Молекулярная биология, 2022, T. 56, № 5, стр. 808-831

ДОРМАНТНОСТЬ Mycobacterium tuberculosis

Бациллы Mtb, попавшие в альвеолы легких вместе с вдыхаемым воздухом, обитают в макрофагах, где они реплицируются, уклоняясь разными способами от защитных механизмов организма хозяина [4, 5].

Определение числа культивируемых Mtb, выделенных из мокроты пациентов в течение 14 дней медикаментозного лечения, показало [6], что число Mtb быстро уменьшалось в первые два дня терапии, а затем скорость элиминации снижалась. Это наблюдение могло свидетельствовать о том, что значительная доля микобактерий сохраняется в менее восприимчивом к терапии (дормантном) физиологическом состоянии [7].

Известно, что макрофаги поглощают микобактерии с образованием фагосом, в которых наблюдается повышение кислотности, уровня активных форм кислорода и азота и недостаток питательных веществ. Низкие значения pH внутри фагосом, обусловленные работой протонных насосов, а также активные формы кислорода и азота, образованные фагоцитарными NADPH-оксидазой и NO-синтазой, способны разрушить бактериальные клетки. Процессы активации макрофагов при попадании бактерий контролируются иммунной системой хозяина, например, цитокином интерфероном-гамма. В то же время происходит замедление микробного метаболизма [8, 9]. Считалось, что появление дормантных форм Mtb обусловлено иммунным ответом хозяина, в результате чего формируются гранулемы. Гранулема представляет собой отдельное образование, состоящее первоначально из клеток врожденного иммунитета – инфицированных макрофагов и нейтрофилов. Далее привлекаются антиген-специфические Т-лимфоциты и активируются инфицированные макрофаги. Формирование гранулем способствует диссеминации инфицированных макрофагов [10]. В результате Mtb распространяется из гибнущих макрофагов во вновь привлеченные. Отличительным признаком гранулемы служит центральное ядро, содержащее инфицированные макрофаги, окруженные пенистыми макрофагами, фагоцитами моноцитарного происхождения и Т-лимфоцитами. Предполагалось, что ядро – это ниша, где длительное время сохраняются дормантные бациллы при латентной форме инфекции [11]. Полагали, что, формируя гранулему, организм хозяина пытается локализовать инфекцию. Считалось, что эти очаги инфекции с неблагоприятными условиями способствуют индукции и длительному поддержанию дормантного состояния бацилл (годы и даже десятилетия) [12]. В настоящее время известно, что в формировании гранулем активно участвуют и сами бактерии [11, 13]. В опытах по заражению зародышей Danio микобактериями M. marinum обнаружено, что бактериальный 6 кДа белок вирулентности ESAT-6 (early secretory antigenic target) стимулирует в эпителии продукцию матриксной металлопротеиназы 9 (MMP-9), меняющей структуру внеклеточного матрикса, и привлечение макрофагов к месту инфекции [14].

Кроме того, бациллы активно привлекают мезенхимальные стволовые клетки (МСК) внутрь гранулем, где они выполняют функцию подавления Т-клеточного иммунитета, продуцируя оксид азота, фактор некроза опухоли-α (TNF-α) и хемокин RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted), кодируемый геном CCL5 человека [4]. Обнаружено также, что инфицирование макрофагов приводило к остановке клеточного цикла микобактерий при переходе G₀/G₁. Таким образом, вероятно, микобактериям удается избегать элиминации цитотоксическими Т-клетками [15]. Продукты микобактериального гена сигма-фактора SigH, регулятора инициации транскрипции, вероятно, играют существенную роль в моделировании иммунного ответа хозяина, влияя на процессы хемотаксиса и апоптоза. Показано, что продукт этого гена частично снижает экспрессию бета-хемокинов, основных хемоаттрактантов клеток иммунной системы, к месту инфекции. Таким образом обеспечивается защита Mtb. Кроме того, известно, что индукция провоспалительных факторов при инфекции сопровождается активацией синтеза простагландинов циклооксигеназой 2, которая не только снижает внутриклеточную концентрацию проапоптогенной арахидоновой кислоты, но и нарушает процесс апоптоза, вызванный белком p53. Активация экспрессии циклооксигеназы сигма-фактором SigH препятствует апоптозу инфицированных клеток и способствует сохранению инфекции [16].

Ранее считали, что в легких неделящиеся бациллы выживают внутри областей гранулем, содержащих МСК, с ограниченной доступностью для терапии. Позже обнаружили, что Mtb инфицируют сами МСК [17, 18]. Показано, что они могут длительно оставаться жизнеспособными в стволовых клетках костного мозга (КМ) человека in vitro. Кроме того, Mtb содержатся в стволовых клетках КМ мышей с дормантной туберкулезной инфекцией. И, наконец, жизнеспособные бациллы обнаружены в стволовых клетках КМ пациентов, успешно прошедших длительную лекарственную терапию. При этом МСК активно экспрессируют гены АТР-зависимых АВС-транспортеров, обеспечивая таким образом их лекарственную устойчивость [19]. Исследование влияния заражения Mtb на метаболизм МСК человека показало, что микобактерии индуцируют экспрессию маркеров покоя, факторов транскрипции FOXO3a (член семейства Forkhead box O3), NOTCH1 (входит в семейство трансмембранных белков), и SOX9 (sex determining region Y-box transcription factor 9), характерных для стволовых клеток, и ингибируют экспрессию маркеров прогрессии клеточного цикла. При этом в инфицированных макрофагах, напротив, повышена экспрессия маркеров пролиферации – киназы 2 S-фазы (SKP2) и циклина А1 (CCNA1). Таким образом, при латентной инфекции Mtb находится в инфицированных МСК в дормантном состоянии [20].

Показано, что специфическое микроокружение инфицированных МСК человека in vitro способствует активации синтеза микобактериального белка Rv1734, вызывающего дормантность, и гомолога альфа-кристаллина HspX, ассоциированного с клеточной стенкой и ответственного за ее постепенное утолщение при переходе в дормантное нерепликативное состояние. Наблюдалось также накопление в МСК липидных телец. При этом обнаружено снижение экспрессии белка вирулентности ESAT-6. Интересно, что такие изменения происходят уже на ранних стадиях инфекции, как только бациллы попадут в МСК, и никогда не происходят в инфицированных макрофагах. Ранние эксперименты по индукции in vitro дормантности Mtb в макрофагах человека и дендритных клетках не увенчались успехом [21–23].

В норме МСК обладают способностью к самообновлению, продуцируют хемокины, цитокины, факторы роста для поддержания гомеостаза, заживления ран и подавления реакции воспаления [24, 25]. Известно, что МСК человека проявляют прямую и непрямую антимикробную активность против Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Streptococcus pneumonia, секретируя антимикробный пептид LL-37 [26]. Они действуют как супрессоры иммунного ответа Т-клеток, дендритных клеток и макрофагов, создавая таким образом микроокружение лекарственно-устойчивых Mtb [27]. Обнаружено, что заражение МСК микобактериями активирует продукцию ими экзосом – нановезикул диаметром 30–150 нм, образуемых многими клетками. Нановезикулы окружены двойным липидным слоем, они содержат различные биомолекулы, включая регуляторные белки, гликаны, липиды, РНК и ДНК, метаболиты [28, 29]. Экзосомы могут захватываться другими клетками, при этом их содержимое поглощается и влияет на фенотип клетки-реципиента, поэтому они считаются важными медиаторами межклеточной коммуникации. Экзосомы МСК захватываются макрофагами и индуцируют воспалительную реакцию и повышение экспрессии факторов TNF-α, RANTES и индуцибельной синтазы оксида азота (iNOS) [30].

