены 2 модели, объясняющие разнородный состав опухоли. Согласно первой, стохастической, модели, опухоль является биологически гомогенной. Любая функциональная гетерогенность связана со случайными воздействиями, которые влияют на поведение индивидуальной клетки в опухоли. Эти воздействия могут быть как внутренние (транскрипционные факторы, сигнальные механизмы в клетке), так и внешние (микроокружение клетки, иммунная система организма). Вторая модель, иерархическая, является более поздней и предполагает, что опухоли подобны другим тканям организма, развивающимся из стволовых клеток. По этой модели, клеточная гетерогенность опухоли связана с иерархией, во главе которой находятся опухолевые клетки, обладающие способностью к обновлению. Этот тип клеток получил название "стволовые клетки опухоли".

Почему стволовые клетки опухоли стволовые?


Все ткани нашего организма происходят в результате дифференцировки определенных стволовых клеток. Стволовые клетки представляют собой маленькую популяцию, из которой и развиваются все клетки ткани. Отличительными особенностями этого типа клеток являются способности к самообновлению и к дифференцировке в различные клетки, составляющие ткани и органы. Тканеспецифичные стволовые клетки отличаются от эмбриональных стволовых клеток тем, что их дифференцировка во многом ограничена конкретными органами.  Стволовые клетки благодаря своей долгой жизни в организме накапливают мутации, способствующие развитию процессов канцерогенеза. Более 40 лет назад учеными TILL JE и McCULLOCH EA была предложена гипотеза, что тканеспецифичные стволовые клетки могут быть первоисточником раковых клеток. Нормальные стволовые клетки и их опухолевые двойники обладают рядом общих характеристик: самообновление, иммортализация за счет активации теломеразы, устойчивость к апоптозу и ряд других. Впервые существование стволовых клеток опухоли было продемонстировано в 1994г. группой из Toronto General Research Institute под руководством John E Dick. Они показали, что только маленькая популяция клеток лейкемии, экспрессирующие поверхностные маркеры нормальных стволовых клеток (CD34+CD38–), была способна вызывать опухоль у мышей. Более того, опухоли, развивающиеся у мышей, имели те же характеристики, что и образцы, откуда они были взяты. Подобные результаты на примере крупных опухолей  были впервые получены в лаборатории Clarke из University of Michigan Medical School. Исследователи продемонстрировали, что в опухолях молочной железы существует субпопуляция стволовых клеток опухоли с определенным набором поверхностных маркеров CD44+CD24–. Из 20000 клеток только 100 могли вызвать развитие опухоли у иммуносупрессивных мышей. В дальнейшем, данные об обнаружении стволовых клеток опухолей в разных злокачественных новообразованиях стали стремительно накапливаться. В настоящее время стволовые клетки опухоли выделены из многих новообразований, что подтверждает пролиферативный потенциал этих клеток и клональную природу рака.

стволовые клетки- виновники рака?

В мире науки / Scientific American, 2006/10. Тема номера: стволовые клетки- виновники рака?
Книга
Автор:
Цена:
163.00 руб.
Вес:
120 г
Нехудожественная литература Наука. Техника Журнал "В мире науки"

Особенности биологии стволовых клеток опухоли

Модель стволовых клеток опухолей, то есть функциональной гетерогенности клеток опухоли хорошо объясняет как процессы метастазирования, так и устойчивость опухолей к лекарственным веществам. До недавнего времени предполагалось, что метастаз происходит из случайных мутаций и последующего отбора и, таким образом, представляет собой позднее событие в эволюции опухоли. Однако, недавно стали появляться данные о том, что предрасположенность опухолей к метастазированию может быть предсказана с помощью молекулярного типирования исходной опухоли. Эти данные свидетельствуют о том, что способность к метастазированию заложена в геноме конкретной раковой клетки, что хорошо согласуется с моделью стволовых клеток опухоли.

