Биологические особенности опухолей, механизм их развития

Клетки организма объединены в ткани, число клеток в каждой из которых более или менее постоянно. Естественная убыль клеток возмещается за счет молодой ткани, содержащей низкоспециализированные, делящиеся клетки, темп созревания которых определяется потерей зрелых, функционирующих клеток, что, в свою очередь, контролируется ростовыми факторами. Если баланс убыль-пополнение по каким-либо причинам нарушается в пользу пополнения, то возникает избыточная масса клеток, и в том месте, где этот баланс нарушен, образуется опухоль.

К биологическим особенностям опухолевых клеток и тканей (в первую очередь - злокачественных) относятся беспредельность роста, автономность роста, инфильтрирующий рост, способность к метастазированию, атипизм (анаплазия) опухолевых клеток и тканей, клоновый характер роста, опухолевая прогрессия.

Беспредельность роста - это избыточность пролиферации опухолевых клеток.

Известно, что у опухолевых клеток понижено свойство контактного торможения, отсутствует предел клеточного деления - «барьер Хейфлика». В норме в процессе межклеточного взаимодействия осуществляется контактное торможение роста клеток:

во время пролиферации дальнейшее деление клетки тормозится соседними, при этом обеспечивается сохранение генетически запрограммированного числа клеток в данной ткани. В опухоли контактное торможение заблокировано, а сама опухолевая клетка «навязывает» окружающим клеткам свои условия существования. Под влиянием паракринных команд, которые исходят из самой опухолевой клетки, окружающие клетки начинают вырабатывать стимуляторы пролиферации, и опухолевая клетка переходит на внутреннюю систему аутокринного и паракринного управления. Нормальные клетки имеют генетически ограниченное число делений («барьер Хейфлика»), после чего включается программа их естественной гибели - апоптоз. В нормальных клетках за программу апоптоза отвечают гены-супрессоры клеточного деления - антионкогены (например, р53). В опухолевых клетках антионкогены инактивированы, поэтому программа апоптоза не включается. В результате опухолевые клетки не гибнут, становятся иммортализованными(«бессмертными»), что в условиях неограниченного числа клеточных делений обусловливает прогрессирующее увеличение количества клеток в ткани. Беспредельность роста обеспечивается также растормаживанием пролиферации за счет увеличения продукции факторов роста (эпидермальный фактор роста и др.), что опосредуется активацией в опухолевых клетках протоонкогенов - генов, кодирующих ростовые факторы. Растормаживание пролиферации обеспечивается переходом к ее паракринной и аутокринной регуляции. Опухолевая клетка осуществляет аутокринную регуляцию своей жизнедеятельности путем самостоятельной продукции и активной рецепции факторов роста. Таким образом, под влиянием генетического сигнала опухолевая клетка сама может стимулировать свое собственное размножение, продуцируя митогены и их рецепторы.

Автономность роста. Опухолевая клетка запрограммирована на размножение, и этому подчинены все внутриклеточные механизмы регуляции обмена веществ и воспроизводства структур. Для реализации этой программы формируется ее автономность - относительная независимость от командных нейрогуморальных влияний организма больного. Она обусловлена снижением на опухолевых клетках числа рецепторов к гормонам и нейромедиаторам организма и переходом к пара- и аутокринной регуляции пролиферации.

Инфильтрирующий (инвазивный) рост - это критерий злокачественности опухолевого роста. При инфильтрирующем росте

опухолевые клетки выходят за пределы исходной ткани, прорастают в окружающие ткани, разрушая их при этом. Механизмы инфильтрирующего роста и метастазирования во многом совпадают.

В основе инфильтрирующего роста лежат беспредельность роста, нарастание количества клеток, проникающих в окружающие ткани. Кроме этого, нормальные клетки гибнут и освобождают пространство для опухоли вследствие их конкуренции с опухолевыми клетками за метаболиты («опухоль - ловушка глюкозы, азота, витаминов и др.»). Гибель нормальных клеток происходит и из-за того, что опухолевые клетки выделяют протеазы в окружающую среду (в настоящее время известны четыре класса протеаз, участвующих в процессах инвазии). Успешность инвазивного роста зависит от ослабления адгезивных свойств опухолевых клеток между собой (например, из-за уменьшения содержания в них кальция, обеспечивающего сцепление клеток), от возрастания числа молекул адгезии к межклеточному фибронектину, коллагену. Все это обеспечивает перемещение, инвазию опухолевых клеток в окружающую среду.