Известно, что вирус иммунодефицита человека (ВИЧ-1) также может десятилетиями находиться в латентном состоянии, а затем реактивироваться. В связи с этим определенный интерес представляет изучение механизма реактивации ВИЧ-1, индуцированной инфекцией Mtb [31]. Как показано ранее, обычно в этот механизм вовлечен стандартный набор регуляторных факторов – воспаление, процессинг комплекса гистосовместимости MHC-II, сигнальный путь Toll-подобных рецепторов, экспрессия рецепторов хемокинов CXCR4/CCR5, активация регуляторов транскрипции с LTR ВИЧ. Однако при совместной инфекции экзосомы, секретируемые макрофагами, содержащими Mtb, реактивировали ВИЧ-1, индуцируя окислительный стресс. Протеомный анализ таких экзосом выявил хозяйские сигнальные молекулы, способные реактивировать ВИЧ-1 путем нарушения окислительно-восстановительного метаболизма с последующим развитием воспаления и иммунного ответа [31].

В настоящее время принято считать, что дормантный фенотип Mtb характеризуется следующими особенностями.

1. Невозможность реплицироваться. Это состояние определяется как “жизнеспособное, но некультивируемое”, или “нерастущее, но метаболически активное” [32]. Показано, что такое состояние обусловлено экспрессией многих микобактериальных генов, например, relA, кодирующий (p)ppGpp-синтазу, контролирует многие синтетические процессы, включая синтез АТР и GTP, репликацию ДНК и синтез белка [16].

2. Экспрессия генов дормантности. Известно, что геном Mtb содержит 4173 гена, более четверти из которых отвечают за вход и выход из дормантного состояния [3, 33]. Проведен протеомный анализ клеток Mtb в дормантном состоянии и при выходе из него [34]. Функциональные аспекты генов, ассоциированных с дормантностью Mtb, подробнейшим образом рассмотрены в обзоре [35]. Например, регулон DosR (Dormancy survival regulator) состоит из 48 генов, экспрессия которых активируется в гранулеме в условиях недостатка кислорода и NO-стресса и способствует переходу активно реплицирующихся бактерий в дормантное состояние, чтобы справиться с этими стрессами и обеспечить долгосрочное выживание в хозяине и реактивацию в благоприятных условиях [35]. Показано также, что отличительной особенностью клеток, находящихся в дормантном состоянии очень длительное время (8 мес.), является накопление ферментов, обеспечивающих защиту клеток от окислительного стресса (супероксиддисмутазы, каталазы-пероксидазы), ДНК-связывающих белков НupB/Rv2986, IniB/Rv0341 и шаперонов, препятствующих агрегации белков [36].

3. Изменения метаболизма. В основном, все изменения метаболизма связаны с угнетением клеточных процессов и, в итоге, с арестом клеточного цикла и деления. Однако вместе с этим активируется синтез ферментов, не свойственных обычному состоянию. Например, активируется глиоксилатный путь, позволяющий Mtb использовать липиды как единственный источник углерода; энергетический обмен клеток меняется в сторону уменьшения содержания внутриклеточного АТР и увеличения соотношения NADН/NAD, описаны изменения в липидном метаболизме и обмене азота [37].

4. Изменения в морфологии клетки. Эти изменения обычно сопровождают функциональную реорганизацию нереплицирующихся бацилл и касаются размера, формы и ультраструктуры. Наиболее яркий пример таких изменений – споруляция некоторых грамположительных бактерий, которую считают истинно дормантным состоянием [38]. Известно, что Mtb к споруляции неспособны, однако описаны изменения формы дормантных бацилл, включая овоидность [39]. Обнаружены формы Mtb с измененным окрашиванием и содержащие липидные тельца. Показано, что недостаток питательных веществ и кислорода также индуцирует постепенный переход непатогенных M. smegmatis из палочковидной формы в овоидную [40]. Применение сканирующей электронной микроскопии позволило обнаружить изменение внешнего вида дормантных Mtb и значительное уменьшение их длины, а при восстановлении аэрации клетки начинали приобретать исходную морфологию [41].

5. Толерантность к лекарственным средствам. Многие молекулярные и клеточные механизмы толерантности окончательно не установлены. Однако известно, что МСК, в которых скрываются дормантные формы Mtb, экспрессируют АВС-транспортер, что препятствует накоплению лекарственных препаратов в клетке [19]. Известно также, что в дормантных клетках не экспрессируется каталаза-пероксидаза, необходимая для активации действия противотуберкулезного антибиотика изониазида [42]. Кроме того, возможно, что утолщение клеточной стенки, наблюдаемое у Mtb в состоянии дормантности в МСК, сопровождается структурными изменениями, также обусловливающими антибиотикорезистентность [23].

6. Обратимость. При моделировании состояния дормантности Mtb in vitro показано, что в этом процессе играют роль многие факторы – снижение содержания кислорода, повышение содержания оксида азота и оксида углерода, голодание по азоту, дефицит или избыток ионов металлов, дефицит калия, низкие значения рН, аскорбиновая кислота, дефицит фосфатов, липиды в качестве единственного источника углерода, антибактериальные препараты [5]. Исследование физиологии и общих транскриптомных профилей Mtb во время реактивации из нерепликативного состояния, вызванного гипоксией, выявило существование лаг-фазы, в ходе которой наблюдается восстановление физиологии и метаболизма, предшествующее началу клеточного деления. Показано, что при реаэрации происходит репрессия регулонов, ассоциированных с дормантностью, включая DosR, MprA, SigH, SigE и ClgR, и метаболических путей утилизации липидов. Идентифицированы регулоны и метаболические пути, экспрессия которых возрастает при выходе из нерепликативного состояния, включая транспорт ионов металлов, репарацию и рекомбинацию ДНК, синтез основных компонентов клеточной стенки [43]. Известно, что реактивации дормантных форм Mtb способствуют также факторы, снижающие иммунитет хозяина, – заражение ВИЧ, трансплантация органов с применением иммуносупрессоров, силикоз, тесный контакт с больными открытой формой туберкулеза, применение блокаторов провоспалительного TNF-α, хроническая почечная недостаточность и гемодиализ, прием кортикостероидов, табакокурение, а также нарушение обмена веществ – сахарный диабет, ревматоидный артрит [44].

ДОРМАНТНОСТЬ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК

Понятие дормантности, или состояния покоя, опухоли предложено в качестве модели, в которой наблюдается баланс между увеличением числа клеток в опухоли в результате пролиферации и уменьшением их числа в результате гибели [45, 46].

Другой тип покоя опухоли – это дормантность отдельных рассеянных, или диссеминированных, ее клеток, вызываемая сигналами из окружения этих клеток, внеклеточного матрикса метастатических ниш, а также гипоксией и стрессом разной природы, запускающими программы остановки роста [47]. Клеточная дормантность характеризуется минимумом пролиферации, минимумом гибели и обратимостью. Состояние покоя (дормантный статус) наблюдается у стволовых клеток различных тканей растений и животных, и опухолевых стволовых клеток [48]. В настоящее время установлена непосредственная связь между рецидивами опухоли в форме метастазов и дормантностью опухолевых клеток [49].

В недавно опубликованном обзоре [50] кратко изложена история изучения дормантности опухолевых клеток с первого века нашей эры. В 2019 году был описан транскриптом дормантной клетки миеломы человека [51]. Приведена временная шкала, демонстрирующая развитие концепций покоя отдельных опухолевых клеток и покоя целой опухоли. Представление о том, что рак может рецидивировать, появилось уже в первом веке, когда греческий/римский философ Цельс (Кельс) впервые обратил внимание на то, что “после удаления опухоли, даже когда шрам уже сформировался, болезнь может возвращаться и вызывать смерть” [50]. Но лишь в 1934 году Rupert Willis отметил, что метастазы, найденные у пациентов без рецидивов в месте удаленной опухоли, указывают на то, что “опухолевые клетки, должно быть, дремали в тканях, в которых они были остановлены”, тогда же был введен термин дормантность, или покой [50].

Одним из убедительных доказательств того, что дормантные опухолевые клетки могут вызвать рецидив болезни после длительного периода покоя, служат случаи обнаружения опухолей у пациентов после трансплантации им донорских органов. Такая случайная передача опухолевых клеток через трансплантаты, взятые у, казалось бы, здоровых доноров, впервые описана при пересадке почки, когда у пациента обнаружили плоскоклеточный рак почки через 8 мес. после операции. Позже выяснилось, что донор страдал раком легких. В другом исследовании у донора сердца после смерти обнаружили опухоль предстательной железы, а через 10 мес. после трансплантации у реципиента диагностировали множественные метастазы в позвоночнике, крестцовой области и ребрах. В препаратах биопсии ребра (но не предстательной железы) реципиента гистохимическим методом с использованием антител против антигенов простаты обнаружены опухолевые клетки, характерные для метастазов, сформировавшихся из клеток опухоли предстательной железы [46, 52, 53].

СРАВНЕНИЕ ЭМБРИОНАЛЬНОЙ ДИАПАУЗЫ И ДОРМАНТНЫХ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК

Покой опухолевых клеток и клеток Mtb не относится к уникальным явлениям. В этом, по-видимому, задействованы универсальные механизмы дормантности эмбриональных и стволовых клеток взрослых растений и животных [47, 54]. Например, в недавнем обзоре приведены современные представления о том, как сигналы окружающей среды (свет, температура, содержание нитратов) контролируют дормантность зародышевых клеток семян растений, изменяя уровни гормонов [55]. Регуляторные генные сети, ответственные за дормантность стволовых клеток растений, рассмотрены и в нашем обзоре [56]. В нормальном эмбриональном развитии животных может существовать период покоя. У млекопитающих этот период называется эмбриональной диапаузой, у нематоды Caenorhabditis elegans – стадией дауэровской личинки, активация этого периода позволяет сохранить потомство при неблагоприятных внешних условиях [57–59]. Показано, что C. elegans, рыбы фундулюсы и даже мыши способны активировать механизмы диапаузы [60, 61]. Так, обнаружено, что в условиях стресса, вызванного кислородным голоданием, большинство клеток, выделенных из зародышей рыбы Austrofundulus limnaeus, остановлены на стадии G₁/G₀ клеточного цикла [60]. Профили экспрессии генов в мышиных эмбрионах в состоянии диапаузы выявляют активацию примерно 100 генов. Активация экспрессии некоторых из этих генов обнаруживается также и в дормантных опухолевых клетках [58]. Например, в зародышевых клетках в диапаузе и в дормантных опухолевых клетках выявлена специфическая регуляция ингибиторов клеточного цикла и факторов ремоделирования хроматина. Показано, что переход бластоцист (зародышей млекопитающих на предимплантационной стадии) в состояние покоя требует поддержания экспрессии генов плюрипотентности и снижения уровня протоонкогена c-Myc, что связывает дормантные опухолевые клетки с дормантными бластоцистами. Полагают, что основная роль ДНК-связывающих факторов семейства Myc заключается не в поддержании плюрипотентности как таковой (в частности, эмбриональных стволовых клеток мыши), а в подавлении ранних стадий дифференцировки [59]. Экспрессия основных маркеров плюрипотентности Oct4 (octamer-binding transcription factor 4) и Nanog (названный в честь мифологической кельтской страны вечно молодых “Tir nan Og”) в ходе дифференцировки постепенно снижается. И, по-видимому, на начальных стадиях дифференцировки эти факторы плюрипотентности коэкспрессируются с маркерами начальных стадий дифференцировки. Состояние покоя дормантных клеток, активно экспрессирующих факторы NANOG, OCT4, и SOX2 (SRY –sex determining region Y-box 2), совпадает с низким уровнем экспрессии c-Myc и общим снижением экспрессии генов клеточного цикла – мишеней c-Myc [62, 63]. Непосредственное микроокружение, с которым контактируют бластоцисты при имплантации, также может провоцировать гормональную реактивацию диапаузных клеток. Так, экспрессия гепаринсвязывающего EGF-подобного фактора роста HB-EGF в диапаузных зародышах была снижена, если же она повышалась, то происходило установление связи матка–зародыш, что способствовало имплантации и росту зародыша [58]. Интересно, что эмбриональную диапаузу, как эволюционно консервативное явление, можно вызвать у недиапаузных млекопитающих, например, у овец [61].

При использовании трехмерных культур in vivo [64] в некоторых опухолевых клетках, выживших после химиотерапии, обнаружена обратимая программа транскрипции, наблюдаемая в клетках зародышей в состоянии эмбриональной диапаузы, связанная с супрессией факторов Myc. Такие клетки биосинтетически и пролиферативно неактивны. При этом индуцированная активация Myc, напротив, усиливала действенность химиотерапии [64].

Диапаузоподобное состояние клеток опухолей молочной железы и колоректальных опухолей определяется снижением активностей mTOR (mammalian target of rapamycin), Myc и активации факторов аутофагии. Однако углубленный транскриптомный анализ показал, что состояние покоя опухолевых клеток отличается от диапаузы зародышей, напоминая скорее покой эмбриональных стволовых клеток [65–67].

СРАВНЕНИЕ ЭМБРИОНАЛЬНЫХ И ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК

В процессе эмбрионального развития многие клетки образуются далеко от места их дальнейшего расположения и функционирования, и должны преодолевать большие расстояния. Чтобы начать движение эмбриональные эпителиальные клетки претерпевают эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), обуславливающий нарушение межклеточных контактов и мобильность. Клеткам, прибывшим на место назначения, необходим обратный мезенхимально-эпителиальный переход (МЭП), чтобы размножиться и дифференцироваться в клетки определенных тканей [68, 69]. Наиболее изучены перемещения клеток нервного гребня [70]. Лучшим доказательством осуществления ЭМП в опухолевых клетках служит факт отслаивания отдельных клеток от первичной опухоли и то, что циркулирующие и диссеминированные опухолевые клетки обнаруживают признаки ЭМП и высокую степень эпителиально-мезенхимальной пластичности [71, 72].

