Выше мы попытались описать основные механизмы, лимитирующие активность клеточного цикла, и то, как эти механизмы нарушены в опухолевой клетке. Доступные на сегодняшний день лечебные опции были немыслимы всего каких-то двадцать-тридцать лет назад: за последние годы достигнут колоссальный прогресс в лекарственной терапии, а в особенности в разработке таргетных препаратов, направленных на различные опухолевые белки, среди которых важное место занимают белки, регулирующие клеточный цикл.
В последние годы фурор в клинической онкологии произвели ингибиторы циклин-зависимых киназ 4 и 6 (CDK4/6), уже ставшие стандартом для метастатического гормон-зависимого рака молочной железы (палбо-, рибо-, абемациклиб). Эти молекулы останавливают клеточный цикл в точке, где сходятся все вышележащие молекулярные пути, идущие от мембранных рецепторов, — в комплексе циклин-CDK4/6. При этом, несмотря на логичность использования таких ингибиторов с точки зрения биологии рака (ведь комплекс CDK4/6 активно функционирует во всех делящихся клетках организма, а тем более в опухолевых), даже они не претендуют на роль «волшебной пули» для множества локализаций. Эта избирательная восприимчивость опухолей отдельных органов (и даже подтипов) к ингибиторам, казалось бы, универсальных белков, активных во всех опухолях, лишь подчеркивает уникальные свойства, присущие каждой конкретной опухоли.
Однако детальное понимание биологии рака по-прежнему является источником новых перспективных мишеней. Так был разработан первый ингибитор WEE1-киназы — уже упомянутого фермента, тормозящего митоз в случае активации G1/S-чекпоинта. Интересно, что смерть опухолевой клетки в случае применения WEE1-ингибитора — адавосертиба — наступает в результате запуска деления дефектной клетки с поврежденной ДНК.
Апоптоз — тоже перспективная мишень для антираковой терапии. Однако, хотя теоретически апоптоз злокачественной клетки можно запустить множеством внешних и внутренних стимулов, далеко не все эти пути безопасны для организма в целом. На данный момент одобрение для лечения пациентов получило сравнительно немного препаратов этой группы. Главным образом, это вещества, ингибирующие антиапоптотические белки семейства BCL-2 (BH3-миметики) — например, Венетоклакс. Также разрабатываются препараты, активирующие внешний путь апоптоза; кроме того, предлагается использовать комбинации препаратов.
Как мы писали раньше, возможность выхода из клеточного цикла предоставляется клетке во время интерфазы (G1-чекпоинт), и в этом случае открываются три возможных сценария:
- состояние покоя (quiescence) — обратимая остановка цикла с замедлением внутриклеточных процессов и возможностью возобновления деления. Такое состояние в норме является ответом на недостаток нутриентов и факторов роста, снижая расходы на рост и обновление организма в неблагоприятных условиях;
- программируемая клеточная гибель (апоптоз);
- сенесценция — вариант необратимого выхода из клеточного цикла в ответ на повреждение ДНК. Клетка при этом сохраняет метаболическую активность, пусть и в измененном виде, секретируя про-воспалительные факторы и внося вклад в нарушение нормальной физиологии тканей.
Выше мы рассказали о том, какую важную роль в злокачественном перерождении клеток играют нарушения апоптоза, связанные с мутациями в гене белка р53 — «стража генома». К этому нужно добавить, что в последние десятилетия стало известно, что и другие типы программируемой клеточной смерти (пироптоз, некроптоз и другие) также играют важную роль в физиологии злокачественных опухолей. В ближайшее время мы планируем посвятить отдельную публикацию разнообразию типов программированной клеточной смерти в контексте молекулярной онкологии. Однако если изучение двух первых путей выхода из клеточного цикла идет уже давно, то такое явление, как сенесценция, привлекло внимание исследователей лишь в последние годы.
Сенесценция в здоровых и раковых клетках
Как вы, наверное, уже поняли, далеко не у всякой клетки жизнь складывается безоблачно: многие сталкиваются с разными видами стресса, повреждающими белки и геном. Давать возможность такой «порченой» клетке делиться и плодить клетки с ненормальными фенотипами не в интересах организма, но не все они (по разным и не всегда понятным причинам) подвергаются апоптозу. Зачастую такие клетки, хотя и перестают делиться, не погибают, а впадают в состояние, похожее на оцепенение: они продолжают жить, но перестают делиться, причем это состояние необратимо, в отличие от периодов покоя между делениями у обычных клеток. Такое «полуживое» состояние получило название клеточной сенесценции. Это состояние впервые было охарактеризовано в 1961 году Хейфликом и Мурхедом, которые серийно культивировали фибробласты и добились того, что старые, много раз делившиеся клетки клетки в какой-то момент «замирали»: не делясь, но и не умирая.
