Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,972

BIOLOGICAL PROPERTIES AND SOME CLINICAL ASPECTS OF TUMOR STEM CELLS: MODERN CONDITION OF THE PROBLEM

Sagakyants A.B. 1 Frantsiyants E.M. 1 Zlatnik E.Yu. 1 Ulyanova E.P. 1 Bondarenko E.S. 1 Shulgina O.G. 1 Samoylenko N.S. 1 Dashkov A.V. 1 Kaymakchi D.O. 1
1 Federal State Institution "Rostov Cancer Research Institute" of the Ministry of Health of the Russian Federation
Tumor stem cells (OSK) – a special functional group of cells in a heterogeneous tumor population, which causes both maintenance and growth of the tumor, metastatic processes, and resistance to various chemotherapeutic drugs. At the moment, there are certain difficulties with the allocation of OSK, their characteristics using phenotypic markers, which is caused by a change in the latter not only in the process of tumor development, but also in the isolation of these cells from the body. Actual is the search for the most specific OSK markers for individual types of tumors. Questions remain for a comprehensive study of the dynamics of OSK niches, the role of its different components, such as the immunocompetent cells, other structural and functional elements of connective tissue in maintaining the properties of OSK data and determining their further behavior. Based on the reducible properties of OSK, new approaches are now being proposed to the development of biotherapeutic drugs, the effect of which, however, is not unambiguous and requires further study. Consideration of the biological properties of tumor stem cells, mechanisms of their origin and some modern approaches to the creation of new drugs is devoted to this work.
tumor stem cells
cancer
mesenchymal stem cells
biotherapeutic drugs

Накопленные к данному времени сведения указывают на то, что опухоль является сложным образованием, состоящим из клеточных популяций, отличающихся между собой степенью дифференцировки, что в свою очередь является основой внутриопухолевой гетерогенности [1]. Механизмы неоднородности морфологической организации и генотипического/эпигенетического статусов, вариабельность экспрессии различного рода маркеров отдельными группами клеток в пределах опухоли пока не раскрыты. Однако наиболее вероятными причинами отмеченных особенностей опухоли являются выраженные генетические (эпигенетические) нарушения в клетках, а также влияние разнообразных факторов опухолевого микроокружения [2].

Отдельным типом в данной структуре является группа трансформированных клеток, обладающих рядом общих с нормальными стволовыми клетками свойствами (самоподдержание и пролиферация), – опухолевые стволовые клетки (ОСК, cancer stem cells). Эта группа клеток обладает способностью формировать опухоль (асимметричность деления) и поддерживать ее рост, а также ответственна за высокую резистентность опухоли к различным способам терапии за счет наличия систем, обусловливающих детоксикацию, выведение токсических веществ (например, ABC-транспортеров).

После открытия ОСК в 1994 году, хотя сама концепция была сформирована еще в 1970-х годах, у пациентов с острым миелоидным лейкозом они были выявлены и в различных солидных опухолях [3]. Отличительными чертами ОСК являются их немногочисленность (по разным данным количество этих клеток варьирует от 0,0001 до 1% [3]) и определенная нестабильность с возможностью перехода в другие популяции клеток и обратно.

Целью данной работы является описание ряда биологических свойств опухолевых стволовых клеток, определяющих прогрессию опухоли, процессы метастазирования, а также обзор современных подходов к биотерапии опухолей.

Общие свойства ОСК

Опухолевые стволовые клетки имеют ряд свойств, которые отличают их от других трансформированных клеток данной опухоли, но общих с нормальными стволовыми клетками [4]:

  • способность к асимметричному делению, в результате которого образуются «самообновленная» ОСК и дочерняя клетка, фенотипически отличающаяся от родительской, потомки которой и формируют основную часть клеток опухоли;
  • способность формировать опухоль при введении модельным животным, в то время как основная масса трансформированных, опухолевых клеток такой способностью не обладает [5, 6];
  • активность систем, ответственных за детоксикацию/выведение токсичных для клетки веществ и, следовательно, определяющих химио- и радиоустойчивость [7].

Маркеры ОСК и способы их получения

Существуют определенные проблемы с выделением этой группы клеток для дальнейшего их исследования. ОСК характеризуются наличием определенного фенотипа, отражающего уникальный набор для каждого типа опухолей экспрессирующихся в клетках генов, что находит отражение в наличии определенных маркеров, позволяющих идентифицировать их [8]. Наиболее распространенные маркеры представлены в таблице.

