Происхождение раковой стволовой клетки

История онкологии началась с незапамятных времён. Первые систематические попытки лечения опухолей предпринимались ещё в Древнем мире. С тех пор прошло несколько тысячелетий, но и сейчас в подавляющем большинстве случаев полное излечение злокачественных новообразований недостижимо. Однако теперь мы хотя бы знаем, что за преграда не даёт нам достигнуть заветной цели. Раковые стволовые клетки, практически никому не известные ещё каких-нибудь пятнадцать лет назад, сегодня оказались в центре внимания учёных. Выяснилось, что буквально все клинические проблемы, от устойчивости онкологических заболеваний к различным препаратам до фатальных рецидивов спустя десятилетия после кажущегося исцеления, связаны с этими клетками.

Модель раковых стволовых клеток (РСК) подразумевает, что любое злокачественное новообразование (неоплазия) развивается из одной клетки. В результате неких событий генетический аппарат некогда нормальной клетки трансформируется настолько, что происходит её перерождение в инициирующую раковую клетку. В результате последующей пролиферации (деления) этой клетки формируется злокачественная опухоль. Согласно концепции РСК, эта опухоль устроена иерархически, то есть разные типы раковых клеток обладают разной способностью к делению.

Раковые стволовые клетки составляют лишь небольшую популяцию опухолевых клеток. Однако, будучи истинно стволовыми клетками, они (и только они) способны к неограниченному числу делений и постоянному самовоспроизведению. Число делений остальных клеток, если они способны к пролиферации (то есть формально обладают неким стволовым потенциалом), строго ограничено.

В основе процесса самовоспроизведения РСК лежит так называемый асимметричный тип деления стволовых клеток, который заключается в том, что родительская стволовая клетка даёт начало двум клеткам. Одна из них — с такими же стволовыми свойствами, что и материнская, другая же способна к ограниченному числу делений и поэтому называется частично дифференцированной, временно пролиферирующей раковой клеткой. Конечные потомки таких клеток — раковые клетки, не способные к делению. Их называют терминально дифференцированными. Соответственно иерархия опухолевой ткани выглядит так: раковые стволовые клетки → временно пролиферирующие раковые клетки → терминально дифференцированные раковые клетки. Два последних типа клеток образуют при этом основную массу опухоли.

Точно такая же иерархия имеет место и в нормальных тканях, стволовые клетки которых, способные к самовоспроизведению и поддержанию собственной популяции, также дают начало ограниченно пролиферирующим клеткам — предшественникам зрелых клеток. Эти зрелые тканевые клетки не способны к делению вовсе и погибают через какое-то время после выполнения свойственных им функций.

Итак, согласно модели раковых стволовых клеток, не все опухолевые клетки обладают равной способностью к делению и самовоспроизведению. И несмотря на то что основная масса опухоли состоит из злокачественных клеток той или иной степени дифференцировки, её рост и развитие определяются небольшой по численности, но наивысшей в иерархии популяцией раковых стволовых клеток.

Cловарик к статье

Клеточная дифференцировка — процесс клеточной дифференцировки заключается в так называемом созревании стволовой клетки-предшественника в клетку со строго определённым фенотипом (например, кардиомиоцит или пирамидный нейрон), называемую дифференцированной.

Пролиферация (от лат. proles — отпрыск, потомство и fero — несу) — разрастание ткани организма путём размножения клеток делением.

Репарация ДНК — внутриклеточная молекулярная система восстановления исходной последовательности ДНК после её повреждений.

Стохастический (от греч. στοχαστικός — умеющий угадывать) означает неопределённость, случайность чего-либо.

Фенотип (от греческого слова phainotip — являю, обнаруживаю) — совокупность характеристик, присущих индивиду на определённой стадии развития (особенности строения и жизнедеятельности).

Упреждая аргументы критиков РСК-модели, следует отметить, что некоторые злокачественные новообразования не вписываются в эту модель, а, скорее, соответствуют модели клональной эволюции. Есть виды неоплазий, при которых могут встречаться разные популяции раковых стволовых клеток, имеющих разные хромосомные нарушения. Хрестоматийные примеры таких новообразований — хроническая миелоидная лейкемия и колоректальный рак. В этих случаях РСК-модель не может полностью описать развитие опухоли, так как в соответствии с ней все клетки опухоли — потомки одной инициирующей РСК. Здесь же возможна либо инициация опухоли сразу из нескольких злокачественных стволовых клеток, формирующих несколько генетически различающихся клонов, либо эволюция одного клона из другого за счёт последовательного накопления генетических нарушений. Разные клоны могут обладать разной злокачественностью и соответственно могут конкурировать за ресурсы. Иными словами, будет проходить эволюция опухолевых клонов.

Некоторые новообразования, отличающиеся экстремальной злокачественностью, также больше соответствуют модели клональной эволюции, нежели иерархической модели РСК. К ним относятся, например, различные злокачественные меланомы, при которых доля активно делящихся раковых клеток составляет чуть ли не более половины опухолевой массы. При этом в пределах одной опухоли сосуществуют РСК с различными фенотипами, которые при различных воздействиях на опухоль могут легко превращаться один в другой. Очевидно, что и для этих случаев РСК-модель не вполне подходит.