Сенесцентная клетка перестает делиться, зависая в фазах G1 или G2, чтобы не передавать приобретенные повреждения дочерним клеткам. Толчком к переходу в это состояние могут быть укорочение теломер, активация онкогенов, нефункциональное состояние супрессоров опухолей, повреждения органелл, вирусы, а также некоторые эпигенетические изменения. Однако самый главный триггер сенесценции — повреждения ДНК.
SASP (от senescence-associated secretory phenotype) —
особый секреторный фенотип сенесцентных клеток, сохраняющих, несмотря на «покой», метаболическую активность и влияющих этим на свое окружение. Сенесцентные клетки выделяют целый коктейль биологически активных веществ: цитокины, хемокины, ростовые факторы, протеазы и так далее. Туда могут входить даже внеклеточные везикулы (экзосомы), содержащие липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Сенесцентные клетки отличаются от нормальных даже морфологически: имеют крупное ядро или несколько ядер; их хроматин претерпевает реорганизацию (конденсируются хромосомы, перераспределяются или формируются заново скопления гетерохроматина); часто в их цитоплазме образуются вакуоли и гранулы, выявляются липидные капли. Митохондрии могут вздуваться, лизосом становится больше, эндоплазматический ретикулум разрастается, и клетка находится в состоянии окислительного стресса. Изменение процессов обмена проявляется, в частности, накоплением лизосомальной бета-галактозидазы — это биохимический маркер сенесцентных клеток. Деформация клетки обусловлена изменениями в актиновом цитоскелете.
Казалось бы, при чем здесь рак — болезнь, характерным признаком которой является активная пролиферация? Однако в последние десятилетия было сделано удивительное открытие: оказалось, что кроме безудержно делящихся клеток, в злокачественных опухолях присутствует и много неделящихся — сенесенсных клеток с раковым генотипом. Сенесценция опухолевых клеток имеет свои особенности. В отличие от обычных клеток, они иногда могут возобновлять деление, тем самым опровергая устоявшееся мнение, что сенесценция необратима. Однако в большинстве случаев сенесцентные раковые клетки устойчивы и к сигналам, запускающим пролиферацию, и к факторам, запускающим клеточную смерть. Они не делятся, но и не умирают.
Еще одна характерная черта сенесцентных злокачественных клеток — уже упомянутое интенсивное ремоделирование хроматина, которое затрагивает гены, связанные с пролиферацией (например, ген циклина А), и инактивирует их. Возникающие в итоге гетерохроматиновые скопления обозначают SAHF (senescence-associated heterochromatic foci). Формирование SAHF не только останавливает клеточный цикл, но одновременно блокирует и сигнальные пути, запускающие гибель клетки вследствие повреждений ДНК.
Как и другие сенесцентные клетки, сенесцентные раковые клетки имеют секреторный фенотип: SASP, причем самого причудливого состава — настолько сложного, что для него даже был предложен специальный термин — SASPом (SASPome). Чего только в нем нет! Тут и внеклеточные везикулы, и фрагменты митохондриальной и геномной ДНК, и некодирующие РНК, и специфические липиды, а также многие другие факторы, влияющие на внеклеточную среду (в том числе внутриопухолевую) и воспаление. SASP может действовать как аутокринно, влияя на ту клетку, что его выделила, так и паракринно на клетки самых разных типов — соседние злокачественные клетки, клетки стромы и иммунные клетки. Вещества, синтезированные сенесенсными клетками опухоли, разносятся по организму, так что их влияние может проявляться не только локально, но и на системном уровне.
Двуликий Янус онкологии
Откуда же берутся сенесцентные опухолевые клетки? Один из вариантов — онкоген-индуцированная сенесценция. При очень высоком уровне синтеза таких белков, как BRAF, MYC и MEK повреждается ДНК и активируются сигнальные пути, обеспечивающие ответ на стресс, вследствие чего и наступает сенесценция. Другая причина «злокачественной» сенесценции — утрата опухолевых супрессоров (например, PTEN). Иногда к такому исходу приводят специфические эпигенетические изменения. Опухолевые клетки также могут приобретать сенесцентный фенотип под действием противораковой химиотерапии, иммунотерапии или лучевой терапии. В этом случае сенесценция развивается в ответ на клеточный стресс, вызванный лечением — повреждение ДНК, клеточный стресс, нарушения митоза. В целом, поскольку сенесцентные клетки не пролиферируют, для пациента сенесценция — скорее благо, чем зло, и ее индукция (например, с помощью уже разработанных ингибиторов теломеразы или посредством внесения эпигенетических изменений) даже рассматривается в контексте потенциальной терапии рака.