Другой немаловажной особенностью стволовых клеток опухоли является взаимодействие их с микроокружением. Активность нормальных стволовых клеток также сильно зависит от взаимодействий с близлежащими клетками, внеклеточным матриксом и различными растворимыми факторами. Все это называется нишей стволовой клетки. В случае опухоли подобные взаимодействия могут играть значительную роль в развитии злокачественного новообразования. Профиль этих взаимодействий сильно напоминает взаимодействия, обнаруженные при воспалении, что не является удивительным, так как воспаление в ряде случаев может приводить к раку. Без сомнения, что взаимодействие раковых клеток со своим окружением играет большую роль в чувствительности раковых клеток к лекарствам. В подтверждении этой гипотезы исследователями из Lawrence Berkeley National Laboratory под руководством Mina Bissell было показано, что прикрепление раковых клеток к внеклеточному матриксу посредством интегринов регулирует чувствительность этих клеток к химиотерапии.
влияние микроокружения на стволовые клетки

Невосприимчивость стволовых клеток к апоптозу

Благодаря своей исключительной важности в развитии тканей и органов нормальные стволовые клетки разработали ряд механизмов, обеспечивающих их большую (по сравнению с дифференцированными клетками) выживаемость и устойчивость к апоптозу. Примеры этому можно найти в органах, ткани которых быстро обновляются. Так, например, во время беременности эпителиальные клетки молочной железы усиленно размножаются и дифференцируются. В этих клетках в течение лактации синтезируются белки, входящие в состав молока. Однако, как только период грудного вскармливания заканчивается, ненужные в таком количестве дифференцированные эпителиальные клетки погибают апоптозом. Показано, что стволовые клетки молочных желез являются невосприимчивыми к подобным апоптотическим сигналам. Аналогичные данные есть и по другим органам (обзор по стволовым клеткам кишечника).
Подобно нормальным стволовым клеткам раковые стволовые клетки гораздо менее чувствительны к апотозу, вызванному цитотоксическими агентами или радиотерапией, чем более дифференцированные клетки опухоли. Так, группой Jordan Craig из University of Rochester Medical Center продемонстрировано, что стволовые клетки лейкемии гораздо более устойчивы к химиотерапии, чем дифференцированные миелобластные клетки, составляющие большую часть опухолевых клеток при лейкемии. Схожие результаты получены и на примере стволовых клеток миеломы. Известно, что при культивировании опухолевых клеток в суспензии (не прикрепленными к поверхности) клетки могут образовывать плавающие колонии, которые получили название "опухолевые сфероиды". Клетки в этих структурах гораздо менее восприимчивы к химио- и радиотерапии, чем те же клетки, культивируемые в монослое. Такие эффекты нельзя объяснить только затрудненным проникновением лекарств в глубь сфероида. Несколькими лабораториями показано, что подобные сфероиды сильно обогащены стволовыми клетками, что и обеспечивает устойчовость сфероидов к негативным воздействиям.

Молекулярные механизмы устойчивости

Выделение стволовых клеток опухоли является одним из самых значительных открытий современной онкологии. Большое число исследовательских групп из разных стран мира исследуют особенности молекулярной биологии стволовых клеток опухоли, которые обеспечивают устойчивость опухоли к терапевтическому воздействию и являются неиссякаемым источником опухолевого роста. Как было описано выше, одной из таких особенностей является тот факт, что раковые стволовые клетки гораздо меньше подвержены апоптозу, чем остальные клетки опухоли. В основе такой закономерности лежат разные механизмы, которые кратко будут рассмотрены ниже.
И нормальные стволовые клетки, и их злокачественные "двойники" являются медленно делящимися клетками, большая часть которых находится в "фазе покоя"  G0 клеточного цикла. В свою очередь, эти клетки делятся с образованием клеток, которые активно вступают в процессы клеточного деления. Интересно, что химиотерапевтические вещества оказывают гораздо больший эффект на часто делящиеся клетки, чем на редко делящиеся.
Другой интересной особенностью биологии стволовых клеток является то, что распределение хромосом по дочерним клеткам происходит таким образом, что мутации преимущественно будут накапливаться в дочерних клетках, чем в стволовых. Кроме того, известно, что в стволовых клетках активно работают системы репарации. Подобные механизмы должны препятствовать накапливанию мутаций и развитию опухолей. Однако, эти же самые защитные механизмы могут делать стволовые клетки опухоли менее восприимчивыми к повреждающим ДНК терапевтическим агентам.
Повышенная экспрессия антиапоптотических белков, в частности белков семейства Bcl-2, также вносит свой вклад в устойчивость к апоптозу у стволовых клеток, как нормальных, так и раковых. Экспрессия белков Bcl2 и Bcl-X ассоциирована с устойчивостью к различных лекарствам.