Однако, как можно заметить, в современной интерпретации модели клональной эволюции центральная роль инициирующих раковых стволовых клеток в запуске развития злокачественного новообразования ни в коей мере не оспаривается. Дискуссии продолжаются лишь относительно тех или иных сценариев развития опухоли * . А коли так, мы со спокойной совестью можем говорить о раковых стволовых клетках.

Более полувека спустя, в 1930-х годах, теория зародышевого остатка получила новый импульс. Гистологические наблюдения одной из опухолей мозга — медуллобластомы — показали, что её клетки морфологически очень напоминают клетки эмбрионального мозжечка, на основании чего было выдвинуто предположение, что эта форма опухолей мозга развивается из зародышевого остатка, состоящего из медуллобластов, утративших способность к дифференцировке.

Очередной значительный шаг на пути к концепции раковых стволовых клеток сделан в середине прошлого века. Исследования различных миелопролиферативных заболеваний (особой группы злокачественных новообразований, развившихся из клеток крови ** ) показали, что в развитие данной группы заболеваний могут быть вовлечены все ветви гемопоэза, за исключением лимфоидных ростков. Это послужило основанием для предположения, что все указанные патологии связаны со злокачественным перерождением клеток — предшественников всех остальных клеток миелоидного ряда, теперь известных как миелоидные cтволовые клетки.

А уже в 1960 году Питер Ноуэл (Peter Nowell) и Дэвид Хангерфорд (David Hungerford) открыли уникальную взаимосвязь так называемой филадельфийской хромосомы с одним из миелопролиферативных заболеваний — хронической миелоидной лейкемией. Филадельфийская хромосома — следствие хромосомной аномалии, которая приводит к образованию мутантного белка BCR-ABL1. К несчастью, этот мутантный белок сохраняет способность одного из своих родительских белков (ABL) к передаче пролиферативного (стимулирующего деление клетки) сигнала внутрь клетки. Более того, он передаёт сигналы гораздо интенсивнее и при этом делится вне зависимости от внешних сигналов. В результате клетки, несущие такую мутацию, начинают быстро и неконтролируемо делиться. В дальнейшем наличие филадельфийской хромосомы при этом заболевании было подтверждено во всех клетках, не относящихся к лимфоидному ряду, на основании чего выдвинули гипотезу о происхождении всех клонов лейкемических клеток от одного предшественника.

Питер Ноуэлл (университет Пенсильвании, США, на фото — слева) и Дэвид Хангерфорд (Фокс Чэйс Раковый центр при Институте исследования рака, США) — первооткрыватели филадельфийской хромосомы (1960).

Как видно, модель клональной эволюции подразумевает, что одни раковые клоны отличаются большей злокачественностью, другие — меньшей, но в целом все они обладают сопоставимой способностью к делению. И в этом заключается принципиальное отличие стохастической теории канцерогенеза от иерархической теории, которая базируется на модели раковых стволовых клеток.

Тем не менее, как уже было упомянуто выше, модель клональной эволюции до сих пор не потеряла своей актуальности, поскольку в несколько большей степени, нежели модель РСК, объясняет развитие нескольких типов новообразований.

Долгое время концепция РСК находилась на вторых ролях. Однако в 1997 году Доминик Бонне (Dominique Bonnet, London Research Institute) и Джон Дик (John Dick, Toronto General Research Institute) продемонстрировали, что единичные лейкемические стволовые клетки, взятые у пациентов с острой миелоидной лейкемией, при трансплантации мышам дают начало полному спектру клеток с различными злокачественными фенотипами, наблюдаемыми при этом заболевании у человека. После этой работы число исследований, посвящённых РСК, стало лавинообразно нарастать.

В начале 2000-х годов раковые стволовые клетки были идентифицированы и в солидных опухолях (при одной из форм рака молочной железы). На сегодняшний день РСК описаны для абсолютного большинства форм онкологических заболеваний, и с этими клетками связывают все основные клинические проблемы в онкологии.

Поскольку любое новообразование может развиться только из активно делящейся клетки, наиболее подходящие кандидаты для злокачественной трансформации — нормальные тканевые стволовые клетки (дающие начало полностью дифференцированным клеткам, выполняющим свои узкоспецифические задачи в том или ином типе тканей), так как они обладают длительным сроком жизни и высокой скоростью деления. В соответствии с этим концепция РСК подразумевает, что инициирующее событие в канцерогенезе — злокачественное перерождение нормальных тканевых стволовых клеток *** , которые становятся инициирующими РСК.