Метастазирование - также один из критериев злокачественности опухоли. Это появление вторичных новых очагов опухолевого роста, удаленных от первичного опухолевого узла. Механизмы инфильтрирующего роста и метастазирования во многом совпадают. Поэтому можно сказать, что метастаз - это отдаленное в пространстве и во времени последствие инфильтрирующего роста.

Метастазирование является главной проблемой в лечении злокачественных опухолей. Раковые клетки отрываются от первичного опухолевого узла, мигрируют по лимфатической и кровеносной системе, а также по межтканевым щелям, имплантируются и дают начало новым опухолям в различных органах и тканях. Однако, как правило, когда удается обнаружить первичную опухоль, часть клеток уже покинула ее и осела в других органах. Около 30% пациентов со злокачественными опухолями имеют клинически выявляемые метастазы в период установления диагноза. У 30-40% пациентов метастазы являются скрытыми и проявляются в дальнейшем.

Формирование метастатических очагов является продолжительным процессом, который начинается на ранней стадии развития первичной опухоли и усиливается со временем. Опухолевые клетки из метастатических очагов сами обладают способностью метастазировать; часто существование крупного и клинически идентифи-

цируемого метастаза осложняется наличием большого количества микрометастазов, образованных из клеток первичной опухоли или из клеток другого метастаза. Различия возраста и размеров метастазов, их рассеянное расположение по всему организму и гетерогенная структура препятствуют полному хирургическому их удалению и ограничивают эффективность многих системных противоопухолевых препаратов.

Выделяют следующие стадии метастазирования:

1. Отрыв одной или нескольких опухолевых клеток от первичного узла и их интравазация- проникновение в кровеносные и лимфатические сосуды и последующая циркуляция по сосудам.

2. Имплантация опухолевых клеток в том или ином органе.

Механизмы отрыва опухолевых клетокот первичного опухолевого узла совпадают с механизмами инфильтрирующего роста (отрицательный заряд мембраны опухолевых клеток, снижение уровня ионов кальция в них, ослабление сил сцепления между опухолевыми клетками, наличие молекул адгезии к межклеточному веществу).

Механизм интравазацииопухолевых клеток опосредован: 1) выделением протеаз; 2) наличием молекул адгезии к межклеточному веществу; 3) активацией неоангиогенеза (в опухолевой ткани повышен синтез позитивных факторов ангиогенеза). Все указанные механизмы позволяют опухолевым клеткам проникать в сосуды.

1. Опухолевые протеазы. Одним из наиболее важных свойств опухоли является способность выделять протеолитические ферменты и регулирующие их активность вещества. Опухолевым клеткам необходимо пройти через внеклеточный матрикс в ходе инвазии, а для этого они должны быть способны секретировать или активировать ферменты, разрушающие основные составляющие матрикса. Известно, что в состав межклеточного вещества и базальных мембран входят структурные белки - коллаген, эластин, ламинин и др. Выделяемые опухолевыми клетками протеазы разрушают эти белки, чем облегчают продвижение клеток вглубь окружающих тканей. В некоторых случаях раковые клетки сами не образуют протеаз, а каким-то образом привлекают к инвазивной зоне макрофаги, фибробласты и нейтрофилы, которые выполняют за них эту функцию.

В настоящее время известны четыре класса протеаз, участвующих в процессах опухолевой инвазии: металлопротеиназы - коллагеназы, желатиназы и стромелизины; цистеиновые протеазы - ка-

тепсины B и L; аспартиловая протеаза - катепсин D; сериновые протеазы - плазмин, активаторы плазминогена тканевого (t-PA) и урокиназного (u-PA) типа.

Некоторые из этих протеаз выделяются опухолевыми клетками во внеклеточное пространство (например, коллагеназа или эластаза), другие оказываются связанными с поверхностью клеток (протеазы, деградирующие фибронектин внеклеточного матрикса). Для некоторых протеаз обнаружен рецептор на поверхности клетки, и поэтому они могут находиться как в связанном с клеточной мембраной, так и свободном состоянии (u-PA).