В проблеме устойчивости стволовых клеток к различным терапевтическим воздействиям особняком стоит проблема белков-транспортеров. Родоначальницей этого направления является Margaret  Goodell из Baylor College of Medicine, опубликовавшая в 1996г. работу, в которой показала, что гемопоэтические стволовые клетки активно выводят из клетки флуоресцентные красители. При анализе окрашенных клеток на проточном цитометре на гистограмме популяция этих клеток располагалсь вдали от основной массы клеток с высокой флуоресценцией, и поэтому получила название side population (буквально, «боковая популяция»), или SP. Отличительной особенностью SP-клеток является повышенная активность белков-транспортеров семейства ABC. SP-популяции обнаружены у многих типов стволовых клеток и сравнительно недавно найдены и у стволовых клеток опухоли. Причем способность образовывать опухоль у мышей гораздо больше выражена у раковых SP-клеток, чем у тех, что не выводят красители из клеток. Функциональная характеристика данного эффекта продемонстрирована в экспериментах с верапамилом, блокирующим клеточные белки-транспортеры. Наличие достаточного количества белков-транспортеров в стволовых клетках опухоли также вносит свой вклад в невосприимчивость этих клеток к апоптозу, вызванному различными лекарственными препаратами при химиотерапии.

Сигнальные механизмы обновления и канцерогенеза стволовых клеток

сигнальные пути Wnt, Hedgedog, Notch в обновлении и канцерогенезе SC


Как было описано выше и более подробно в других компасах, стволовые клетки являются единственными клетками организма, способными к самообновлению. Некоторые из сигнальных путей, активных в течение онтогенеза, играют важную роль в обновлении стволовых клеток. Эти сигнальные каскады включают в себя белки Wnt, Hedgehog, Notch, а также транскрипционный фактор Bmi-1. Интересно, что каждый из этих сигнальных механизмов, будучи нарушенным, приводит к превращению нормальной клетки в опухолевую.


Сигнальные пути, активируемые белков Wnt, участвуют в самообновлении геемопоэтических, эпидермальных, кишечных стволовых клеток. Нарушение этого сигнального механизма приводит к избыточной пролиферации этих стволовых клеток и развитию из них опухолей. Hedgehog вовлечен в регуляцию обновления гемопоэтических, эмбриональных и нейральных клеток. Активация данного сигнального каскада обнаружена при базальноклеточных раках кожи, медуллобластомах. Мутации в гене белка Notch могут приводить к развитию лейкозов и аденокарцином.
сигнальный каскад Wnt/catenin контролирует многие события в клетке
Помимо роли в самообновлении описанные выше сигнальные механизмы регулируют выживаемость клеток. Например, показано, что активация Wnt приводит к увеличению выживаемости клеток за счет стимулирования белка Akt. Одновременная активация самообновления и выживаемости необходима стволовым клеткам для поддержания необходимого числа клеток в организме, замены устаревших клеток.

Канцерогенез

Канцерогенез
Книга
Автор:
Под редакцией Д. Г. Заридзе
Цена:
1869.00 руб.
Вес:
930 г
развернуть
Книга является руководством по фундаментальной онкологии. В ней представлены современные сведения, касающиеся эпидемиологии рака, химического, вирусного и радиационн...

Маркеры стволовых клеток опухолей

Еще совсем недавно считалось, что для ряда злокачественных новообразований (миелома, меланома) число стволовых клеток опухоли может быть относительно низким (порядка 0,1-0,001%) в общей популяции раковых клеток. Однако, с накоплением экспериментальных работ по этой тематике  и проверкой более старых данных становится понятным, что число подобным клеток может колебаться от 1 до 20% в разных опухолях. Относительно небольшое число стволовых клеток  в опухоли создает проблему поиска специфических маркеров. С помощью подобных маркеров на поверхности клетки можно либо специфически выделять и анализировать целевые клетки, либо специфически воздействовать на них посредством адресной терапии. Одним из наиболее широко представленных маркеров является CD133+ (prominin-1), обнаруженный в стволовых клетках глиом, рака печени и кишечника. Несмотря на то, что данный трансмембранный белок нарабатывается и в нормальных стволовых клетках, полагают, что в опухолях он сверхэкспрессирован. Маркером стволовых клеток рака простаты являются белки CD44*, CD133+ и интегрины. Для ряда других новообразований данные по маркерам приведены в таблице.