Схематическое изображение возможных механизмов гетерогенности опухолевых клеток. Внизу — фенотипические различия раковых клеток первичной опухоли и метастазов. Схема сильно упрощена, поскольку не учитывает фенотипические различия между вторичными метастатическими РСК и первичными инициирующими РСК. Вверху — схема путей генерации опухолевой гетерогенности. Рисунок автора

Ещё одна неприятная особенность раковых стволовых клеток — их чрезвычайная устойчивость ко всем известным видам лечения. Какой бы вид противоопухолевой терапии ни применялся (радио-, химио-, иммунотерапия, таргетная), РСК будут погибать последними, когда все дифференцированные раковые клетки уже успешно побеждены.

Известно несколько механизмов терапевтической устойчивости РСК. Во-первых, РСК характеризуются повышенной экспрессией транспортных белков семейства ABC (ATP-binding cassette). Это эволюционно консервативные белки, присутствующие у всех организмов — от бактерий до человека. В норме они локализуются преимущественно в плазматической мембране клеток и отвечают за транспорт полезных веществ (например, витаминов) в клетку и выведение из неё вредных токсинов и ксенобиотиков. В РСК эти белки экспрессируются на особенно высоком уровне и отвечают за выведение из них различных химиотерапевтических препаратов.

Во-вторых, РСК, как никакие другие клетки, отличаются обилием фермента альдегид-дегидрогеназы (ALDH). В норме функция этого белка — окисление токсичных для организма альдегидов до карбоновых кислот. В РСК же он отвечает за инактивацию многих химиотерапевтических препаратов.

Это основные, но далеко не все механизмы устойчивости РСК. В тех же случаях, когда системы резистентности РСК к терапии дают сбой, раковые стволовые клетки впадают в дормантность (состояние покоя), в которой они могут пребывать несколько десятилетий, после чего активируются и обусловливают скоротечный фатальный рецидив. Дормантные РСК отличаются очень низким уровнем метаболизма, экстремальной устойчивостью к повреждающим воздействиям и практически не экспрессируют поверхностные белки, которые могли бы послужить мишенями для создания таргетных препаратов. На сегодняшний день дормантные РСК представляют собой наибольшую трудность для лечения. Однако надежда на успех есть. Во-первых, испытываются и неплохо себя проявляют различные сложные комбинации уже существующих таргетных препаратов. Во-вторых, удалось вплотную приблизиться к получению препаратов, воздействующих на процессы, лежащие в основе образования вторичных метастатических РСК. В-третьих, обнаружены белки, отвечающие за дормантность РСК и обеспечение их жизнеспособности в состоянии покоя. Наконец, разрабатываются препараты, способствующие выходу РСК из дормантности, что делает их более чувствительными к существующим формам терапии.

Согласно другой, более популярной в настоящее время теории раковой стволовой клетки, для формирования опухоли необходимы делящиеся, недифференцированные клетки, изначально представленные тканевыми (камбиальными) стволовыми клетками. Раковые ( опухолевые) же стволовые клетки представляют собой промежуточную ступень между здоровыми стволовыми клетками и измененными опухолевыми. Этот факт был установлен еще в 1971 году. A.Hamburger и S.Salmon в статье “Primary bioassay of human tumor stem cells” опубликованной в журнале “Scince” (1977) представили первые результаты выделения опухолевых стволовых клеток из карцином человека методом культивирования в полужидком агаре.

Исследователи получили три популяции опухолевых клеток , различающиеся по пролиферативным потенциям и вероятно, по своему значению для развития опухолевого процесса и исхода лечения:

2. субклоногенные (коммитированные) опухолевые клетки с ограничеснным пролиферативным потенциалом, образующие в полужидком агаре кластеры, содержащие менее 50 (т.е. CD45-c-kit+Sca-1-Lin+ => CD45+c-kit+Sca-1+Lin+, в результате чего клетки становятся раковыми. Пролиферативная активность пРСК контролируется piwil2, специфическим для мужских половых органов геном, расположенном у мышей на аутосомной хромосоме семейства PIWI/AGO.

Как мы уже отмечали ранее, о существовании РСК впервые заговорили в контексте острой миелоидной лейкемии (ОМЛ). Одновременно они были идентифицированы и в злокачественных образованиях груди и центральной нервной системы (ЦНС). Теория раковых стволовых клеток гласит о том, что РСК – это клетки, инициирующие рак и составляющие в опухоли отдельную клеточную популяцию. Они обладают типичными для стволовых клеток свойствами, прежде всего, способностью самообновляться и дифференцироваться в клетки разных типов. Для пролиферации и дифференциации они могут пользоваться теми же путями, что и обычные стволовые клетки, в частности сигнальными путями Notch- или sonic hedgehog (SHH)/Wnt. Идентифицировать и обогатить стволовые клетки в глиоме можно по экспрессии CD133, белка клеточной поверхности 120 kDa, который также является маркером нервных стволовых клеток человека (Vescovi A.L., Galli R., Reynolds B.A. 2006).