Кроме веществ, активирующих протеолиз, в ткани опухоли и в плазме обнаруживаются вещества, специфически ингибирующие действие этих ферментов, такие, как тканевые ингибиторы металлопротеиназ или ингибиторы активаторов плазминогена. В настоящее время уже известны два ингибитора активатора плазминогена - PAI-1 и PAI-2. При этом с повышением уровня первого типа ингибитора связан риск возникновения метастазов и рецидива опухоли, а повышение содержания PAI-2 в ткани коррелирует с благоприятным прогнозом развития злокачественного новообразования. Это явление объясняется скорее всего тем, что PAI-1 защищает саму опухоль от разрушающего действия протеаз.

2. Взаимодействие метастазирующих клеток с внеклеточным веществом, адгезия (контактное взаимодействие) клеток. Организмы млекопитающих состоят из серии тканевых компартментов, разделенных внеклеточным матриксом. Базальная мембрана вместе с подлежащей интерстициальной стромой является главным звеном, соединяющим паренхиматозные компартменты органов. В ходе превращения из in situ в инвазивную карциному опухолевые клетки пенетрируют базальную мембрану эпителия и внедряются в подлежащую интерстициальную строму. Непрерывная базальная мембрана представляет собой сеть коллагена IV типа, протеогликанов, гликопротеинов, таких, как ламинин и фибронектин, и в норме не содержит пор, достаточных для прохождения злокачественных клеток. Таким образом, инвазия в базальную мембрану должна быть активным процессом. Только после инвазии в соединительнотканную строму опухолевые клетки получают доступ к кровеносным и лимфатическим сосудам. В ходе интравазации и экстравазации опухолевые клетки также должны пенетрировать субэндотелиальную мембрану. В отдаленном органе клетки, вышедшие за пределы сосудов, должны мигрировать через

периваскулярную интерстициальную строму, чтобы образовать новые колонии в паренхиме.

Взаимодействие злокачественных клеток с базальными мембранами можно разделить на три этапа:

1-й этап. В случае циркулирующих опухолевых клеток базальная мембрана обнажается локальным удалением эндотелия, индуцированным злокачественными клетками. В дальнейшем они присоединяются к поверхности базальной мембраны посредством связывания белков клеточной поверхности с гликопротеинами базальной мембраны. Примером основного белка, необходимого для присоединения злокачественных клеток к базальной мембране, является ламинин. На поверхности нормальных и неопластических клеток имеется рецептор к ламинину с молекулярной массой 64 кД. Второй тип матриксных рецепторов, необходимых для связывания с компонентами внеклеточной среды, представлен интегринами - семейством гликопротеинов клеточной поверхности. Кадхерины являются внеклеточными кальцийзависимыми молекулами клеточной адгезии. Кадхериновые молекулы адгезии обеспечивают разрыв межклеточных контактов, необходимый для выхода опухолевых клеток из первичного места расположения и метастазирования.

2-й этап. После присоединения опухолевые клетки нарушают целостность базальной мембраны. Для этого они или сами выделяют протеолитические ферменты, или индуцируют продукцию протеаз локальными нормальными клетками. Лизис внеклеточного вещества происходит в высоколокализованной области, близкой к поверхности опухолевых клеток, где количество активных ферментов превышает количество естественных ингибиторов, находящихся в плазме и матриксе или синтезируемых окружающими клетками.

3-й этап. Происходит переход опухолевых клеток через поры в базальной мембране, возникшие в результате местного протеолиза. Направление и конечная цель движения клеток могут определяться хемоаттрактантами, выделяемыми тканями хозяина, либо веществами, продуцируемыми самой опухолью. Процесс инвазии является динамичным вследствие циклического повторения вышеуказанных этапов.

3. Неоангиогенез в опухоли. Известно, что большинство злокачественных новообразований склонно к быстрому лимфогенному и/ или гематогенному метастазированию, чему способствует неоан-

гиогенез в первичной опухоли. К потенциальным регуляторам ангиогенеза, сопровождающего рост как первичной опухоли, так и метастазов, относят многие ростовые факторы, среди них особое место занимают ангиогенин и фактор роста эндотелия сосудов. Доказано, что они являются активными митогенами для клеток кровеносных и лимфатических сосудов, не действуют на другие типы клеток и реализуют свой эффект в синергизме с другими факторами роста, в частности с фактором роста фибробластов-2. Отмечено, что клетки наиболее агрессивных опухолей склонны к повышенной экспрессии ангиогенина и фактора роста эндотелия сосудов.

Механизм имплантации опухолевых клетоктакже реализуется поэтапно:

1-й этап. Адгезия циркулирующих по сосудам опухолевых клеток к элементам сосудистой стенки за счет молекул адгезии, чему способствуют воспалительное, атеросклеротическое, операционное повреждение сосудистой стенки, повышение вязкости крови (причины этого - активация коагуляционного, сосудистотромбоцитарного гемостаза, угнетение фибринолиза, сладжирование эритроцитов, увеличение содержания сывороточных глобулинов);

2-й этап. Экстравазация опухолевых клеток (с участием опухолевых протеаз).

Судьба клеток, прошедших экстравазацию и вышедших в ткань, различна: часть их вступает в митоз и образует метастаз; часть - гибнет (под влиянием NK-клеток, макрофагов); оставшиеся переходят в стадию G₀ В фазе покоя (G₀) опухолевые клетки могут находиться достаточно долго, переходу в фазу митоза из фазы G₀ способствуют: гормональный дисбаланс, возраст, снижение резистентности организма (например, уменьшение количества NK- клеток, макрофагов, снижение противоопухолевого иммунитета), операционная травма и др.

Только наиболее приспособленные клетки могут выжить на каждом из этапов метастазирования. Лишь небольшая часть (<0,01%) циркулирующих опухолевых клеток способна в конечном итоге успешно образовать метастатическую колонию. Таким образом, метастазирование является высокоселективной конкуренцией, которая способствует выживанию небольшой субпопуляции метастатических опухолевых клеток, существовавших в первичной опухоли.

В настоящее время во многих лабораториях проводится широкий спектр работ, посвященных изучению молекулярных основ инвазии и метастазирования опухолевых клеток. Хорошо изучены некоторые процессы: адгезия, межклеточные взаимодействия, протеолитическая активность, а также неоангиогенез. Не следует забывать и об иммунной системе, так как благодаря ее толерантности к опухолевым клеткам у онкологических больных некоторые клоны раковых клеток способны выживать и давать начало новым, вторичным опухолям.

Локализация метастазов широко варьирует в зависимости от гистологического варианта и расположения первичной опухоли. Во многих случаях при злокачественных новообразованиях наиболее часто поражается метастазами орган, оказавшийся первым на пути циркулирующих клеток по капиллярному руслу. В качестве примера можно привести саркомы, метастазирующие в легкие, метастазирование рака легкого в мозг и диссеминацию рака толстой кишки в печень. С другой стороны, имеются разные типы локализации метастазов в органах и тканях, происхождение которых не может быть объяснено только на основании анатомического их расположения. Так, светлоклеточная карцинома почек часто метастазирует в щитовидную железу, рак молочной железы - в яичники, а меланома - в печень. Также широко известно сродство клеток рака молочной и предстательной желез к костной системе, куда они чаще всего метастазируют. Эти явления скорее всего отражают различную степень органного тропизма раковых клеток к тканям организма.

Атипизм (анаплазия) - это особенности структурно-функциональной организации опухолевых клеток, создающие сходство с эмбриональными клетками и отличающие их от нормальных исходных клеток.

Виды атипизма: морфологический, биохимический, функциональный, иммунологический.

Атипизм структуры опухолевой ткани отмечается на всех уровнях - тканевом, клеточном и ультраструктурном. Клеточный и ультраструктурный атипизм проявляется полиморфизмом клеток и субклеточных структур по величине и форме, возрастанием ядерноцитоплазматического соотношения, гиперхромией ядер, изменением числа хромосом, увеличением ядрышек, неодновременным делением ядра и протоплазмы. Появляются многоядерные клетки и клетки с почкованием протоплазмы, часто обнаруживаются ми-

тозы с аномальным расположением хромосом. Тканевый атипизм характеризуется изменением величины, формы и расположения тканевых элементов, а также соотношения стромы и паренхимы в органе, пораженном опухолью.

Биохимическая анаплазия - это особенности обмена веществ в опухолевых клетках.

Фенотипические особенности поведения злокачественных клеток (способность к неограниченному росту, инвазии и метастазированию) регистрируются сравнительно легко с помощью биохимических и молекулярно-биологических маркеров. Значительно сложнее решается проблема качественных биохимических отличий опухолевой клетки от нормальной.