Но не играем ли мы с огнем, когда рассматриваем сенесценцию как нашего безусловного союзника в борьбе с раком? Не может ли сенесценция обладать и проопухолевым действием? Увы, к сожалению, так оно и есть. Сенесценция и впрямь обладает двояким действием на опухоль.
Сенесцентные клетки влияют на жизнь опухоли посредством секреции биологически активных молекул. Как мы помним, состав SASP, продуцируемых злокачественными сенесцентными клетками, очень неоднороден. Порой входящие в его состав молекулы блокируют деление соседних опухолевых клеток (паракринное действие), а также поддерживают сенесцентное состояние у самой клетки (то есть действуют аутокринно). Этот антиопухолевый эффект может быть опосредован провоспалительными интерлейкинами 6 и 8 (IL-6 и IL-8), а также трансформирующим фактором роста β (TGF-β). Через IL-6 и фактор некроза опухоли α (TNF-α) сенесцентные клетки могут даже запускать апоптоз у соседей, в том числе клеток стромы и эндотелия, выстилающего сосуды, питающие опухоль.
Антиопухолевое действие SASP может быть направлено не только на раковые клетки, но и на микроокружение опухоли. В частности, SASP может приманивать иммунные клетки: NK-киллеры и макрофаги. Уже накоплено немало данных о том, что действие многих видов противораковой химиотерапии тесно связано с сенесценцией у злокачественных клеток. Например, применение некоторых ингибиторов циклинзависимых киназ 4/6 (CDK4/6) приводило к образованию SASP, запускавшего мощный антиопухолевый ответ.
Однако одновременно сенесценция может играть и обратную роль — способствуя росту опухоли. Если в опухоли под действием терапии накапливаются сенесцентные клетки, до которых не добирается антиопухолевый иммунитет, они могут стать источником проопухолевых SASP-сигналов, способствующих пролиферации раковых и предраковых клеток. Этими сигналами могут стать молекулы пролиферации и хемотаксиса, микровезикулы, а также агенты, вызывающие перестройки внеклеточного матрикса. Более того, с помощью некоторых компонентов SASP сенесцентные раковые клетки могут вырабатывать резистентность к терапии! Такое пагубное действие сенесценции было показано при некоторых случаях рака молочной железы, печени и простаты. Но это еще полбеды.
SASP может способствовать метастазированию: матриксные металлопротеиназы, синтезируемые сенесцентными клетками, разрушают базальную мембрану и тем самым открывают широкие врата для метастазирования и дополнительного разрастания кровеносных сосудов опухоли (на примере злокачественных опухолей легкого и простаты). Также на раке простаты было показано, что сенесцентные клетки посредством SASP (в том числе содержащего митохондриальную ДНК) могут создавать иммуносупрессивную среду, привлекая в опухоль клетки, подавляющие иммунный ответ особыми хемокинами.
Есть и другие, не связанные с SASP механизмы, по которым сенесцентные злокачественные клетки могут оказывать проопухолевое действие. Бывает так, что эти клетки выходят из сенесценции и приобретают свойства, сближающие их со стволовыми. Иногда клетки, которые удалось вогнать в сенесценцию с помощью терапии или вследствие гиперактивности онкогена, вновь выходят из-под контроля и начинают пролиферировать. Установлено, что сенесцентные клетки приобретают свойства стволовых частично через SASP-опосредованный сигнальный путь WNT. Такое превращение было отмечено у злокачественных сенесцентных клеток многих видов опухолей. Важно отметить, что сенесцентные злокачественные клетки имеют весомые предпосылки к подобному перерождению — это и метаболическое репрограммирование (ответ на окислительный стресс), и эпигенетические изменения, и активация сигнальных стрессовых путей. Благодаря этим изменениям путь возвращения к делению, закрытый для нормальных сенесцентных клеток, вновь открывается для злокачественных сенесцентных клеток.
Сенесценция в микроокружении опухоли
Злокачественные клетки опухоли живут не в изоляции. Они находятся в так называемом микроокружении опухоли, в которое входят как клетки многих видов — эндотелиоциты, адипоциты, иммунные клетки, клетки стромы (в том числе фибробласты), — так и неклеточные компоненты межклеточного матрикса. Все это окружение взаимодействует с опухолевыми клетками и либо активирует, либо подавляет онкогенез. Как стало ясно в последние годы, индуцированная сенесценция здоровых клеток опухолевого окружения также вносит вклад в развитие патологии.