Как правило, с этой целью принято использовать несколько маркеров. В большинстве случаев в ОСК работают гены, кодирующие поверхностные маркеры, аналогичные соматическим стволовым клеткам данной ткани [9].

Маркерами ОСК могут выступать белки с разнообразными функциями:

– адгезивные белки (CD44, CD133, CD15, CD166, EpCAM);

– активаторы сигнальных путей (CD24, CD90);

– рецепторы цитокинов (CD117, CXCR4).

Следует, однако, отметить, что профиль поверхностных маркеров, их качественные и количественные характеристики могут значительно изменяться под действием различных экзогенных и эндогенных факторов. Это приводит к тому, что фенотип ОСК будет отличаться не только между разными пациентами, но и в пределах одной опухоли. Кроме того, показано, что фенотипически верифицированные ОСК не всегда обладают опухольобразующей способностью в экспериментах с ксенотрансплантантами, а такой способностью часто обладают клетки без фенотипа ОСК [10]. Для решения подобной проблемы ряд исследователей предлагают использовать такие характеристик этих клеток, которые в большей степени определяют состояние их стволовости (табл. 1). Наиболее часто в качестве таковых маркеров используют белки семейства ALDH (альдегид-дегидрогеназы), ABC-транспортеры (ATFbinding cassette transporters), Bmi-1, факторы транскрипции Nanog, Sox-2, Oct-4, Lin-28.

Для выделения ОСК для последующего их исследования используют два основных подхода:

– флюоресцентно-активируемый сортинг клеток;

– магнитную сепарацию.

В связи с малочисленностью ОСК в биологическом материале разрабатываются определенные процедуры, которые направлены на увеличение числа искомых типов клеток. В частности, эффективной оказалась инкубация клеточной популяции с определенными красителями, например Hoechst 33342 [9] ОСК, характеризующимися высокой активностью систем детоксикации, способных вывести краситель наружу, а в остальных клетках краситель останется, что и позволит отделить их от других компонентов системы.

В качестве верификации выделенных ОСК, в отличие от других трансформированных клеток, выступает их способность индуцировать в ходе ксеногенной трансплантации в иммуносупрессивных животных генетически, гистологически и морфологически идентичную «материнской» опухоль [5, 6].

Маркеры опухолевых стволовых клеток в разных типах опухолей

Тип опухоли

Поверхностные маркеры

Другие маркеры

Рак яичников

СD44+, СD117+, СD133+ [11]

ALDH1, Lin-28, Oct-4 [11, 25]

Рак предстательной железы

СD44+, α2β1high, CD133+ [12]

Oct-4, Sox-2 [12, 26]

Рак легких

СD133+, СD44+ [13]

ALDH1, Nanog, Oct-4 [27, 28, 29]

Рак молочной железы

ESA+, СD44+, СD24+ [14]

ALDH1, Oct-4 [30]

Рак поджелудочной железы

ESA+, СD44+, СD24+ [15]

Oct-4, Sox-2, Nanog [31, 32]

Рак толстой кишки

СD44+, EpCAM+, CD166+, CD133+ [16]

ALDH1 [16]

Рак прямой кишки

ESA+, СD133+, СD166+, СD44+, СD24+ [17, 18]

 

Рак желудка

СD44+ [19]

 

Рак печени

ESA+, СD133+, СD90+, СD44+, СD24+ [20]

 

Опухоли головы и шеи

СD44+, СD24+ [21]

 

Опухоли головного мозга

СD133+ [22]

 

Лейкозы

СD34+, СD38+, CCL-1+, СD77+,

СD96+, TIM3, СD32+, СD25+, CD71-, CD90-, HLA-DR-, CD117-, CD123+

[21, 23, 24]

ALDH1 [33]

 

Несмотря на предпринятые к настоящему времени усилия, универсальный маркер, позволяющий получать моногенную популяцию ОСК, не найден.

Трудоемкость выделения ОСК и быстрая спонтанная их дифференцировка in vitro часто являются ограничивающими факторами работы с данной клеточной популяцией.

Возникновение ОСК

Общепринятых концепций относительно механизмов появления ОСК в настоящий момент нет. Согласно одной из концепций (иерархическая модель) ОСК возникают из нормальных тканевых стволовых клеток в результате трансформирующих мутаций, изменяющих саморегуляцию пролиферации [34, 35]. Данный вариант происхождения ОСК показан для онкогематологических заболеваний, в то время как в случае с солидными опухолями возникает целый ряд проблем с доказательством такой возможности [10].