Наиболее ранние открытия в этой области связаны с нарушениями (атипизмом) энергетического и углеводного обменов, которые проявляются изменением интенсивности анаэробного гликолиза (расщепление гликогена и глюкозы до пировиноградной кислоты без использования кислорода) и тканевого дыхания. В начале ХХ в. Отто Варбург показал, что опухолевые клетки получают необходимую им энергию в результате анаэробного гликолиза, превращая глюкозу в молочную кислоту. Другое важное открытие, сделанное им, состояло в том, что опухоли потребляют меньше кислорода, чем нормальные ткани. В опухоли постоянно обнаруживается 10-30-кратное усиление анаэробного гликолиза. Усиление анаэробного гликолиза в гиалоплазме опухолевых клеток сопровождается ослаблением тканевого дыхания, которое происходит в митохондриях. В норме усиление анаэробного гликолиза возникает как компенсаторная реакция в ответ на дефицит АТФ при недостатке кислорода. Поступление кислорода в нормальные клетки и активация тканевого дыхания приводят к ослаблению анаэробного гликолиза (положительный эффект Пастера). В опухолевой ткани в отличие от нормальной кислород и тканевое дыхание не ослабляют гликолиз (отрицательный эффект Пастера). Некоторые исследователи считают, что усиленное потребление опухолевой тканью глюкозы и активация гликолиза ослабляют тканевое дыхание (положительный эффект Кребтри). Усиление гликолиза и ослабление тканевого дыхания прогрессивно нарастают по мере увеличения степени злокачественности опухоли. Кроме того, в опухолевой ткани усилен пентозомонофосфатный шунт и использование в нем глюкозы, что приводит к повышенному образованию рибозы и НАДФ2Н, которые необходимы для син-

теза нуклеиновых кислот и размножения клеток. Вследствие атипизма энергетического и углеводного обмена потребность опухоли в глюкозе резко увеличивается, и опухоль становится «ловушкой» глюкозы. Опухолевые клетки приобретают повышенную устойчивость к гипоксии, возникающей при колебаниях в ней кровотока и оксигенации крови, благодаря чему сохраняют способность к инвазивному росту и метастазированию. В связи с накоплением молочной кислоты в опухоли возникает ацидоз, который может действовать отрицательно на окружающие ткани.

В опухолевых клетках существенно изменяются изоферментный спектр ряда ферментов энергетического обмена и их субклеточная локализация в результате нарушения регуляции на геномном уровне. Опухолевая клетка обладает таким изоферментным набором, который позволяет ей адаптироваться к среде и конкурировать с нормальными клетками за необходимые для размножения субстраты.

Следует подчеркнуть, что ни в злокачественных клетках, ни в сыворотке онкологических больных не обнаружены ферменты, специфичные для рака. Речь идет либо о количественных изменениях активности, либо о преобладании того или иного изофермента. Все найденные в злокачественных опухолях изоферменты обнаруживаются в органах взрослого организма либо в эмбриональном периоде. Следует также отметить чрезвычайно высокую вариабельность активности ферментов в опухолях одной и той же локализации независимо от их тканевого происхождения и гистологической структуры. Это обусловлено гетерогенностью клеточного состава опухолей человека и разной степенью их прогрессии. В злокачественных опухолях происходят изменения преимущественно тех ферментов, которые обеспечивают способность к росту и пролиферации клеток: увеличение активности ключевых ферментов гликолиза (гексокиназы, лактатдегидрогеназы - ЛДГ, альдолазы и др.), ферментов синтеза ДНК (ДНК-полимеразы), ферментов, связанных с плазматической мембраной клеток (щелочная фосфатаза, γ-глутамилтрансфераза). Увеличение активности ферментов при злокачественном росте сопровождается нарушением представительства изоформ с унификацией их спектра, выражающейся для ЛДГ в преобладании М-субъединиц при раке желудочно-кишечного тракта, легкого, яичников, предстательной железы и, наоборот, Н-субъединиц при раке яичек и гемобластозах.