Значение модели стволовых клеток опухоли для лечения рака

Стволовые клетки опухоли за счет особенностей своей биологии достаточно устойчивы к повреждающим воздействиям химио- и радиотерапии. Кроме того, составляя в опухоли меньшинство, эти клетки еще и из-за этого менее чувствительны к повреждающим воздействиям противоопухолевых средств. Это вполне объясняет то, почему даже видимое уменьшение размеров опухоли при лечении, как правило, не приводит к значительному увеличению продолжительности жизни пациента. Подобная закономерность выявлена при лечении многих злокачественных новообразований. Более того, математическим моделированием показано, что без уничтожения стволовых клеток опухоли невозможно полностью вылечить рак.  Если модель стволовых клеток опухоли верна, то научное сообщество нуждается в разработке методов адресной терапии, в первую очередь, этого типа клеток.

почему существующие лекарства не убивают рак


Особое значение имеет молекулярная диагностика, как способ предсказать течение болезни. Молекулярный профиль клеток опухоли помогает определить характер течения болезни, степень агрессивности опухолевого роста. Подобный анализ позволяет заранее определить чувствительность пациента к предстоящей химиотерапии и, в случае необходимости, скорректировать или подобрать другое лечение.

Терапия стволовых клеток опухоли

Для эффективного лечения рака необходимо воздействовать на стволовые клетки опухоли, оставляя обычные стволовые клетки нетронутыми. Учитывая, что многие молекулярные механизмы, например, регулирующие самообновление, у обычных и опухолевых стволовых клеток общие, это задача достаточно трудоемкая. Несмотря на то, что это направление только начинает развиваться, опубликован уже ряд работ, в которых получены первые обнадеживающие результаты. Так, исследователями из University of Geneva Medical School продемонстрировано, что применение ингибиторов белка Hedgehog приводит к ингибированию роста рака простаты. Хотя, пока еще строго не доказано, что используемые препараты специфически взаимодействуют со стволовыми клетками опухоли, авторы полагают, что этот подход может затрагивать стволовые клетки. Аналогичные подходы разрабатываются и для других сигнальных механизмов раковых стволовых клеток. Интересным представляется подход, при котором для выделения раковых стволовых клеток из общей популяции опухолевых клеток используются различные маркеры, представленные на поверхности раковой клетки. В качестве примера можно привести работу, в которой использовали антитела к CD44+, белку, широко представленному на поверхности острой миелоидной лейкемии.

В заключение

Очевидно, что успешная терапия любой болезни должна основываться на четком понимании глубинных механизмов, лежащих в основе патологического процесса. В течении последнего десятилетия наше понимание процессов канцерогенеза сильно изменилось под влиянием открытия стволовых клеток опухоли. Механизмы, обеспечивающие  устойчивость стволовых клеток опухоли к терапевтическим воздействиям, включают в себя усиление активности репарационных систем, сверхпродукцию белков-ингибиторов апоптоза и транспортных белков. Модель стволовых клеток опухоли чрезвычайно важна для разработки новых противораковых препаратов, так как может привести к эффективной терапии злокачественных новообразований на более поздних стадиях развития, в том числе и на стадии метастазирования. Проблема стволовых клеток опухоли является новой для научного сообщества. Поэтому существует ряд вопросов и задач, которые требуют решения:

1)новые маркеры для обнаружения и анализа стволовых клеток
2)влияние терапии на стволовые клетки опухоли
3)насколько гомогенная сама субпопуляция стволовых клеток опухоли?
4)почему некоторые злокачественные новообразования на стадии метастазирования можно успешно лечить, в то время как большая часть опухолей остается неизлечима?

Дополнительная литература по теме компаса

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter