На протяжении десятилетий опухоли рассматривались как «другие» – злокачественные, непослушные образования, которые четко отделены от упорядоченной физиологической системы, в которой они живут. Этот взгляд сформировал наш подход к лечению рака: вырезать его, если он достаточно мал, избавиться от него с помощью лучевой терапии или атаковать его с помощью лекарств все более точного таргетинга.
Однако эта точка зрения изменилась с признанием того, что рак – это болезнь всего тела, а опухоль – неотъемлемая часть организма-хозяина.
Во всяком случае, что это нормально?
Развитие крупномасштабной высокопроизводительной геномики дало исследователям детальное представление о мутациях, связанных с раком – от детских опухолей с относительно низкой мутационной нагрузкой до поздних метастатических раковых опухолей, пронизанных десятками тысяч точечных мутаций, делеций, вставок и крупных -масштабные хромосомные перестройки. Эти открытия внесли свой вклад в представление о раковых клетках как о сильно отличающихся от нормальных клеток.
Однако чувствительное секвенирование следующего поколения очень маленьких образцов нормальной ткани недавно показало, что предположительно здоровые ткани на самом деле состоят из лоскутного одеяла мутировавших клонов – открытие, которое можно было бы замаскировать под шум в более крупных, гомогенизированных образцах «нормальных» тканей. ‘клетки, которые обычно используются в качестве контроля в геномных экспериментах.
В 2015 году Иниго Мартинкорена и его коллеги из Института Велкома Сэнгера обнаружили, что нормальные клетки кожи, подвергшиеся воздействию солнца, несут значительное бремя генетических повреждений, причем четверть из них содержит мутацию, вызывающую рак, если она будет обнаружена при биопсии опухоли. Три года спустя та же команда обнаружила, что каждый квадратный сантиметр нормальной ткани пищевода содержит от десятков до сотен мутантных клонов, число которых увеличивается с возрастом. Значительная часть этих клеточных пятен несут мутации в Notch1 и p53, которые обычно считаются классическими мутациями, вызывающими рак. В то же время команда Джорджа Вассилиу из Института Сэнгера обнаружила, что нормальная кровь на самом деле представляет собой суп из отдельных клонов, несущих различные мутации, которые с возрастом становятся все более распространенными. Многие из этих мутаций могут считаться движущими силами лейкемии.
Эти результаты имеют важное значение для диагностики и лечения рака. Например, наличие явных мутаций драйвера рака в нормальной ткани может обеспечить ложноположительные результаты диагностических тестов на основе жидкой биопсии на основе ДНК и ввести в заблуждение выбор таргетной терапии. Открытие Мартинкорена и его коллег, что мутации Notch1 более распространены в нормальном пищеводе, чем в опухолях, также предполагает, что некоторые изменения могут даже иметь защитный характер, что поднимает вопросы о наилучшем использовании методов лечения, направленных на эти конкретные факторы.
Эти наблюдения согласуются с классическими комбинаторными моделями развития рака, такими как "Vogelgram," в котором клетки кишечника должны собрать определенный набор мутаций, чтобы совершить скачок к раку, хотя эти мутации не обязательно должны происходить в определенном порядке. Однако Рубен ван Бокстель и его коллеги из Нидерландов опубликовали в 2016 году поразительные результаты, показывающие, что мутации накапливаются в нормальных стволовых клетках печени, толстой или тонкой кишки со скоростью около 40 в год на протяжении всей жизни, несмотря на то, что эти ткани имеют очень разные раковые образования. уровень заболеваемости. Эти результаты предполагают, что преобразование здоровой клетки в рак должно происходить не только от простого накопления определенного количества генетических изменений с течением времени, что вызывает серьезные вопросы о природе образования и роста опухоли.
Например, давление естественного отбора, приводящее к возникновению и развитию рака, различно в разных типах тканей? Некоторые ткани – или даже люди – обладают высокой толерантностью к мутациям, в то время как другие удаляют поврежденные клетки и контролируют клональный рост? И если да, то какие из них более устойчивы к раку?? В какой степени соседние клоны контролируют друг друга или конкурируют за ресурсы? Рак неизбежен однажды "контрольный список мутаций" был отмечен? Как раковым клеткам удается "обмануть систему" в этих различных средах, чтобы выйти из-под контроля? И, в конечном итоге, то, что превращает "грустная клетка" (я.е. один, содержащий генетические повреждения, но в остальном очевидно здоровый) в "плохая ячейка" который перерастает в злокачественный рак?
Природа и воспитание
Идея о том, что условия в окружающей среде хозяина могут либо стимулировать, либо сдерживать развитие рака, не нова. Еще в 1990-х годах Мина Бисселл и ее коллеги показали, что раковые клетки будут вести себя как нормальные ткани, если их поместить в ограничивающую среду богатой ламинином трехмерной гелевой культуры, но вернутся к злокачественному фенотипу, когда этот новый стабильный “ дом ” ‘ ломается. Роль воспаления, способствующая развитию рака, также хорошо известна и подтверждается недавними интригующими результатами Микалы Эгеблад и ее команды из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, указывающих на роль активации нейтрофилов в пробуждении спящих раковых клеток, вызывающих метастазирование.
Роль микросреды вокруг солидной опухоли получает все большее признание. Строма – разнообразный набор элементов, включая раковые клетки, иммунные клетки многих типов, фибробласты, кровеносные сосуды и внеклеточный матрикс, пропитанные ванной из цитокинов и сигнальных молекул, – является наиболее важным компонентом этого микроокружения. Типичная опухоль поджелудочной железы включает около 10% раковых клеток, причем основную часть составляют нормальные клетки, которые поддерживают их или борются с ними.
Концепция рака как "рана, которая не заживает," формализованная Гарольдом Двораком в 1986 году, до сих пор актуальна и заслуживает более пристального внимания, поскольку акцент смещается с рассмотрения отдельных раковых клеток на рассмотрение экологии микросреды опухоли. Недавняя работа Джерарда Эвана и его команды показывает, что экспрессии онкогенного фактора транскрипции Myc в клетках предраковой аденомы легкого достаточно, чтобы вызвать воспаление, рост новых кровеносных сосудов и подавление нормальных иммунных ответов в окружающей легочной ткани.
Это быстрое ремоделирование стромы приводит к тому, что обычно доброкачественная аденома становится агрессивным раком, а отключение Myc отменяет эти изменения. В здоровой ткани Myc играет ключевую роль в управлении сложными биологическими процессами, необходимыми для заживления и регенерации ран, предполагая, что его аномальная активность при раке приводит к странному, искаженному повторению нормальных процессов заживления.
Эти результаты показывают, что любые факторы, которые вызывают или усугубляют повреждение или воспаление тканей, могут способствовать росту опухоли. И наоборот, поиск способов контроля воспаления и заживления ран может быть преобразован в полезные терапевтические подходы.
Иммунная система: друг или враг?
Присутствие иммунных клеток в опухолях впервые заметил Вирхов в 19 веке. Более чем 150 лет спустя Джеймс Эллисон и Тасуко Хондзё получили Нобелевскую премию за свою новаторскую работу, лежащую в основе разработки иммунной контрольной терапии.
Успех ингибиторов контрольных точек (и, в меньшей степени, терапии CAR-T-клеток) подчеркивает преимущество использования силы адаптивной иммунной системы для распознавания и атаки чужеродных раковых клеток. Но гораздо меньше известно о роли иммунной системы в инициировании и прогрессировании опухоли, особенно об идее о том, что иммунный надзор защищает от рака, которая была впервые выдвинута Полем Эрлихом в 1909 году и до сих пор остается горячей темой в исследованиях.
Несмотря на привлекательность этой концепции, нам не хватает достоверных данных, чтобы доказать, что иммунная система хозяина активно ищет и уничтожает клетки-изгои на самых ранних стадиях инициации рака. Напротив, данные показывают, что действия иммунной системы, особенно воспалительные процессы, играют важную роль в стимулировании "грустный" клетки стать злокачественными. Как отметили Фрэн Балквилл и Альберто Мантовани в 2001 г, "Если генетическое повреждение – это «спичка, которая зажигает огонь» рака, некоторые типы воспалений могут стать «топливом, питающим пламя».""
От микро к макро
Более широкая экосистема тела также влияет на рост рака, метастазирование и реакцию на лечение. Половые гормоны стимулируют рост многих видов рака, и на них можно эффективно воздействовать с помощью гормоноблокирующей терапии, такой как тамоксифен или анастрозол при эстроген-зависимом раке груди и бикалутамид и абиратерон при раке простаты. Семейство инсулиноподобного фактора роста (IGF) и его рецепторы также были причастны к нескольким типам опухолей, в первую очередь к раку кишечника, хотя попытки нацелить эти белки до сих пор не увенчались успехом.
Циркадные ритмы влияют на многие биологические процессы, участвующие в поддержании, восстановлении клеток и ответе на лечение рака (например, восстановление повреждений, вызванных химиотерапией цисплатином). Нарушение нескольких генов, контролирующих циркадные ритмы, увеличивает риск рака на животных моделях. Сменная работа была классифицирована МАИР как "вероятно канцерогенный для человека" в 2007 году, хотя в последнее десятилетие этот риск ставился под сомнение по мере появления новых исследований.
Микробиом также становится важной областью исследований рака. Мел Гривз утверждал, что воздействие соответствующего диапазона микробов в раннем возрасте защищает от детской лейкемии, тогда как Дженнифер Варго и другие начали исследовать влияние микробиома на реакцию на химио- и иммунотерапию. Кишечные микробы также могут изменять доступность определенных питательных веществ для хозяина (и, следовательно, для опухолей), продуцировать потенциально канцерогенные соединения и манипулировать иммунным ответом хозяина – все это может влиять на возникновение и рост рака.
Метаболизм раковых клеток зависит от энергии и питательных веществ, предоставляемых хозяином. Появляется все больше свидетельств того, что некоторые виды рака страдают от «метаболической зависимости», становясь чрезмерно зависимыми от определенных питательных веществ, особенно таких аминокислот, как гистидин, глутамин, аспарагин и серин. Также представляет интерес роль измененного метаболизма глюкозы в стимулировании роста рака (эффект Варбурга и другие механизмы) и связь между высоким потреблением фруктозы с пищей и неалкогольной жировой болезнью печени и раком печени. В более широком смысле, связь между ожирением и раком – это постоянно расширяющаяся область исследований. Хотя необходимо проделать большую работу, чтобы понять спектр метаболических изменений, которые происходят в опухолях, ограничение доступности ключевых питательных веществ или нацеливание на ферменты, которые их производят, может быть эффективным способом "изголодавшийся" раковые клетки.
Экзосомы становятся еще одной областью научных исследований. Эти небольшие пакеты РНК и других молекул передают информацию по телу и были предложены как способ, которым рак "семя" отдаленные части тела, чтобы было удобно "почва" на будущие метастазы. Однако одно из самых известных исследований в этой области – статья 2012 года, показывающая, что экзосомы из высокометастатических меланом могут "обучать" здоровые клетки костного мозга для ускорения распространения рака – не могут быть воспроизведены в другой лаборатории.
Целостный взгляд
Была проделана большая работа, чтобы раскрыть сложные экологические и эволюционные механизмы, которые влияют на рост, распространение и реакцию на терапию. Однако слишком часто эти эксперименты полагаются на "мертвых" биология, изучение фиксированных образцов опухолей и тканей, собранных в определенные моменты времени (например, до терапии и после рецидива). Эти снимки не отражают сложных взаимодействий и выборочного давления, которые произошли между раком и хозяином с течением времени.
Проекты по секвенированию генома рака за последние годы выросли в геометрической прогрессии благодаря достижениям в области технологий секвенирования ДНК и биоинформатики. В рамках этих проектов были собраны сотни тысяч образцов опухолей и проанализирована генетическая неоднородность до уровня одной клетки. Но принятие такого геноцентрического взгляда означает, что эта область, как правило, сосредоточена только на мутации и упускает из виду не менее важный аспект естественного отбора фенотипов клеток в динамической среде.
Сосредоточение внимания исключительно на генах также имеет тенденцию упускать из виду роль эпигенетических изменений, влияющих на пролиферацию, лекарственную устойчивость и другие фенотипы рака, которые не могут быть обнаружены с помощью простого секвенирования генома. Подобно тому, как эпигенетические модификации лежат в основе пластичности клеток и тканей во время нормального развития, эпигенетические изменения позволяют раковым клеткам проявлять различное поведение и характеристики, такие как переход эпителия в мезенхиму, даже при отсутствии лежащих в основе генетических мутаций. Наиболее известная эпигенетическая метка, метилирование ДНК, может передаваться через деление клетки и потенциально обеспечивает вид наследственной вариации, на которую может воздействовать естественный отбор.
Как писал Исаак Беренблюм в 1974 году, "в настоящее время мы находимся в эре молекулярной биологии, и, возможно, на нас чрезмерно влияет генетический код как доминирующий принцип в биологии. Возможно, через десять или два года доминирующий принцип может сместиться в другую плоскость, что, в свою очередь, повлияет на наши предположения о причинно-следственной связи опухоли."
Более чем четыре десятилетия спустя первенство генетики наконец уступает место взгляду на рак как на неотъемлемую часть физиологической системы – тела хозяина, а не как на почти чужеродную "Другие." Пришло время вернуть себе концепцию холистической медицины, захваченную альтернативными методами лечения, описать вид рака, охватывающий все тело (вместе с местными микробами), чтобы понять, как болезнь начинается и распространяется, и как лечить это более эффективно.
Помимо разработки лекарств, нацеленных на продукты мутировавших геномов в опухоли, все больше данных свидетельствует о том, что существует неиспользованный потенциал в разработке методов лечения, которые манипулируют различными аспектами среды хозяина, чтобы сделать ее негостеприимной для роста рака. От повышения способности стромальных клеток усиливать "социальные нормы" здоровой ткани и привести в действие клетки-изгои, изменить местную кислотность микросреды опухоли, настроить диету, управлять микробиомом и сбросить биологические часы – есть много подходов, которые заслуживают более тщательного изучения.