Атипизм жирового обмена в опухоли проявляется преобладанием липогенеза над липолизом, при этом особенно интенсивно синтезируются липиды и липопротеины, которые в дальнейшем идут на построение мембран вновь образующихся клеток. При злокачественных опухолях у больных в сыворотке крови возрастает уровень отдельных липидов, в первую очередь нейтральных жиров, эфиров холестерина, триацилглицеролов.

Атипизм белкового обмена и обмена нуклеиновых кислот проявляется многообразными, подчас неоднозначными изменениями. Однако для опухоли характерно преобладание анаболизма над катаболизмом белков, что приводит к возрастанию уровня протеинов, необходимых для усиленного размножения клеток. Повышенный синтез белка требует постоянной утилизации аминокислот и высоких энергозатрат, опухоль активно поглощает аминокислоты из крови даже при низкой их концентрации. Из аминокислот и пептидов в раковых клетках обнаружено много серосодержащих соединений (в составе SH-групп), таких, как метионин, цистеин, глутатион, а также соединений основного характера - лизин, аргинин. Параллельно с ростом опухоли в ее клетках преобладают катаболизм углеводов и анаболизм нуклеиновых кислот по двум путям: рециклизации (синтеза из продуктов распада пуриновых и пиримидиновых оснований) и образования de novo из остатков глюкозы при переаминировании с генерацией оснований нуклеиновых кислот. Усиленный синтез нуклеиновых кислот связан с нарушением генетического контроля.

При опухолевом процессе выявлены нарушения водно-минерального обмена, которые характеризуются накоплением в клетках опухоли К+ и снижением уровня Са²+, что способствует ограничению межклеточных связей, инвазивному росту и метастазированию. Для опухолей также характерна гипергидратация как следствие гиперонкии ткани и гипоонкии крови.

Функциональная анаплазия - это особенности функционирования опухолевых клеток по сравнению с исходными нормальными клетками. Возможны следующие ее варианты:

1. Снижение либо полная утрата специализированной функции, свойственной нормальным клеткам и тканям. Например, при гемобластозах лейкозные клетки не способны осуществлять фагоцитоз, клетки карциномы печени утрачивают способность синтезировать альбумины.

2. Сохранение функции. Но она выполняется монотонно, некоординированно с организмом, не соответствует его потреб-

ностям (например, в глюкагономе или феохромоцитоме идет постоянный синтез гормонов независимо от уровня этих гормонов в крови; при базофильной аденоме гипофиза с гиперпродукцией аденокортикотропного гормона (АКТГ) развивается болезнь Иценко-Кушинга).

3. Появление новой несвойственной функции: белковый обмен в опухоли изменяется не только количественно, но и качественно. Так, например, в опухоли возобновляется синтез эмбриональных белков в связи с разблокировкой эмбриональных генов (синтез α-фетопротеина при первичном раке печени). В клетках опухоли могут синтезироваться белки, гормоны, не характерные для исходной ткани (синтез АКТГ, паратиреоидного гормона при мелкоклеточном раке легкого; синтез аномальных иммуноглобулинов при макроглобулинемии Вальденстрема, болезни тяжелых цепей, миеломной болезни). Определение этих белков в сыворотке крови используют в диагностике опухолей. Синтез аномальных белков и гормонов опухолью может стать причиной тяжелых нарушений регуляции жизнедеятельности. Например, так называемый белок Бенс-Джонса, синтезируемый клетками опухоли при миеломе, обладает низкой молекулярной массой, поэтому проходит через клубочковый фильтр почек и определяется в моче как маркер заболевания. Усиленный синтез этого белка приводит к развитию парапротеинемического нефроза. При мелкоклеточном раке легкого трансформированные клетки эпителия бронхов начинают продуцировать гормоны. В результате в организме развивается параэндокринный синдром- это ситуация клинической картины гиперфункции эндокринной железы на фоне ее атрофии из-за синтеза гормонов опухолевыми клетками. Параэндокринный синдром - один из вариантов паранеопластических синдромов.

Иммунологическая анаплазия - изменение антигенных свойств опухолевых клеток. Существует 3 варианта изменения набора антигенов опухолевых клеток:

1) антигенное упрощение - уменьшение количества антигенов;

2) антигенная дивергенция - появление у опухолевых клеток антигенов различных нормальных клеток и тканей;

3) антигенная реверсия - появление эмбриональных антигенов.

Все это становится одним из механизмов ускользания опухоли от иммунного надзора организма.