Однако ЭМП не подразумевает переход по принципу все или ничего. Частичный ЭМП обнаружен при гаструляции Drosophila и при ранней миграции групп клеток нервного гребня анамниот (амфибий и рыб), когда клетки имеют черты и эпителиальных, и мезенхимальных клеток. В таких клетках уже запущена программа ЭМП – снижается транскрипция белка клеточной адгезии E-кадгерина, теряется апикально-базальная полярность, но клетки сохраняют контакты друг с другом и мигрируют группами. Показано, что опухолевые клетки с переходным фенотипом наиболее агрессивны [73, 74]. Такой гибридный фенотип позволяет опухолевым клеткам оторваться от первичной опухоли и быстро колонизировать новые области. Несмотря на то, что ЭМП в эмбриогенезе и при патологии имеют много общего, очевидны и различия. Существует классификация ЭМП. ЭМП типа 1 свойственен эмбриогенезу; типа 2 – заживлению ран, регенерации тканей и фиброзу органов; тип 3 характерен для онкогенеза. Эмбриональный ЭМП подразумевает переход эпителий–мезенхима, но не вызывает у зародышей воспалительной реакции, типичной для типов 2 и 3. При развитии опухоли ее клетки претерпевают ЭМП типа 3, который, помимо инвазивности и мобильности, обеспечивает проникновение отделившихся клеток в лимфатические и кровеносные сосуды и обратный выход. Эти явления интра- и экстравазации не наблюдаются ни при фиброзе, ни при миграциях эмбриональных клеток.

Интересно, что метастазы обычно имеют эпителиальный фенотип, и, следовательно, в развитии опухоли важна эпителиально-мезенхимальная пластичность, иными словами – реверсия ЭМП, впервые предложенная [75] и обнаруженная при изучении эмбрионального развития [76].

Как и в зародышах, МЭП в опухолевых клетках совпадает со снижением экспрессии факторов транскрипции ЭМП. МЭП заключается не только в реверсии к эпителиальному фенотипу, но и в увеличении пролиферации, важной для роста и зародыша, и вторичной опухоли [68, 69, 77].

ЦИРКУЛИРУЮЩИЕ ОПУХОЛЕВЫЕ КЛЕТКИ

В растущих опухолях создаются условия нехватки кислорода и питательных веществ. Предполагается, что под действием этих факторов происходит формирование и отбор субпопуляции агрессивных инвазивных клеток [78–80]. В этих клетках быстро перестраивается метаболизм, они начинают использовать альтернативные источники энергии, такие как остатки некротизированных клеток или их липиды путем макропиноцитоза [81]. Хронический стресс приводит к трансформации доброкачественных опухолей с неинвазивными клетками в злокачественные [69]. В результате, в некоторых опухолевых клетках возникают генетические [82, 83] и эпигенетические изменения, делающие возможной миграцию и инвазию клеток в кровеносную и лимфатическую системы [79]. В этих клетках происходит процесс ЭМП, который характеризуется потерей межклеточных контактов и апикально-базальной полярности и приобретением свойств подвижности и инвазивности. Эти изменения сопровождаются радикальными изменениями в поведении таких клеток, обусловленными активацией экспрессии маркеров ЭМП – транскрипционных факторов разных семейств, включая SNAIL, TWIST, ZEB [68, 69, 77].

Отслоение опухолевых клеток и их диссеминация в лимфоузлы и печень может произойти и на ранних стадиях развития первичной опухоли, до ее резекции или даже обнаружения [74].

Так или иначе, клетки отрываются от первичной опухоли, внедряются в базальную мембрану, мигрируют к кровеносным сосудам, проникают внутрь и циркулируют в кровотоке, пока не достигнут пункта назначения, где могут образовать вторичные опухоли – метастазы [79, 85]. Хотя все клетки, в которых произошел ЭМП, обладают повышенной инвазивностью и миграционной активностью, однако выжить в крово- или лимфотоке смогут совсем не все они, а лишь небольшая специфическая субпопуляция – циркулирующие опухолевые клетки (ЦОК). ЦОК обладают устойчивостью к химио- и радиотерапии, обусловленной накоплением соматических мутаций, приводящих к нечувствительности к сигналам программируемой гибели (аноикису), характерной для отделившихся от подложки нормальных клеток [86]. Аноикис – форма программируемой гибели клеток, не прикрепленных к внеклеточному матриксу (ВКМ) и соседним клеткам. Фактор PHD2 (или HIF-PH2 – hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase 2) – молекула, чувствительная к кислороду, которая в нормальных условиях ингибирует фактор HIF (hypoxia inducible factor). В условиях гипоксии в опухоли гидроксилирование и деградация HIF невозможны, его быстрое накопление приводит к развитию адаптивного ответа, когда клетки становятся способными ремоделировать свой метаболизм, менять pH микроокружения и активировать экспрессию фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) [79]. HIF активирует экспрессию фактора TWIST, инициирует ЭМП и экспрессию фактора SNAI1, что приводит к потере эпителиальных маркеров – E-кадгерина, молекул адгезии эпителиальных клеток (EpCAM) и обретению маркеров мезенхимы – виментина и N-кадгерина [69]. Далее клетки преодолевают базальную мембрану, попадают в кровеносные сосуды и становятся ЦОК.

Следует отметить, что подобная ситуация реализуется и при отслоении от нейроэпителия клеток нервного гребня зародышей позвоночных. При этом клетки претерпевают ЭМП, теряют белки клеточной адгезии, что позволяет им начать миграцию [70, 87, 88].

Чтобы покинуть сосуды и занять новые ниши для колонизации и образования метастазов, ЦОК теряют мезенхимные черты и претерпевают обратный переход, МЭП. Предложены две модели, объясняющие, каким образом происходит процесс колонизации. В “ЭМП/МЭП-модели” происходит изменение фенотипа одиночных ЦОК и восстанавление их эпителиальных свойств в месте колонизации. В “модели коллективной миграции” циркулирующие клетки передвигаются в больших кластерах с разной степенью ЭМП. В таких кластерах можно обнаружить не только эпителиальные, но и полностью мезенхимные клетки и клетки с гибридным фенотипом. В принципе, обе эти модели могут быть верными [73, 79].

ЦОК находятся в кровотоке только 1–2 дня, большинство из них гибнет. Показано, что в перемещениях ЦОК определенную роль играют клетки иммунной системы – привлеченные факторами роста и цитокинами лейкоциты, нейтрофилы и макрофаги. Тромбоциты во многом способствуют выживанию ЦОК в крови. Их прометастатический эффект проявляется на физическом и молекулярном уровнях. Физически тромбоциты быстро облепляют ЦОК в кровяном русле и защищают от механических повреждений. Опухолевые клетки связывают белки адгезии тромбоцитов (фибронектин и фактор Виллебранда) поверхностными интегринами, вызывая их слипание. Кроме того, тромбоциты усиливают адгезию к эндотелию сосудов с помощью поверхностных молекул селектинов. Тромбоциты также обеспечивают защиту от иммунной системы. А именно, выделяемый ими фактор TGF-β (transforming growth factor-β), инактивирует естественные киллерные клетки (NK-клетки), снижая экспрессию рецептора антигенов NKG2-D. Действие иммунной системы ослабляется еще и тем, что молекулы комплекса гистосовместимости переносятся с поверхности гранулированных тромбоцитов на ЦОК, обеспечивая им тромбоцитарную идентичность и дезориентируя NK-клетки [78].

КЛАСТЕРЫ ЦИРКУЛИРУЮЩИХ ОПУХОЛЕВЫХ КЛЕТОК

В крови пациентов обнаруживаются не только отдельные ЦОК, но и их кластеры [78], которые встречаются реже и могут содержать от двух до 50 клеток. Более крупные кластеры, названные опухолевыми микроэмболиями, обнаружены при опухолях легких и молочной железы [89, 90].

Показано, что в кластерах ЦОК наблюдается сдвиг в метаболизме, который придает им черты стволовых клеток, а при выращивании in vitro они образуют сфероиды [79]. Это обусловлено повышенной секрецией плакоглобина и трансмембранного гликопротеина CD44, защищающего стволовые опухолевые клетки (ОСК). “Выключение” гена плакоглобина снижало количество метастазов у мышей с опухолями молочной железы в 30–40 раз. Вероятность образования метастазов этими клетками повышалась в результате сверхэкспрессии кератина-14 [91]. Кроме того, сайты связывания факторов транскрипции OCT4, NANOG, SOX2 и SIN3A, характерных для стволовых клеток, в клетках кластеров гиперметилированы, что характерно для эмбриональных стволовых клеток [92].

Крупные кластеры могут проходить по микроканалам диаметром 50–300 мкм [93]. Оказалось, что они способны распрямляться, нарушая межклеточные связи, становясь цепочкой клеток, которая может протиснуться в капилляры, а попав на место назначения, вновь сформировать кластеры. Морфологические изменения при этом затрагивают и сами клетки. Во время сжатия клеток ядра могут деформироваться, теряя круглую форму и становясь эллипсоидными. По-видимому, именно эти свойства обеспечивают кластерам ЦОК высокий метастатический потенциал [94].

Таким образом, очевидно, что ЦОК должны рассматриваться не как единая общая популяция клеток, а как весьма гетерогенная субпопуляция. Индивидуальные ЦОК, кластеры циркулирующих клеток и циркулирующие клетки со свойствами стволовых [94] – все это члены одного семейства агрессивных клеток, производных первичной опухоли [95].

Кластеры ЦОК могут застрять в мелких капиллярах, образуя небольшие тромбы. Благодаря этому активируется фибронектин, который взаимодействует с интегринами опухолевых клеток [96]. Резидентные клетки также взаимодействуют с интегринами ЦОК и активируют экспрессию гена S100, регулирующего фосфорилирование белков, клеточный рост, дифференцировку и воспаление. Экспрессия этого гена играет важную роль в динамике цитоскелета, подготовке преметастатических ниш и вызывает закрепление ЦОК в метастатических нишах [78, 79, 97].

ДИССЕМИНИРОВАННЫЕ ОПУХОЛЕВЫЕ КЛЕТКИ

ЦОК могут покинуть кровяное русло в любом месте, однако установлено, что выжить и в дальнейшем начать пролиферацию они могут лишь в определенном органе, а в каком именно, зависит от происхождения и гистологического подтипа первичной опухоли [98, 99]. Известно, что только одна из 40 диссеминированных опухолевых клеток (ДОК) формирует микрометастазы, и только один из 100 микрометастазов прогрессирует в макроскопические опухоли [48, 50, 100]. Симптомы метастатических поражений могут проявляться через годы или десятилетия после удаления первичной опухоли. Эти клинические наблюдения говорят о том, что ДОК не всегда тотчас же начинают делиться, они могут находиться в спящем (дормантном) состоянии. Дормантные ДОК переживают сеансы химиотерапии, активно используя консервативные механизмы адаптации и выживания, действующие в эмбриональном развитии и во взрослых тканях [48, 54, 101].

Интересна способность дормантных клеток замедлять собственный метаболизм. Условия, в которых находятся ДОК, описаны как гипоксия, закисление и низкий уровень глюкозы [102]. Опухолевые клетки при быстром делении используют гликолиз для производства энергии даже при достаточном для работы митохондрий количестве кислорода. Это явление названо эффектом Варбурга [103]. Закисление среды блокирует гликолиз, метаболизм при этом перестраивается на окисление жирных кислот и замедляется, что приводит к остановке роста и позволяет пережить неблагоприятные условия.

ОПУХОЛЕВЫЕ СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

Концепция опухолевых стволовых клеток (ОСК) сформировалась на основании серии исследований тератокарцином, позволивших предположить, что раковые опухоли – это “смесь злокачественных стволовых клеток с выраженной способностью к пролиферации и ограниченной способностью к дифференцировке и дифференцированного, возможно доброкачественного, потомства этих злокачественных клеток” [104].

Стволовые клетки – это клетки, обладающие потенциалом к самообновлению и дифференцировке в различные типы клеток [105]. Способность к самообновлению объясняется экспрессией в стволовых клетках фермента теломеразы, не позволяющей укорачиваться теломерам при делении клеток и обуславливающей возможность бесконечной пролиферации [106]. Считалось, что, если эмбриональные стволовые клетки могут дифференцироваться в любые клетки взрослого организма, то стволовые клетки взрослых организмов могут давать начало и замещать полностью лишь дифференцированные клетки ткани, в которой они находятся, и обеспечивают таким образом поддержание структуры тканей и органов на протяжении всей жизни [107]. Эта модель однонаправленного развития от плюрипотентного состояния к полной дифференцировке была оспорена. Предположили, что отдельные стволовые клетки при определенных условиях могут обрести фенотип, отличный от клеток ткани, в которой они располагались; более того, взрослые клетки могут дедифференцироваться в стволовые и давать начало клеткам различных тканей. Эта гипотеза подтверждена результатами, полученными Takahashi и Yamanaka [108], показавшими, что взрослые дифференцированные клетки могут быть репрограммированны в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, способные дифференцироваться в любые эндо-, экто- и мезодермальные клеточные линии. Такое репрограммирование стало возможным в результате сверхэкспрессии в дифференцированных клетках генов, ассоциированных со стволовыми клетками, известных как факторы Yamanaka: c-MYC, Kruppel-подобный фактор 4 (KLF4), Sox2 и Oct-3/4 [109, 110]. Эти результаты подтвердили феномен дедифференцировки и трансдифференцировки, лежащий в основе современной теории ОСК. Впервые ОСК получили от больных острым миелоидным лейкозом в 1997 году [111]. Предполагается, что они образуются либо из МСК, расположенных в тканях взрослых организмов, либо из дифференцированных клеток, репрограммированных в плюрипотентные в процессе дедифференцировки. Нормальные стволовые клетки и ОСК обладают схожими свойствами, такими как способность к самообновлению, неограниченному росту, инвазивность и блок дифференцировки [112]. Все это позволяет ОСК инициировать и поддерживать рост опухолей. Факторы SOX2, OCT4 и NANOG составляют основную регуляторную цепь, которая обеспечивает поддержание стволовыми клетками способности к самообновлению и плюрипотентность [110]. Показано, что ОСК высоко пластичны, способны менять свой фенотипический и функциональный облик при изменениях микроокружения опухоли, вызванных лучевой терапией и химиотерапией.

Следует отметить, что поддержание свойств стволовых клеток и старение клеток регулируются пересекающимися сигнальными путями [113]. Ключевые сигнальные молекулы, регулирующие старение клеток, ингибиторы циклинзависимых киназ p16 (он же Ink4a, или Arf) и p21(Cip1) и супрессор опухолевого роста p53 (он же Trp53) играют важную роль и в поддержании клеток в состоянии стволовых [114]. Например, вызывающие старение p53, p16 и компонент активных центромер Suv39h1 препятствуют переходу дифференцированных нормальных клеток в индуцированные плюрипотентные. Недавно показали, что стареющие клетки секретируют ингибитор циклинзависимой киназы p21, которая не только способствует остановке деления стареющих клеток, но также является ранним сигналом, запускающим иммунный надзор [115].

Процесс старения также может непосредственно способствовать пластичности ОСК, активируя экспрессию генов, характерных для стволовых клеток, в нестволовых опухолевых клетках [116]. Во многих типах опухолей ОСК претерпевают ЭМП, что приводит к формированию метастазов.

Часто считают, что ОСК и дормантные ДОК это одно и то же [50]. Вероятно, ДОК объединяют в себе популяции стволовых и не стволовых опухолевых клеток [117]. Действительно, анализ единичных клеток позволил обнаружить большую степень гетерогенности ДОК, включая группы стареющих, покоящихся и активно пролиферирующих клеток [118].

ОСК по механизмам регуляции поведения очень похожи на стволовые клетки: гемопоэтические, мышечные, нервные и клетки волосяных фолликул. Они используют схожие программы остановки роста, плюрипотентности и эпигенетической пластичности [48]. Показано, что активация путей mTOR способна увеличивать пул ОСК среди ДОК в метастатической нише (МН) костного мозга, способствуя высвобождению остеобластами фактора GAS6 (growth arrest specific 6) [119]. Обнаружено, что рост соотношения сигналов p38-MAPK (mitogen-activated protein kinase) к ERK (extracellular signal-regulated kinase) – MAPK индуцирует дормантность ДОК различных типов опухолей [120] и дормантность ОСК предстательной железы [121].

Показано также, что сигнальные пути Notch и Wingless (Wnt), осуществляющие контроль пула ОСК и баланс между покоем и пролиферацией дормантных ДОК, могут активировать рост метастазов, производных различных солидных опухолей [46, 48, 100]. Очевидно, эти пути активируют клеточный цикл посредством протоонкогена c-Myc, тогда как их блокирование вызывает состояние покоя ОСК и дормантность опухоли. c-Myc также активирует экспрессию Bmi-1 (polycomb repressor complex 1 component Bmi-1), что регулирует способность к самообновлению стволовых клеток опухоли молочной железы и коррелирует с появлением рецидивов [122]. Другим примером сходства дормантных ДОК и ОСК служит каскад интерлейкина-6 (IL-6)‒лейкоз-ингибирующего фактора (LIF)–рецептора LIF (LIFR), необходимый для поддержания и дормантности, и стволовых качеств ДОК опухоли молочной железы в КМ. И, наконец, механические свойства ВКМ и процесс ЭМП существенны для обретения стволовых качеств опухолевыми клетками и их метастатического роста [123]. Так, фактор ZEB1, ключевой регулятор ЭМП, обусловливающий ответ клеток на стимулы, идущие от микроокружения, такие как местное воспаление, и TGF-β, активируют программу транскрипции, выводящую ДОК из состояния дормантности, придавая им свойства стволовых и обеспечивая возможность пролиферации [124].

ПРЕМЕТАСТАТИЧЕСКИЕ НИШИ

В отличие от первичной опухоли, где опухолевые клетки составляют большинство, ДОК попадают в чуждую агрессивную среду. На этом основана известная гипотеза “о семенах и почве”, предложенная в 1889 году [125], согласно которой ДОК по аналогии с семенами могут прорасти только там, где имеется благоприятная почва. Эта классическая концепция подчеркивает важность для выживания ДОК не только собственных свойств ДОК (семян), но и свойств внешней среды (почвы). Понятие “ниши” (от французского niche или немецкого Nische – гнездо) впервые использовали в 1978 г. [126] при описании бессмертности гемопоэтических стволовых клеток (ГСК): “стволовая клетка должна рассматриваться в связи с окружающими клетками, которые определяют ее поведение, и эта ниша играет активную роль в удерживании стволовой клетки от взросления и пролиферации”. Согласно этой концепции, клеточные ниши определены как динамичные экосистемы, где определенные типы клеток взаимодействуют друг с другом, выполняя определенные функции. В случае с нишей ГСК, эта функция – поддержание свойств стволовых клеток. Действительно, показано, что злокачественный фенотип опухолевых клеток может быть обратимым и зависимым от их микроокружения [127].

Еще до распространения ДОК факторы, определяемые первичной опухолью, обеспечивают привлечение клеток иммунной системы в области, где они меняют условия таким образом, что в результате формируется подготовленная к заселению ДОК преметастатическая ниша (ПМН) [128, 129]. А именно, подготавливается иммуносупрессорное микроокружение, состоящее из миелоидных супрессорных клеток, регуляторных Т-клеток (Treg), макрофагов, ассоциированных с опухолью (TAM), и нейтрофилов, ассоциированных с опухолью, не препятствующее колонизации ДОК (130–133]. Одним из таких факторов могут быть системно распространяющиеся экзосомы [134]. Установлено, что экспрессирующие VEGFR1 (рецептор 1 фактора роста сосудистого эндотелия) клетки, проиcходящие из КМ, поселялись в легких до “прибытия” опухолевых клеток. Эти клетки взаимодействуют со стромой и формируют сайты для клеток будущих метастазов [135]. Экзосомы, продуцируемые первичной опухолью, служат ключевыми медиаторами этого процесса. А именно, захваченные клетками КМ экзосомы меланомы, содержащие протонкоген c-Met (тирозиновую протеинкиназу), обеспечивали их инфильтрацию в легкие, где они участвовали в формировании ПМН, повышая проницаемость капилляров и способствуя процессу метастазирования [134]. Обнаружено, что помимо привлечения иммунных клеток в легкие и провоцирования повышенной проницаемости капилляров, экзосомы клеток опухоли молочной железы и меланомы, но не клеток эпителия легких, моделируют резидентные легочные фибробласты, индуцируя экспрессию гена S100 и, как следствие, пролиферацию и миграцию [136, 137].