Еще один вопрос заключается в том, почему клетки- предшественники с одной стороны являются причиной развития опухоли как РСК, а с другой стороны - вообще действуют против опухоли? Как упоминалось выше, нервные предшественники – это, скорее всего, именно те клетки, из которых вырастают опухоли головного мозга. Учитывая, что пролиферирующая клетка всегда представляет собой хорошую мишень для мутаций и трансформаций, хотелось бы, чтобы у животного и человека был механизм защиты. Похоже, что противоопухолевый эффект, который наблюдали многие ученые, это механизм, с помощью которого клетка-предшественник спасает себя в том случае, если другая клетка уже имеет анеуплоидию и есть риск развития опухоли.

Сегодня установлено, что нейрогенез во взрослом мозге с возрастом ослабевает (Kempermann G., 2006) и нейрогенез, то есть делящиеся НКП, являются медиаторами противоопухолевого эффекта. Таким образом, снабженные большим количеством НКП молодые животные при глиобластоме выживают дольше, чем более старшие. Если нейрогенез настолько положительно влияет на головной мозг, то почему же с возрастом он ослабевает и делает старых животных более подверженными риску возникновения глиобластомы? Вероятно, это объясняется тем, что на ранней стадии развития необходима пластичность клеток, обеспечиваемая большим депо клеток-предшественников. Эти предшественники считаются наиболее вероятными корнями опухолей головного мозга, поэтому увеличение количества НКП одновременно повышает шансы, что одна из этих клеток мутирует и в результате образуется глиома. Скорее всего, нейрогенез со временем уменьшается, когда клеточная пластичность в такой мере больше не нужна. Уменьшение количества пролиферирующих НКП должно снизить риск того, что эти делящиеся клетки, в конце концов, трансформируются (с возрастом вероятность этого увеличивается) и приведут к формированию опухоли. Тем не менее, вследствие ослабления нейрогенеза оказывается, что в тот момент, когда появляется опухоль, противоопухолевый эффект собственных клеток-предшественников уже не работает.

Очень важное положение, установленное P. Duesberg et al., 2011 является доказанное утверждение, что анеуплоидия ингибирует рак. Со времени открытия Т.Boveri индивидуальности хромосом, известно, что анеуплоидия обычно ингибирует и нарушает рост и развитие не раковых клеток и организмов. Недавно побочные эффекты анеуплоидии на нормальный рост и развитие нераковых клеток и организмов были дополнительно изучены и распространены на генетически инженерных животных.

Теория мутаций, таким образом, прогнозирует, что наборы онкогенов должны накапливаться в зародышевой линии, и что наследование комплементарных наборов онкогенов должно генерировать раки груди, кишечника или легких у новорожденных людей или животных. Но это ни разу не было описано в литературе. Отсутствие раков у новорожденных является, таким образом, парадоксом с точки зрения теории мутации.

В целом P. Duesberg et al., 2011 приходят к заключению, что единой причиной рака является видообразование, и что теория видообразования объясняет, почему раки являются автономными, обладают индивидуальными кариотипами и комплексными индивидуальными (а не единичными) фенотипами, являются гибкими, и при этом бессмертными, и почему даже наиболее мощным канцерогенам требуется от нескольких месяцев до десятилетий для того, чтобы привести к раку.

Классическая концепция РСК однозначно утверждала, что формирование РСК происходит из нормальной стволовой клетки за счет мутаций в ней, обусловленных воздействием различных канцерогенов. Теория видообразования рака предполагает возможность формирования РСК как из нормальной (нейральной, гемопоэтической, мезенхимальной и т.д.) СК, так и из уже дифференцированной взрослой соматической клетки (нервной, нейроглиальной, печеночной, легочной и т.д). За счет постепеннного накопления анеуподий в СК или во взрослой дифференцированной клетке, вследствие чего эта соматическая клетка приобретает неустойчивость кариотипа. Одним из природных механизмов обретения устойчивости кариотипа соматической клетки является ее деление. За счет митоза соматическая клетка пытается автоматически сохранить целостность своего видового генома, и обеспечить свое выживание , а клетки-потомки получившие после митоза нарушениея его структуры в виде анеуплодии становятся в основном не жизнеспособны и погибают. Если этот процесс автоматической стабилизации кариотипа нарушенного анеуплоидией идет в региональной (камбиальной) СК, то результатом митоза может быть несколько вариантов сценария саморегуляции этого процесса, которые зависят от формы митоза СК. Поскольку существует два варианта деления СК , то деление может быть симметричным или ассиметричным. При ассиметричной форме деления (СК делится на СК и клетку-предшественник) СК может сохранить свой видовой геном неизменным, а все явления анеуплодии останутся в геноме ее потомков в виде клетки- предшественника 1 поколения ( нулесомия, анеуплодия и т.д.). Как правило, такой сценарий оптимален для самосохранения СК как родоначальницы и хранителя видового кариотипа, а ее клетка -потомок не жизнеспособна и погибают путем апоптоза. 2. При симметричном делении СК ( СК делится на 2 равнозначные СК) с анеуплодиями имеется вариант того, что одна из СК сохранит свой кариотип неизменным, а другая СК будет содержать компоненты анеуплодии. Последняя СК продолжает оставаться неустойчивой и в ней запускается новый процесс митоза, как компенсаторный процесс регуляции неустойчивости генома, который будет продолжаться длительное время, абсолютно независимо от других внутритканевых процессов. Пока эти СК-потомки имеют различную степень анеуплодии они в большинстве своем мало жизнеспособны, но в результате механизмов автономии , хорошо обоснованной в теории видообразования рака, вполне высока вероятность формирования нового индивидуального неопластического кариотипа и эта клетка обретает устойчивость становясь РСК. При этом следует помнить, .что РСК это уже устойчивый кариотип 3. Существует еще один из вариантов сценария исходов деления нормальной СК с наличием анеуплодий, когда оба потомка СК после деления имеют в своем кариотипе эти различные формы анеуплодий. Естественные исходы этого процесса практически ничем не отличаются от исходов клетки с анеуплодией во втором сценарии, только процессы нестабильности генома в этом случае будут отмечены в обоих потомках СК с наличием анеуплодий.