Интерес представляет предположение, согласно которому в случае с опухолями кишечника можно выделить две субпопуляции ОСК: первая – «тканевые, резидентные опухолевые стволовые клетки» обусловливают развитие и поддержание исходной опухоли, вторая – «мигрирующие стволовые клетки», способные перемещаться в циркуляторном русле и ответственные за метастазирование [10]. Согласно данной гипотезе даже в системе ОСК существует определенная гетерогенность, иерархичность.

В последнее время, однако, сформирована другая гипотеза (стохастическая модель), в соответствии с которой иерархическая структура «дифференцировок» среди опухолевых клеток не постоянная, а возможны взаимные переходы между отдельными типами клеток, что в конечном итоге приводит к возникновению ОСК. Указанные переходы могут быть вероятностными, обусловливаться воздействием различных факторов, при этом особую роль приобретает микроокружение трансформированных клеток [10]. Фактически формирование фенотипа ОСК может являться частичной дедифференцировкой опухолевых клеток. Полагают, что данный процесс происходит при эпителиально-мезенхимальном переходе, который в обычных условиях является высококонсервативным процессом, реализуемым в ходе эмбриогенеза [9].

Фактом, обращающим на себя внимание, является то, что даже после избирательного удаления ОСК среди опухолевых клеток могут появляться клетки со свойствами ОСК [4]. Можно предполагать, что в каждой опухоли существует механизм, обусловливающий поддержание строго определенного количества ОСК, в основе которого лежит возможность частичной трансдифференцировки неопластических клеток [36].

Микроокружение ОСК

ОСК солидных опухолей находятся в постоянном взаимодействии со своим микроокружением, или нишей, гетерогенные компоненты которой посредством межклеточных взаимодействий и секретируемых молекул (цитокинов) участвуют в поддержании фенотипических особенностей ОСК и их биологических свойств.

Ниша ОСК, как и опухоли, – сложное, динамическое образование, включающее собственно опухолевые клетки, ОСК, мезенхимальные стволовые клетки (МСК), эндотелий, клетки иммунной системы, фибробластоподобные клетки стромы, а также разнообразные компоненты экстрацеллюлярного матрикса (ЭЦМ) [10]. Особую роль в формировании ниши играют МСК.

В обычных условиях для стромы органов и тканей доминирующей клеточной популяцией являются фибробласты, которые секретируют компоненты ЭЦМ, формирующие естественный барьер на пути распространения опухолевых клеток. При развитии опухоли, однако, могут создаться условия, в которых ЭЦМ будет поддерживать развитие опухоли и способствовать ему. В этом случае нормальные фибробласты и миофибробласты трансформируются в «опухоль-ассоциированные фибробласты», cancer-associated fibroblast (CAFs), продуцирующие целый ряд белков (коллаген, фибронектин и др.), модифицирующих архитектуру ЭЦМ. В ответ на это опухолевые клетки изменяют свою морфологию, приобретают способность к инвазии и метастазированию [10].

В данном процессе особую роль играют МСК, имеющиеся в данной ткани либо привлекаемые из других органов (например, из костного мозга) и поступающие из циркуляции. Известно, что МСК имеют склонность к миграции в поврежденные ткани или органы, перемещаясь по концентрационному градиенту хемокинов/цитокинов, образующемуся в ткани. Попав в поврежденный орган, МСК секретируют различные факторы, запускающие репарационные процессы, что в случае развития опухоли может способствовать росту последней [36]. Показана трансформация циркуляторных МСК из костного мозга, жировой ткани, тканевой и опухолевой стромы в CAFs [36].

Отмечена способность МСК и опухолевых клеток (ОК) к своеобразному общению посредством экзосом. Выделяемые ОК экзосомы способны изменять направление дифференцировки МСК, в то время как в обратном случае наблюдается появление гетерогенных факторов, способствующих росту и развитию опухоли, – модуляция роста сосудов, изменение метаболизма, запуск иных механизмов [37, 38, 39].

Особый интерес представляет тот факт, что на МСК формируют два отдельных субтипа, в зависимости от экспрессии Toll-подобных рецепторов (TLR). Первый тип характеризуется преимущественной экспрессией TLR4, это МСК 1-го типа, с провоспалительным фенотипом, способные ингибировать рост опухоли и метастазирование. Второй тип МСК отличается экспрессией TLR3 – МСК 2-го типа, с классическим иммуносупрессивным фенотипом, способствующие росту опухоли и ее метастазированию [40].