Несмотря на то что концепция органотропизма (“семена и почва”), описывающая склонность определенных опухолей формировать метастазы в определенных органах, предложена более 120 лет назад [125], механизм этого явления не установлен. Известно, что экзосомы опухолевого происхождения, содержащие определенные интегрины, а именно α6β1, α6β4, αvβ5, и αvβ3, ассоциированные с молекулами межклеточного матрикса ламинином и фибронектином, и клетками определенного типа в органах-мишенях, частично определяют положение ПМН в легких, печени и мозге [136]. Кроме того, молекулы адгезии и другие компоненты на поверхности экзосом также могут определять органотропизм ДОК различных опухолей. Именно изучение роли экзосом показало, что не все ниши одинаковы – свойства ПМН легких, кости, печени уникальны. Содержимое экзосом различных типов клеток и их вклад в формирование ПМН и органоспецифических метастазов обсуждается в обзоре [138].

Метастазы в печени встречаются чаще, чем первичные опухоли, они характерны для многих видов опухолей, особенно желудочно-кишечного тракта, молочной железы, легких и поджелудочной железы. Показано, что экзосомы, продуцируемые клетками опухоли поджелудочной железы, экспрессирующей интегрин αvβ5, несущие фактор MIF (ингибирующий миграцию макрофагов), индуцируют секрецию фактора TGF-β клетками Купфера, что приводило к синтезу фибронектина звездчатыми клетками печени [139]. Кроме того, в легких малые ядерные РНК из экзосом активируют экспрессию металлопротеиназы-9 (MMP9), ремоделирующей ВКМ в месте будущей ниши, и фибронектина, что способствует привлечению нейтрофилов [136, 137].

Если при метастазировании в легкие и печень экзосомы влияют на иммунные клетки, то в костях они в основном моделируют клетки стромы, остеобласты и остеокласты.

Метастазы в мозге и роль экзосом в формировании там ПМН изучены слабо. Известно, что эндотелиальные клетки мозга захватывают экзосомы, содержащие только интергин αvβ3, но никакой другой [136].

С использованием уникального метода совместного культивирования клеток опухоли и клеток органа-мишени недавно были изучены временные и пространственные аспекты миграции клеток опухоли молочной железы и их инвазии в ткани легкого. Изменения фибробластов органа-мишени, вызванные экзосомами опухолевых клеток, способствуют формированию ПМН, а ПМН, в свою очередь, привлекает ДОК при органотропном метастазировании [140].

Кроме того, обнаружено, что не только экзосомы первичной опухоли обеспечивают расселение ее клеток, но и экзосомы МСК при активации сигнального пути Wnt способствуют миграции клеток опухоли молочной железы [141].

МЕТАСТАТИЧЕСКИЕ НИШИ

Как только ДОК поселяются в ПМН, ниша становится метастатической (МН), она наследует пространственную архитектуру и функциональный статус ПМН, включая прорастающие сосуды, их проницаемость, и иммуносупрессорную обстановку. Это специфическое микроокружение во вторичных органах (КМ, лимфоузлы, легкие, печень и мозг), обеспечивающее условия для выживания ДОК с чертами стволовых клеток или без них [46, 101].

Изменения, происходящие в нишах, где располагаются ДОК и ОСК, диктуют клеткам, смогут ли они выжить, запустить программы длительного покоя или начать пролиферацию.

Костный мозг можно рассматривать как “святое место”, где долго скрываются ДОК /ОСК, образовавшиеся из опухолей молочной и предстательной железы. Интересно, что фактор Notch2, индуцирующий пролиферацию опухолевых клеток в первичном раке молочной железы [46, 142], оказывает противоположный эффект в МН костного мозга, вызывая покой и долговременное выживание диссеминированных ОСК молочной железы [143]. А сигнальный путь Wnt, в своем каноническом варианте являющийся регулятором пролиферации и стволовых свойств клеток, ассоциирован с дормантностью опухолевых клеток предстательной железы, заселившихся в ниши КМ, использующие неканонический путь ROR2/Siah E3–SIAH2, ингибирующий канонический путь Wnt/β-катенин. Таким образом, очевидно, что такие противоположные эффекты можно объяснить лишь действием факторов микроокружения в МН. Так, обнаружено несколько репрессирующих сигналов – TGF-β2, BMP7 (морфогенетический белок кости 7), GAS6 (белок 6, специфичный для задержки роста), LIF, Wnt5α и CXCL12 (лиганд 12 хемокинов с мотивом C-X-C). Например, TGF-β2, интенсивно экспрессирующийся в КМ, вызывает состояние покоя ОСК [144] и ДОК, приводя к понижению отношения киназ ERK/p38. Фактор транскрипции BMP7, секретируемый стромальными клетками кости, вызывает дормантность клеток опухоли предстательной железы, похожих на стволовые, активируя экспрессию гена-супрессора метастазирования NRDG1 (N-myc downstream regulated 1) и сигналинг p38 [121].

Белок GAS6, секретируемый остеобластами, способствует дормантости ДОК предстательной железы, активируя рецептор тирозинкиназ MER и mTOR [119]. Эта активация коррелирует с появлением у ДОК фенотипа стволовых клеток.

Фактор LIF также секретируется стромой КМ и способствует покою ОСК опухоли молочной железы в кости, а потеря рецептора LIF (LIFR) приводит к выходу из дормантности и прогрессии метастазов из-за супрессии генов, отвечающих за поддержание стволовых свойств. Полагают, что в КМ остеобласты индуцируют дормантность ДОК [145], а остеокласты участвуют в выходе из этого состояния и в процессе остеолитического метастазирования в кости [146]. Известно, что эти клетки физически взаимодействуют с остеогенными клетками, поэтому остеогенная ниша, включая остеобласты, служит резервуаром кальция для формирования микрометастазов. Известно, что клетки опухолей молочной и предстательной железы содержат кальций-чувствительные рецепторы, и ионы кальция активируют в этих клетках регуляторные каскады ингибирования апоптоза и активации пролиферации. Кроме того, ионы кальция индуцируют секрецию PTHRP (Parathyroid hormone-related protein), способствующего дальнейшему растворению костной ткани и высвобождению кальция. Ионы кальция также могут служить хемоаттрактантом для клеток опухоли молочной железы и обуславливать их локализацию в кости [147]. Изменение фенотипа остеобластов с возрастом и старение приводят к росту метастазов [148].

Вероятно, не случайно пунктом остановки ДОК в КМ служит ниша нормальных ГСК [119]. Установлена роль фактора Notch2, вызывающего покой ДОК молочной железы в КМ, имитируя внутренние клеточные механизмы, отвечающие за покой ГСК [143]. В многочисленных исследованиях показано, что специфические факторы BMP7, TGF-β2, BMP4 и GAS6, обеспечивающие покой нормальных стволовых клеток, оказались индукторами дормантности ДОК в нишах легких и КМ [121, 149, 150]. Жесткий контроль дормантности ГСК в КМ предполагает сходство механизмов дормантности ГСК и ДОК [150–152]. Более того, дормантные ДОК опухоли молочной железы экспрессируют те же гены стволовых клеток, что и ГСК. Однако они обладают и характеристиками эмбриональных стволовых клеток, такими как повышенная экспрессия генов, ассоциированных c плюрипотентностью, NR2F1, SOX9, SOX2, OCT4 (POU5F1) и NANOG, что обеспечивает ДОК большую пластичность и меньшую вероятность полной дифференцировки [54].