Возникает резонный вопрос, каким образом анеуплоидия дестабилизирует кариотип? Ответ на этот вопрос может быть достаточно простым, но в то же время достаточно неоднозначным. Хорошо известно, что например, гемопоэтические СК (ГСК) находятся большую часть времени своей жизни в Gо состоянии клеточного цикла , т.е в крайне устойчивом состоянии кариотипа. Именно поэтому из общей массы клеток, взятых при сборе ГСК только 8% их количества находится на различных стадиях клеточного цикла. ГСК человека вступают в обычной жизни в клеточный цикл достаточно редко - один раз в 1-2 года . Дифференцированная специализированная клетка также находится в устойчивом Gо – состоянии и ее кариотип постоянно находится в состоянии балансировки между проапототическими и промитотическими влияниями. Поэтому появление анеуплодии в клетке находящейся в Gо состоянии является основной причиной возникновения нестабильности ее кариотипа и запуска клеточного цикла как базового механизма восстановления видового кариотипного баланса ядра. Соматическая клетка ( СК и дифференцированная взрослая клетка ) реагируют стандартным внутриклеточным механизмом управления нестабильностью кариотипа в виде генерации митоза, поэтому любая соматическая клетка может стать источником генерации РСК.

Не ясно, однако, какие именно клетки выполняют функцию, вызывающих опухоль. Как распознать РСК. Манифестацией различных раковых заболеваний может быть гиперплазия и дисплазия на обратимой предопухолевой стадии, которые могут развиться в первичные и инвазивные опухоли. Так в первоисточниках концепции определены сами РСК и пРСК. Как мы видим, эти положения абсолютно не противоречат теории видообразования рака.

Теория мутагенеза ставила ключевые вопросы биологии опухолей следующие: действительно ли существуют РСК, как первопричина и основной источник образования опухолей? Формируются ли РСК из здоровых стволовых клеток или образуются из мутирующих дифференцированных соматических клеток? Существуют ли предраковые стволовые клетки (пРСК) и какие метаморфозы претерпевают родоначальные стволовые клетки, когда развиваются в пРСК и РСК? Почему другие СК, т.е аутологичные гемопоэтические и мезенхимальные СК костного мозга, выполняющие системные функции, не способны распознать опухолевые клетки и РСК в других органах и тканях (например патологические нейральные СК) и уничтожить их? Почему раковые клетки и РКС обладают определенной элитарностью приводят к гибели организма пациента?

На все эти вопросы теория видообразования практически сразу дала исчерпывающие ответы. Это происходит именно потому, что РСК и их потомки это переходные формы неустойчивых состояний кариотипа клетки с анеуплоидией и именно они определяют весь долгий путь от состояния устойчивости нормальной СК или дифференцированной соматической клетки, находящейся в стабильном GO состоянии клеточного цикла к устойчивому состоянию генома нового вида неопластической клетки, который также находится в Gо состоянии. Формирование РСК с дифференцированных нервных клеток, а также с нейральных низкодифференцированных клеток предшественников (НКП) сегодня также доказан и экспериментально подтвержден (Von Joo-Hee Walzlein , 2007).

Иерархия стволовых клеток начинается с наиболее примитивных и мультипотентных стволовых клеток. По мере перехода к верхним ступеням иерархии клетки становятся все более дифференцированными и, в конце концов, определяется их принадлежность к той или иной клеточной линии. Потенциал прогениторной клетки уже ограничен, ограничены ее возможность самообновляться, она производит прогениторные клетки только определенных линий, в итоге дифференцирующиеся в нейроны или клетки глии (Gage F.H. 2000).

Было предложено две модели, которые могли бы объяснить, каким образом изменение одной клетки приводят к развитию раковой опухоли. Это вероятностная и иерархическая модели. Согласно первой, все клетки опухоли обладают одинаковым онкогенным потенциалом. Вторая же гласит, что среди всех этих клеток лишь небольшое подмножество, а именно, раковые стволовые клетки, способны порождать новые опухоли. Полиморфная глиобластома, как явствует из названия, как никакая другая опухоль, гетерогенна и содержит клетки самых разных типов. Логично предположить, что клетка, из которой произошли все эти клетки, обладала способностью порождать клетки разных типов, то есть являлась стволовой (Vescovi A.L., Galli R., Reynolds B.A. 2006).

