Биологические и генетические аспекты развития хондросаркомы

Обзор статьи: Chow WA. Chondrosarcoma: biology, genetics, and epigenetics. F1000Res. 2018;7:F1000 Faculty Rev-1826. Published 2018 Nov 20. doi:10.12688/f1000research.15953.1

Вступление

Под хондросаркомой (ХС) авторы понимают первично злокачественную опухоль, которая растет из хрящевой ткани и обычно характеризуется медленным ростом. Чаще заболевание проявляет себя во взрослом возрасте. Прогноз зависит от стадии опухоли и её гистотипа и других характеристик. Опухоль достаточно устойчива к химио- и лучевой терапии, что связано с особенностями ХС: слабой васкуляризацией, низкой скоростью деления клеток, наличием гиалинового матрикса, который ухудшает доступ к клеткам. ХС не свойственно метастазирование. Так по данным, представленным в статье, менее 10% всех ХС имеют высокий метастатический потенциал. Различают первичные ХС – такие, которые сразу имеют признаки злокачественной опухоли и вторичные, развивающиеся из доброкачественных опухолей: хондромы или остеохондромы. Центральные ХС развиваются в костномозговом канале, а периферические – в поверхностных участках кости, чаще всего в хрящевых «шапочках» экзостозов. Первичные ХС обычно центрального типа. Вторичные ХС могут быть как центральными, так и периферическими. Излюбленной локализацией злокачественной хрящевой опухоли являются эпифизы длинных костей.

Для более четкого понимания механизмов и патологических путей образования ХС авторами предлагается провести небольшой экскурс в нормальную структуру кости (рис. 1). В нормальных условиях кость формируется в результате оссификации гиалинового матрикса, который производят хондроциты. Вначале мезенхимальные клетки дифференцируются в эпифизарной зоне роста, превращаясь в хондроциты. Последние мигрируют в зону пролиферации, где и происходит образование гиалинового матрикса. Далее остеобласты мигрируют в готовый матрикс и инициируют процесс оссификации. 

Доброкачественные хрящевые опухоли

Остеохондрома представляет собой доброкачественную опухоль, которая представляет собой экзостоз, покрытый хрящевой «шапочкой». Из всех доброкачественных опухолей костей остеохондрома является наиболее часто встречающейся. По данным американских авторов, риск малигнизации составляет около 1% для одиночной опухоли и около 5% при множественном поражении кости. Энхондрома – опухоль из хрящевой ткани, которая растет внутри кости. Энхондрома – монооссальное одиночное образование; множественные поражения костей являются признаком болезни Олье. При сочетании энхондроматоза с пигментными пятнами говорят о развитии болезни Маффучи. При вышеуказанных синдромах значительно возрастает риск озлокачествления – 40% и 53% соответственно. 

В западном медицинском мире при изучении онкологических заболеваний большое значение придается изучению и расшифровке генома патологических клеток с целью найти их «слабые места». В дальнейшем производятся препараты, воздействующие именно на патогенные клетки с применением знаний генома. Не стала исключением и хондросаркома. По данным авторов статьи, была найдена мутация гена хрящевого коллагена COL2A1, который кодирует производство альфа-цепей коллагена второго типа. Кроме этого, обнаружены мутации IDH1/2 гена.

«НН-путь»

Для обзора следующей главы сделаем небольшое отступление. НН-путь – это аббревиатура, которая по-английски выглядит, как «Hedgehog pathway». В свободном стиле это словосочетание можно перевести как «путь ежа». Попытаемся понять, откуда взялось это необычное название. В 1970-ых годах ученые Christiane (Janni) Nüsslein-Volhard (Германия) и Eric Francis Wieschaus (США) изучали генетические мутации в эмбриогенезе дрозофил, за что и получили в 1995 году Нобелевскую премию. Во время своей работы они обнаружили, что некоторые личинки дрозофил имеют не обычную форму вытянутого овала, а напоминают неправильный круг. Кроме этого, хитиновые зубчики (зачатки будущих конечностей), которые у нормальной личинки располагались параллельно друг другу и перпендикулярно к длинной оси, у патологически сформированных личинок располагались хаотично. Такие особи сверху напоминали небольших ёжиков – «hedgehog». Позднее был обнаружен ген, при сбое в работе которого происходили вышеуказанные изменения. Он получил название НН-ген дрозофил и отвечал за дифференциацию сегментов тела мухи. В дальнейшем были найдены похожие гены и у млекопитающих. Сейчас известно три варианта НН-гена: индийский – Indian (IHH), звуковой – Sonic (SHH), пустынный – Desert (DHH). Эти гены отвечают за развитие и дифференциацию различных типов тканей, в том числе и хрящевой. В дальнейшем мы будем для удобства использовать английские аббревиатуры.

Итак, в организме человека хондрогенез регулируется с помощью IHH, который влияет на выработку паратиреоидного гормоно-высвобождающего протеина – parathyroid hormonerelated protein (PTHrP) перихондральными хондроцитами. Кроме этого, ІНН, являющийся продуктом пролиферации хондроцитов, индуцирует деление хрящевых клеток. PTHrP ингибирует дифференциацию хондроцитов, поддерживая их пролиферацию. Также через негативную обратную связь PTHrP влияет на ІНН, не позволяя  хондроцитам дифференцироваться (рис. 1). Учитывая крайне важную роль ІНН в развитии хондросаркомы, было проведено более глубокое изучение этого пути развития опухоли с последующей разработкой препаратов, которые смогли бы заблокировать его. Несмотря на приложенные усилия и разработку нескольких лекарств, во время проведения двойных слепых, плацебоконтролируемых, рандомизированных исследований, ни одно из них не показало ожидаемых результатов. Согласно информации, представленной в статье, поиски эффективного ингибитора патологического ІНН продолжаются.

Пути подавления опухоли

В западной медицине, а точнее в её разделе, занимающемся исследованием опухолей, особую роль играют генетические исследования. Общий принцип сводится к тому, что учёные пытаются определить патологические пути развития для конкретной опухоли (или же общий для нескольких) и разработать вещество, способное подавить неверное развитие клеток, так сказать «в зародыше». Как, наверное, известно, в организме человека постоянно происходят небольшие сбои, которые могут привести к развитию злокачественных клеток. Однако этого обычно не происходит. Причина такого явления – наличие специальных путей подавления опухолевого процесса. Наиболее важными являются два из них. Каждый путь начинается с какого-либо онкогенного сигнала (например, повреждения ДНК), запускающего целую цепочку реакций. Звенья такой последовательности представляют собой определенные вещества, в результате последовательной активации которых запускается каскад реакций, приводящих к апоптозу патологической клетки или к её возврату к нормальному функционированию. В одном из путей подавления ключевую роль играет ген TP53 (белок – антионкоген), при поломке которого весь защитный комплекс рушится. Такая мутация является наиболее часто встречающейся при многих опухолях. В частности авторы статьи приводят цифру в 20-50% случаев при генетическом анализе клеток ХС. Кроме собственно мутации гена, белок Р53 инактивируется чрезмерным количеством особого протеина MDM2 (proto-oncogene; белок, который кодируется одноименным геном, расположенным у людей на коротком плече 12-й хромосомы. Во время исследований было обнаружено, что в ХС высокой степени злокачественности в 33% случаев было обнаружено повышенное количество MDM2. На данный момент ведутся разработки препарата, способного исключить воздействие протеина MDM2 на Р53 (белок p53 — фактор, регулирующий клеточный цикл; выполняет функцию супрессора образования злокачественных опухолей), что в теории должно уменьшить вероятность развития патологических хондроцитов.  Во втором пути подавления основным является ген супрессии ретинобластомы – retinoblastoma tumor suppressor gene (RB), который впервые был обнаружен при анализе генома клеток ретинобластомы, однако позже выяснилось, что сбой этого гена также является частой причиной развития других злокачественных опухолей. Учитывая крайнюю важность именно RB-гена, второй путь называют RB-путь. На данный момент уже разработаны препараты, показавшие свою эффективность при раке молочной железы. По мнению авторов статьи, в будущем предстоит исследовать воздействие препаратов такого класса (палбоциклиб, рибоциклиб, абемациклиб) не только на клетки рака молочной железы, но и на ХС.

Сигнальный путь PI3K–Akt–mTOR 

Данный сигнальный путь является ещё одним защитником организма млекопитающих от развития патологических клеток. В его функции входит контроль апоптоза, метаболизма клеток, их роста и пролиферации. Этот путь состоит из целого ряда киназ и фосфатаз, которые подавляют образование раковых клеток. Одной из важнейших фосфатаз является phosphatase and tensin homolog – PTEN, работа которой кодируется одноименным геном. При сбое последнего создается субстрат для развития опухоли. При этом необходимо отметить, что мутация PTEN-гена в клетках ХС встречается достаточно редко. Ещё одним ключевым компонентом рассматриваемого сигнального пути является протеинкиназа mammalian target of rapamycin (mTOR) – мишень для рапамицина млекопитающих. Данная киназа является точкой приложения иммунодепрессанта рапамицина, из-за чего и получила своё название. Согласно информации из статьи, на данный момент получены положительные результаты при комбинированном лечении опухолей препаратами, которые ингибируют mTOR. Однако выборка пациентов крайне мала. Поэтому, как отмечают авторы текста, работа на данном направлении должна развиваться.

МикроРНК

МикроРНК – малые некодирующие молекулы, длиной от 18 до 25 нуклеотидов. В клетках эти «малыши» занимаются нестандартной для молекул РНК работой: подавляют экспрессию различных генов путем связывания с матричной РНК. Кроме этого, комплексное соединение микроРНК с матричной РНК подвергается расщеплению клеткой. Не подлежит сомнению тот факт, что микроРНК играют значительную роль в генезе ХС. В статье приводится пример микроРНК-100, которая ингибирует в нормальной клетке mTOR. В патологической же клетке отмечается недостаточная активность этой РНК, что приводит к снижению опухолевой супрессивной функции, вследствие чего повышается риск развития онкологического заболевания.

Эпигененетка

Для начала в нескольких словах напомним, что включает в себя это понятие. Под эпигенетикой понимают такой раздел генетики, который изучает изменения в клетке или в генах, которые не затрагивают последовательности ДНК. Эпигенетическое влияние является крайне важным для развития любого многоклеточного организма, потому что является основой клеточной дифференцировки. Кроме этого, влияние внешних факторов может существенно изменить клетку, при этом не оказывая прямого воздействия на клеточный геном. Одним из классических примеров является удлинение шерсти у мышей-полевок, рожденных осенью, по сравнению с их весенними собратьями. Было выяснено, что длина шерсти при всех прочих равных внешних факторах напрямую зависит от концентрации мелатонина в крови. 

Несомненно, что внешние изменения также могут влиять и на развитие раковых клеток. Например, воздействие некоторых веществ может привести к развитию рака, не имея при этом прямого мутагенного эффекта.

Одним из основных механизмов, которые влияют на экспрессию генов является метилирование (присоединение к цитозину ДНК метильной группы). Обычно в результате такого процесса происходит подавление гена. Метилирование является нормальным процессом, однако, при увеличении числа метилированных ДНК, могут возникать патологические изменения в клетках. В частности в клетках ХС гиперметилированию подвержен один из генов, который подавляет развитие опухолей - P16INK4a (представитель семейства циклин-зависимых ингибиторов киназы (CKIs)), в результате чего происходит повышение уровня пролиферации и снижение апоптоза патологических клеток. Поскольку метилирование запускают ДНК-метилтрансферазы, то их ингибирование может предотвратить процесс чрезмерного метилирования, снизив таким образом количество патологических клеток. Іn vitro удалось достигнуть такого результата в одной из культур клеток ХС с помощью децитабина. На данном этапе мы находимся в начале пути получения лекарственных препаратов, которые смогут эффективно и безопасно влиять на метилирование ДНК, оказывая таким образом терапевтический эффект при онкологических заболеваниях.

Интегрины

Интегрины – особые белки, которые выполняют роль трансмембранных рецепторов. Могут осуществлять свою функцию как на границе клетка-клетка, так и на границе клетка-межклеточный матрикс. Эти рецепторы играют значимую роль в развитии опухолей в связи с тем, что именно они запускают механизмы, позволяющие раковым клеткам мигрировать и инвазировать здоровые ткани. ХС состоит из достаточно большого количества межклеточного вещества с небольшим количеством клеток и бедной васкуляризацией. В таком типе опухолей на первое место среди интегринов выходят рецепторы, осуществляющие регуляцию роста и миграции клеток через взаимосвязь с внеклеточным матриксом. Зная вещества, которые способны уменьшить экспрессию таких рецепторов в клетках ХС, можно уменьшить вероятность метастазирования и трансформации нормальных клеток в опухолевые. Одним из таких препаратов является циленгетид, относящийся к синтетическим антагонистам интегринов. Был проведен ряд исследований, в которых вышеуказанный препарат применялся в комплексном лечении глиобластомы и колоректального рака. Согласно данным из статьи, несмотря на теоретическое обоснование, такая комбинация не показала эффективности. 

Ангиогенез

В этом разделе авторы коротко сообщают нам о том, что у хондросаркомы имеется чёткая зависимость между степенью её васкуляризации и уровнем степени злокачественности: чем выше степень злокачественности, тем выше васкуляризация. Поскольку был найден ген, отвечающий за повышенное образование сосудов в опухолевой массе, перспективным также будет поиск препаратов, которые будут осуществлять ингибирование ангиогенеза в тканевом массиве ХС.

Выводы

Ознакомившись с вышепредставленным обзором, можно понять, что проблема лечения злокачественных опухолей вообще и ХС в частности на данный момент находится достаточно далеко от её решения. Несмотря на значительные успехи в исследовании генома патологических хрящевых клеток, изобретение новых препаратов и их комбинирования, прорыва в нехирургическом лечении ХС не произошло. Авторы статьи высказывают мнение, что в ближайшем будущем все-таки удастся продвинуться в лечении ХС с помощью применения комбинированной терапии.

Рисунок 1. IHH/PTHrP сигнальный путь. IHH секретируется прегипертрофическими и гипертрофическими хондроцитами. ІНН стимулирует выделение паратиреоидного гормон-освобождающего протеина в периартикулярной зоне роста с помощью пролиферации хондроцитов (длинная сплошная стрелка). ІНН также индуцирует деление хондроцитов с помощью положительной обратной связи (короткая сплошная стрелка). Далее PTHrP воздействует на хондроциты, ингибируя их гипертрофическую дифференциацию, при этом оставляя их в пролиферативном состоянии (короткая Т-образная стрелка). Кроме этого, PTHrP ингибирует секрецию ІНН с помощью отрицательной обратной связи (длинная Т-образная стрелка). IHH также стимулируют превращение перихондральных клеток в остеобласты, формирующих костное кольцо (голубая стрелка). 

Данные статьи: Chow WA. Chondrosarcoma: biology, genetics, and epigenetics. F1000Res. 2018;7:F1000 Faculty Rev-1826. Published 2018 Nov 20. doi:10.12688/f1000research.15953.1