Метастазы в мозге чаще всего обнаруживаются в местах контактов серого и белого вещества и на границах территорий соседних кровеносных сосудов, где скорость кровотока снижается, что позволяет циркулирующим опухолевым клеткам успешно преодолеть гематоэнцефалический барьер и покинуть кровяное русло. Однако показано, что отдаление опухолевых клеток от стенок сосудов неизбежно приводило к их гибели. Действительно, метастазы злокачественных опухолей обнаруживались вдоль наружных стенок кровеносных сосудов мозга. Не случайно, именно в этом периваскулярном пространстве располагаются нейрональные стволовые клетки, поддержание и дифференцировка которых осуществляется в нормальном нейрогенезе факторами роста, например, VEGF (фактор роста эндотелия сосудов). Эти же факторы обеспечивают и рост опухолевых клеток. Интересно, что клетки опухоли не только восприимчивы к сигналингу нормальных нейрональных стволовых клеток, но и сами, выделяя фактор BMP-2, могут форсировать дифференцировку нейрональных стволовых клеток в астроциты для своих нужд, поскольку стволовые клетки в отличие от астроцитов могут сдерживать рост опухолей [154, 155].

Известно, что ниши нормальных стволовых клеток взрослых защищены от действия иммунной системы [156], что благоприятно для дормантных ДОК. И нормальным стволовым клеткам, и дормантным ДОК свойственна сниженная антигенность, что согласуется с предположением, согласно которому ускользание от иммунного контроля является их общей чертой. Другой общей чертой может быть экспрессия убиквитинлигазы FBXW7, ингибирование которой нарушает покой лимфомных стволовых клеток и клеток аденокарциномы легкого, и способствует пробуждению дормантных ДОК опухоли молочной железы, а, следовательно, их уничтожению при проведении химиотерапии [48, 157, 158].

Другим убежищем дормантных ДОК или ОСК многих опухолей служат легкие. Как и в КМ, BMP4 (член семейства TGF-β), секретируется резидентными клетками и препятствует самообновлению клеток опухоли молочной железы. Способность ДОК взаимодействовать с ВКМ через рецепторы интегрина при заселении в легкие также способствует их дормантности и выживанию [46, 159].

Поскольку ДОК покидают пределы первичной опухоли по кровеносным или лимфатическим сосудам, первой преградой, с которой они встречаются в новом месте, является сосудистый эндотелий [78]. И не удивительно, что в различных экспериментальных моделях опухолей молочной железы, легких и меланомы ДОК тесно ассоциированы с васкулярной базальной мембраной. Это микроокружение, названное периваскулярной нишей (ПВН), участвует в дифференцировке и развитии нормальных тканей. ПВН содержат кислород, питательные вещества и паракринные факторы, обеспечивающие условия для пролиферации ДОК и ОСК [46, 160]. Известно, что в различных органах стволовые клетки располагаются именно в ПВН на концах капилляров, где их рост регулируется и поддерживается факторами, продуцируемыми эндотелием сосудов. При этом в такой нише поддержание состояния стволовых клеток сочетается с индукцией и поддержанием дормантности ДОК. ПВН в КМ индуцирует долговременную дормантность ДОК и защищает от химиотерапии, обеспечивая взаимодействие ДОК с помощью интегринов с молекулами фактора Виллебранда и лигандом интегрина VCAM1 [161]. Нарушение этих контактов интегрин-связывающими антителами приводило к пробуждению ДОК и уничтожению их при проведении химиотерапии.

Интересно, что дормантные и пролиферирующие клетки опухоли молочной железы занимают разные локусы в периваскулярных областях. Так, делящиеся клетки в макрометастазах обнаруживаются ближе к поверхности кости, а дормантные клетки располагаются ближе к перисинусоидальным венулам. Эти венулы экспрессируют молекулы адгезии Е-селектины, характерные для клеток сосудов при воспалении, что способствует проникновению опухолевых клеток в КМ, и фактор SDF-1 (stromal cell-derived factor 1), характерный для клеток стромы, который обеспечивает закрепление клеток в нише при взаимодействии с рецептором CXCR4 (C-X-C chemokine receptor type 4) [162].

Подробно МСК в различных органах человека и животных, в том числе МСК пуповины, их роль в дормантности и реактивации ДОК рассмотрена в обзоре [163].

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОДДЕРЖАНИЕ СОСТОЯНИЯ ДОРМАНТНОСТИ ДОК И ВЫХОД ИЗ НЕГО

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Состояние дормантности – обратимого непролиферативного состояния покоя – свойственно многим клеткам животных, растений и микроорганизмов в неблагоприятных условиях, в том числе стволовым клеткам взрослых организмов, эмбриональным клеткам, ДОК, дающим отдаленные во времени и пространстве метастазы, и микобактериям туберкулеза при латентной форме инфекции. Опубликованы данные, свидетельствующие об универсальности основных регуляторных путей обретения дормантности. Так, в условиях гипоксии запускается экспрессия факторов транскрипции, останавливающих пролиферацию клеток, а недостаток питательных веществ способствует снижению клеточного метаболизма или переводу его с использования глюкозы на нетрадиционные пути, например, использования липидов в качестве единственного источника углерода. Такие запрещающие сигналы свойственны нишам нормальных стволовых клеток. ПМН, формированию которых способствуют сигналы от первичных опухолей еще до заселения в них ДОК, располагаются вблизи или в нишах нормальных стволовых клеток в легких, печени, костном мозге. В таких нишах клетки невидимы для иммунной системы и защищены от цитотоксического действия химиотерапевтических препаратов. Степень активности микобактерий, как истинных внутриклеточных паразитов, регулируется сигналами, действующими в инфицируемых ими клетках. А именно, клетки M. tuberculosis становятся дормантными только в МСК. И в этом состоянии микобактерии также защищены от клеток иммунной системы и лекарственных средств. Существенно, что макрофаги, классические хозяева M. tuberculosis, не могут обеспечить им состояние дормантности, этим обусловлена успешность лекарственной терапии острой формы заболевания.

Нормальные стволовые клетки выходят из состояния покоя и начинают пролиферацию под действием разрешающих сигналов, обусловленных любыми изменениями в организме – например, нарушением целостности ткани в результате травмы. При этом высвобождаются ростовые факторы, развивается воспаление, прорастают новые кровеносные сосуды. Если принять, что среди ДОК находятся и ОСК, то естественно, их реактивация также произойдет в ответ на изменения в микроокружении, вызванные сходными факторами. Это также свидетеьствует в пользу предположения об универсальности механизмов регуляции клеточной дормантности. Однако существуют некоторые особенности. M. tuberculosis, как внутриклеточный паразит, и опухолевые клетки, как внутриорганизменные патогены, могут сами ремоделировать свое микроокружение, запуская параллельные регуляторные пути собственной реактивации. Так, микобактерии индуцируют инфицированные ими МСК продуцировать экзосомы, которые захватываются макрофагами и индуцируют воспалительную реакцию и развитие болезни, а опухолевые клетки индуцируют стромальные клетки ниши высвобождать матриксные факторы, активирующие регуляторные пути, обеспечивающие пролиферацию этих опухолевых клеток.

Написание настоящего обзора не потребовало специального финансирования.

В исследовании не использованы биологические материалы, полученные от людей или животных.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.