Одна из многочисленных теорий о происхождении раковых стволовых клеток утверждает, что трансдифференциация стволовых клеток из здоровых в опухолевые происходит благодаря клеточной фузии между здоровыми и дифференцированными клетками. Именно фузией, по мнению отдельных исследователей, может объясняться также клеточная анеуплоидия и неоднородность раковых опухолей (Bjerkvig R. et al. 2005). К вопросу о клеточной фузии мы вернемся позже при обсуждении информационной концепции происхождения рака и попытаемся ответить на основные вопросы вопросы поставленные в этой подглаве.

Обобщая все вышеизложенные данные теоретических и экспериментальных исследований канцерогенеза рака, следует признать, что в свете концепции РСК причиной его возникновения, наиболее вероятно, является именно феномен видообразования, представленный в теории P. Duesberg et al., 2011. Мутационная теория рака пока не позволила решить фундаментальные вопросы терапии опухолей и в этой связи, нужно попытаться рассмотреть возможности использования теории видообразования в канцерогенеза рака для создания новых инновационных терапий опухолей.

В настоящее время большинством ученых занятых проблемой рака высказывается мнение, что теория раковых стволовых клеток (РСК) является лучшим кандидатом для объяснения биологии рака. Как известно, рак - это гетерогенная группа заболеваний с различными биологическими свойствами, которые обусловлены рядом клональных генетических изменений, в основном, в онкогенах и генах-супрессорах опухоли. Однако последние данные свидетельствуют о том, что рак имеет принципиально общую основу, которая базируется на поликлональных генетических/эпигенетических нарушениях стволовых/прогениторных клеток при посредничестве "генов предшественников опухоли" ("tumour-progenitor genes").

Нормальные стволовые клетки можно обнаружить в большинстве тканей взрослого организма. Они обеспечивают рост, обновление и репаративную регенерацию органов и тканей, что особенно важно для постоянно обновляющихся и регенерирующих тканей, таких как кровь и эпителий. Нормальные стволовые клетки относительно не многочисленны и, как правило, находятся в состоянии покоя или медленно делятся. Их многочисленные дочерние клетки напротив активно делятся и дифференцируются, формируя необходимые компоненты тканей. Интересно, что нормальные стволовые клетки более устойчивы к радиации или химиотерапии, чем их дифференцированное потомство, как полагают, из-за их низкой скорости деления. РСК обладают рядом характерных отличий от нормальных стволовых клеток.

Во-первых, для нормальных стволовых клеток характерно асимметричное деление, в результате которого образуется одна дочерняя стволовая клетка и одна клетка, которой предстоит прекращение деления и терминальная дифференцировка. Если нормальная стволовая клетка будет быстрее делиться, это лишь увеличит скорость обновления клеток, т.к. дифференцированные клетки будут быстрее образовываться и быстрее отмирать, и обе популяции клеток сохранятся в правильном соотношении. В случае РСК в результате трансформации клеток происходит нарушение этого баланса: либо стволовыми клетками остаются более половины дочерних клеток, либо процесс дифференцировки изменен так, что дочерние дифференцирующие клетки сохраняют способность к неограниченному делению (рис. 8).

По определению РСК являются субпопуляцией раковых клеток со способностью, подобной нормальным стволовым клеткам, давать все типы раковых клеток, обнаруживаемые в опухоли. Причем в этой популяции могут быть клетки с довольно дифференцированными признаками. Точное происхождение РСК на сегодняшний день неизвестно. РСК не обязательно происходят из нормальных стволовых клеток и неясно обладают ли они вообще способностью дифференцироваться или другими характеристиками нормальных стволовых клеток.

Т.о., название "раковая стволовая клетка" (cancer stem cell) является скорее отражением фенотипа, подобного стволовым клеткам, чем собственно стволовости (stemness, совокупность всех свойств, присущих стволовым клеткам).

Рисунок 8. Стратегия раковой стволовой клетки и её роль в клеточной дифференцировке. Два типа нарушений, которые могут приводить к характерной для рака неудержимой пролиферации. Следует отметить, что повышенная скорость деления раковой стволовой клетки сама по себе не приводит к такому эффекту.

Впервые предположение о существовании клеток такого типа было выдвинуто в 90-х годах в ходе опытов над мышами с лейкемией. Исследователи установили, что популяция очищенных клеток острой миэлоидной лейкемии, экспрессирующих определенные маркеры клеточной поверхности, может эффективно формировать опухоли, будучи инъецированной мышам, тогда как другие клетки из того же самого рака не обладали такой способностью. Затем, используя этот подход, были идентифицированы РСК в опухолях груди, головного мозга, легких, кожи, печени, поджелудочной железы и др.