В случае многих видов опухолей фибробласты стромы способствуют пролиферации злокачественных клеток, перестройке внеклеточного матрикса и помогают новообразованию ускользать от иммунитета. Но не все так просто. Транскриптомные исследования показывают, что фибробласты опухоли крайне гетерогенны и подразделяются на разные популяции: как способствующие, так и подавляющие рост опухоли. А еще опухолевые фибробласты могут подвергаться сенесценции под действием стрессовых факторов. Их SASP обладает проопухолевым эффектом и может как непосредственно стимулировать пролиферацию злокачественных клеток, так и перестраивать микроокружение под опухолевый рост.
Важнейший компонент опухолевого микроокружения — иммунные клетки, и они тоже могут становиться сенесцентными. Иммуносенесценция в целом способствует развитию рака, в том числе через поддержание хронического воспаления. Она нарушает адаптивный антиопухолевый иммунитет, а в особенности его T-клеточное звено.
Сенесценция может затрагивать и клетки врожденного иммунитета. Клетки миелоидного ряда могут становиться сенесцентными как вследствие старения, так и по другим причинам. Например, было показано, что свойства сенесцентных клеток могут приобретать макрофаги и некоторые незрелые нейтрофилы, находящиеся в микроокружении опухоли. Так что сенесценция — еще и фактор взаимодействия иммунных клеток с опухолью.
Наконец, клетки эндотелия сосудов опухоли также могут становиться сенесцентными. Впрочем, сенесценция эндотелия проявляется и при сердечно-сосудистых заболеваниях, нарушая целостность эндотелия и повышая проницаемость сосудов. Кроме того, сенесцентные эндотелиоциты меняются функционально: продуцируют меньше оксида азота (NO) и больше активных форм кислорода. Учитывая, какое колоссальное значение для опухоли играет кровоснабжение, сенесценцию эндотелия нельзя недооценивать.
Старение клеток как перспективная терапевтическая мишень
Мы рассмотрели, как тесно переплетены онкогенез и сенесценция в опухоли, а также обратили внимание на сенесценцию ее микроокружения. Напрашивается вопрос: может ли сенесценция быть терапевтической мишенью? Спойлер: да, но пока только в теории из-за описанной выше «двуликости». «Приручить» сенесценцию, чтобы ее эффект был однозначно антиопухолевым, — задача будущего. Пока препараты против сенесценции изучаются главным образом в контексте замедления старения, однако ученые имеют основания полагать, что у них есть и антираковый потенциал.
В настоящее время ведутся разработки препаратов прицельного уничтожения сенесцентных клеткок — сенолитиков. Они «заставляют» сенесцентные клетки умереть, действуя, например, на антиапоптотические белки семейства BCL-2. Ведутся также разработки CAR-T-клеток, направленно уничтожающих сенесцентные клетки.
К слову сказать, сенолитическим потенциалом обладают и некоторые природные соединения — например, флавоноид физетин, содержащийся в ягодах и фруктах вроде клубники и яблок. Стоит отметить, что разработка сенолитиков сильно осложняется тем, что сенесцентные клетки из разных тканей на молекулярном уровне (особенно на уровне SASP) отличаются друг от друга. Из-за этого сенолитики, эффективные в одной ткани, могут быть бесполезны или даже вредны в другой.
Есть и менее радикальный подход — не уничтожать сенесцентные клетки, но снижать вред от них, в частности, подавляя SASP. Препараты, действующие по такому пути, известны как сеноморфы. Действительно, нельзя забывать, что у сенесцентных клеток есть и полезные функции — например, они участвуют в заживлении ран. По сравнению с сенолитиками, сеноморфы изучены хуже. Это некоторые ингибиторы mTOR и JAK, глюкокортикоиды и даже метформин.
Может показаться, что просенесцентная терапия и терапия сенолитиками противоречат друг другу. Однако можно объединить два подхода в один: сначала индуцировать сенесцентность в клетках опухоли, а затем ударить по ним сенолитиком. Такой подход назвали стратегией «двойного удара» (one-two punch). Проверить эффективность такой комбинации успешно удалось на моделях рака кожи, простаты, легких и печени. Однако сможет ли такая связка сработать на реальных опухолях — покажет время.
Больше о рождении, старении и смерти клеток и о том, как знания об этом помогают лечить рак, читайте на нашем сайте!