Развитие воспалительной реакции с привлечением в опухоль макрофагов, продуцирующих ИЛ-6, эпидермальный фактор роста EGF-8 и иное, способствует увеличению доли ОСК [10, 36].

Опухоль-ассоциированные фибробласты могут продуцировать ряд цитокинов (VEGF, HGF и др.), активировать сигнальные пути Wnt, Notch, вызывая переход опухолевых клеток в «стволовое» состояние [41-43]. В работах ряда исследователей отмечается, что маркеры ОСК являются прямыми мишенями сигнальных путей (например, для Wnt-сигнального пути таковыми мишенями являются CD44, CD24, CD133, гены АВС-транспортеров, ЕpCAM) [41]. Показано, что гиперэкспрессия Wnt-сигнального пути сопровождает онкотрансформацию, увеличивая вероятность эпителиально-мезенхимального перехода [41].

Показано, что важнейшую роль в поддержании фенотипа ОСК играет гипоксия, в условиях которой в клетках активируются молекулы семейства HIF, запускающие экспрессию генов целого ряда транскрипционных факторов (Oct 4, Sox, Nanog), характерных для эмбриональных стволовых клеток, что влияет на фенотипические характеристики и свойства ОСК [43].

Таким образом, в условиях тесного взаимодействия с гетерогенными компонентами ниши, связанную с запуском аутокринных/паракринных сигнальных каскадов (Wnt, Notch, Hedgehog), TGF-β и рецепторзависимых тирозинкиназ (например, c-met, egf, pdgf), формируются возможность поддержания ОСК, запуск дедифференцировки трансформированных клеток [4, 9, 10].

ОСК и поиск новых подходов к лечению опухолей

С клинической точки зрения ОСК являются ответственными за развитие опухолевого роста, его диссеминацию по организму, образование рецидивов, явление устойчивости к проводимой химио- и радиотерапии.

Кроме того, эта популяция клеток ответственна за угнетение иммунного ответа, снижение свойств соматических стволовых клеток, образование своеобразных ниш, обусловливающих поддержание ОСК как в активно пролиферирующем, так и в латентном состоянии.

Общеизвестно, что действие большинства противоопухолевых препаратов направлено на устранение активно делящихся трансформированных клеток, но практически не затрагивает ОСК ввиду их биологических свойств [9]. Тем не менее, по мнению ряда исследователей, можно выделить несколько наиболее перспективных подходов для поиска препаратов, действие которых нацелено на ОСК.

Первым из них является скрининг библиотек существующих препаратов, действие которых направлено на ОСК, или стволовых клеток, близких к опухолевым. Всесторонний анализ свойств этих веществ целесообразно проводить с использованием не только «классических» экспериментальных подходов, но и методов биоинформационного анализа [9].

Второй группой методов может выступать поиск способов воздействия на сигнальные пути, поверхностные маркеры или нишу, специфические для ОСК. Например, показано, что антитела к CD133, конъюгированные с цитостатическими химическими структурами, повреждали CD133-положительные ОСК гепатоцеллюлярной карциномы HepB3 как in vitro, так и in vivo [44]. Антитела к CD44 обладали способностью снижать количество стволовых клеток, воздействуя при этом на клетки ниши ОСК острого миелоидного лейкоза [44].

Третьим подходом может выступать иммунотерапия, объединяющая различные подходы к модуляции иммунной системы онкологического больного: создание различных по составу и принципам реализации эффекта противораковых вакцин, использование специфичных к опухолевым антигенам цитотоксических Т-лимфоцитов, блокировка иммунных «чекпоинтов». В этой же группе методов следует рассматривать и создание Т-лимфоцитов с высокоспецифическими  химерными антиген-распознающими рецепторами к целевым антигенам (CAR, chimeric antigen receptor) [45].

Таким образом, наиболее перспективными направлениями научного поиска и создания новых перспективных, эффективных вариантов терапии опухолей являются те, которые не только нацелены на непосредственное устранение клеток с фенотипом ОСК, но и блокируют пути, приводящие к возникновению и поддержанию этих клеток. При этом биологические особенности опухолевых стволовых клеток изучены далеко не полностью и новые открытия на этом пути будут связаны с совместной работой специалистов фундаментального и прикладного профилей.