Однако, долгое время не удавалось доказать существование РСК в естественно развивающихся опухолях. В 2012 г. сразу три группы ученых независимо друг от друга представили убедительные доказательства наличия РСК в опухолях, которые были опубликованы в ведущих научных журналах Nature и Science. Для обнаружения РСК все три группы использовали метод генетического маркирования. Объектом исследования были разные типы раковых опухолей. Ученые из Техаса Chen J. и соавт. (статья в журнале Nuture: "A restricted cell population propagates glioblastoma growth after chemotherapy") проводили исследования на клетках глиобластомы. Им удалось обнаружить в популяции клеток глиобластомы отдельные клетки, меченные трансгенным (трансген - это чужеродный фрагмент ДНК, переносимый при помощи генно-инженерных манипуляций в геном определенного организма) маркером nestin-ДTK-IRES-GFP, который помечает только покоящиеся нервные стволовые клетки мозга. Другие клетки опухоли данный маркер не содержали. Дальнейшие опыты показали, что при проведении химиотерапии цитостатиком темозоломидом гибнут все клетки, кроме "меченых". Именно эти клетки дают начало новой опухоли. При подавлении процесса активации этих делящихся клеток с помощью ингибитора ДНК-полимераз ганцикловиром удавалось достичь распада опухоли на фрагменты, которые не могли развиться в новую опухоль.

Научная группа из Бельгии Driessens G. и соавт. (статья в журнале Nuture: "Defining the mode of tumor growth by clonal analysis") идентифицировала с помощью клонального анализа в популяции клеток плоскоклеточного рака кожи клетки, способные к неограниченному делению, т.е. - РСК. Для этого была использована стратегия генетической маркировки отдельных клеток опухоли, находящихся на разных стадиях развития рака. Было обнаружено, что большинство меченых клеток рака кожи имеют ограниченный пролиферативный потенциал и в дальнейшем дифференцируются в клетки инвазивного плоскоклеточного рака, в то время как отдельный клон клеток сохраняют способность к делению длительное время и практически не дифференцируются, причем оказалось, что, чем более агрессивна опухоль, тем больше таких клеток образуется.

Ученые из Голландии Schepers A.G. и соавт. (статья в журнале Science: "Lineage tracing reveals Lgr5+ stem cell activity in mouse in intestinal adenomas") работали с клетками, формирующими аденомы - предшественники рака кишечника (колоректальный рак). Они вывели трансгенных мышей, несущих специфический генетический маркер Cre (cAMA чувствительный элемент)-reporter R26R-Confetti: при введении соединения, повышающего внутриклеточный уровень цАМФ клетки кишечника начинали производить молекулы четырех цветов в зависимости от того, какие клетки являлись родоначальниками (рис. 9). Были получены опухоли из клеток разного типа, но окрашенных в один цвет, что доказывает их общее происхождение из одной РСК.

Пока неизвестно, могут ли эти данные быть применимы ко всем видам опухолей, но несомненно одно, проведенные исследования, доказывающие возможность развития опухоли из одной трансформированной стволовой клетки, в корне изменят оценку эффективности того или иного вида противоопухолевой терапии и приведут к дальнейшему развитию направленной (таргетной) терапии рака.

Рисунок 9. После рекомбинации в ходе мейоза каждая клетка начинает непрерывно производить один флуоресцентный белок - GFP (зеленый), YFP (желтый), RFP (красный) или CFP (синий). Возможные дочерние клетки будут производить тот же флуоресцентный белок, создавая клоны клеток с тем же цветом.

В настоящее известно, что как взрослые стволовые клетки, так и их производные клетки-предшественники (дочерние клетки) или даже более дифференцированные клетки могут стать РСК и дать начало опухоли (рис. 10). Взрослые стволовые клетки, присутствующие практически во всех тканях и являющиеся долгоживущими скорее, чем др. клетки способны приобретать множественные мутации, необходимые для онкотрансформации. Было показано, что большинство РСК экспрессируют (синтезируют белки- маркеры), ассоциированные со взрослыми стволовыми клетками, такие как CD133 (проминин-1, клеточная функция до конца неизвестна), CD44 (гликопротеид, который является рецептором для гиалуронана, главного компонента внеклеточного матрикса) и ALDH1 (фермент альдегиддегидрогеназа). Как нормальные стволовые клетки, так и РСК, по-видимому, обладают общими эпигенетическими профилями, профилями генной экспрессии и активированными сигнальными путями, такими как Notch, Hedgehog и Wnt.

Рисунок 10. Взрослые стволовые клетки, клетки-предшественники (дочерние клетки) или дифференцированные клетки могут приобрести генетические и эпигенетические изменения необходимые для раковой стволовой клетки.

Дифференцированные клетки, приобретающие вследствие мутаций свойства клеток предшественников или стволовых клеток, могут стать РСК. Возможно, что взрослые стволовые клетки могут приобретать первичные генетические и эпигенетические изменения и что дополнительные мутации могут накапливаться в клетках-предшествинниках или более дифференцированных дочерних клетках. Источник РСК, комбинация приобретаемых генетических и эпигенетических изменений и влияние микросреды, все это способствует возникновению РСК и скорее всего, предопределяет, какие маркеры РСК будут экспрессировать и какого типа опухоль возникнет из них. Неясно, сохраняют ли РСК все свои характеристики по мере развития опухоли. РСК, выделенные из опухолей человека, могут быть не идентичными тем, которые присутствовали при более раннем развитии опухоли. Т.о., точные молекулярные профили и др. характеристики РСК, участвующие в онкогенезе, неясны. Поскольку маркерные белки появляются на клеточной поверхности нормальных клеток, то таковые должны наблюдаться на поверхности РСК из многих типов тканей, такие как, например, CD133 и CD44. Скорее всего, именно они являются настоящими маркерами РСК, участвующих в онкогенезе, что объясняет их воспроизводимость и их присутствие на поверхности РСК. Однако эти маркеры могут также отражать способность определенных клеток переживать процедуру очистки или инициировать опухолевый рост у мышей. Большинство исследователей отмечает значительные ограничения подхода трансплантации раковых клеток мышам, используемого для идентификации РСК, т.к. раковые клетки человека трансплантируются нормальным мышам без потенциально важных акцессорных клеток (в основном макрофаги и фибробласты) и при нарушении и несовместимости иммунной системы.

Раковые стволовые клетки, как полагают, участвуют в опухолевом росте, но участие определенных типов РСК в этом процессе и значение разных процентов раковых стволовых клеток, обнаруживаемых в опухолях, неясно (рис. 11).

Рисунок 11. В ходе роста опухоли, любая раковая клетка может приобрести новые генетические или эпигенетические мутации или изменяться благодаря влиянию микросреды, в результате эти изменения приведет к возникновению нового типа раковых стволовых клеток. Разные типы раковых стволовых клеток в опухоли образуют новые популяции (клоны) клеток разных размеров, которые содержат как раковые стволовые клетки, так и клетки разной степени дифференциации. Общий процент клеточных подтипов в опухоли, в которые входят и раковые стволовые клетки разного фенотипа может определять исход заболевания.

Наиболее вероятно, что в одной опухоли может присутствовать несколько популяций РСК. Т.к. раковые клетки постоянно эволюционируют посредством возникновения новых генетических и эпигенетических изменений и благодаря влиянию на них микроусловий, то потенциально любая из них может стать РСК. Также сами РСК могут приобретать новые свойства, как это показано для РСК при лейкемии, у которых наблюдаются перестройки генов иммуноглобулинов. Паттерны мутаций, которые можно обнаружить в разных регионах опухоли, свидетельствуют о том, что имеются популяции клональных раковых клеток, и некоторые из них могут быть раковыми стволовыми клетками. Необходимо использование большого количества различных маркеров для идентификации РСК даже внутри одиночной опухоли.

Процент РСК от общего количества клеток опухоли может варьировать от 0.03% до почти 100%, что связано со свойствами РСК, инициировавших развитие опухоли и микроусловиями, которые детерминируют возможность возникновения новых РСК. Присутствие большого количества РСК в опухоли указывает на высокий пролиферативный потенциал опухоли, её генетическую нестабильность и отсутствие в ней дифференцировки, что обуславливает эффективность лечения и исход заболевания.

Предполагается, что большая гетерогенность популяции клеток опухолей, является одной из причин их высокого метастатического потенциала, большой вероятности ремиссий и низкой эффективности лечения.

Эволюционная теория рака

Согласно эволюционной теории рака, формирование опухоли представляет собой эволюционный процесс путем природной селекции клонов клеток, приобретающих наследуемые характеристики, дающие им преимущества. Впервые эта теория была предложена Новелом в 1976 г. Он предположил, что природная селекция опухолей основана на клональной селекции отдельных клеточных клонов, что приводит к постоянному изменению характеристик клеток. При этом главным показателем способности опухоли эволюционировать является степень наследственной вариации клеток внутри опухоли. Основой подобной вариации клеток являются соматические мутации клетки-прародителя, дающей начало опухоли, а также огромное число индивидуальных, характерных для отдельных клеток генетических и эпигенетических изменений, которые приобретаются отдельными клетками опухоли во время деления и формирования дочерних клеток. Т.е. предполагается, что опухоль имеет моноклональное происхождение из раковых стволовых прогениторных клеток. Однако с ростом размера опухоли наблюдается расхождение популяции опухолевых клеток на субклоны, что является основой гетерогенности опухолей. При этом степень гетерогенности опухоли на генном уровне служит основой эволюции опухоли как системы, поскольку она определяет пластичность опухоли и больший адаптационный потенциал, что является механизмом, обеспечивающим резистентность опухоли к терапии. Причем субклоны клеток с высокой способностью к формированию злокачественных новообразований характеризуются высокой частотой неклональных изменений по сравнению с клетками опухолей с низкой онкогенностью.