Инвазия (рак)

Гистопатология инвазивного без особого типа рака молочной железы . Наличие неравномерных гнезд опухолей в жировой ткани справа на изображении подтверждает инвазивный характер.

Инвазия – это процесс, посредством которого раковые клетки непосредственно распространяются и проникают в соседние ткани при раке . Его обычно отличают от метастазов , которые представляют собой распространение раковых клеток через систему кровообращения или лимфатическую систему в более отдаленные места. Тем не менее, лимфоваскулярная инвазия обычно является первым этапом метастазирования.

Существует два основных способа инвазии раковых клеток путем миграции клеток : коллективная миграция клеток и индивидуальная миграция клеток, при которой опухолевые клетки преодолевают барьеры внеклеточного матрикса и распространяются в окружающие ткани. Каждый образец миграции клеток демонстрирует различные морфологические особенности и регулируется специфическими биохимическими и молекулярно-генетическими механизмами.

Два типа мигрирующих опухолевых клеток, мезенхимальные (фибробластоподобные) и амебоидные , можно наблюдать при различных вариантах инвазии раковых клеток. В статье описаны ключевые различия между вариантами миграции раковых клеток, роль эпителиально-мезенхимальных и родственных переходов, а также значение различных опухолевых факторов и стромальных молекул в опухолевой инвазии. Морфологические проявления инвазионной картины характеризуются разнообразием тканевых (опухолевых) структур.

Инвазивный рост и метастазы

Результаты многочисленных экспериментальных и клинических исследований злокачественных новообразований показали, что инвазивный рост и метастазирование являются основными проявлениями опухолевой прогрессии , представляющими собой два тесно связанных процесса.

Злокачественная опухоль определяется ее способностью инициировать биологический феномен, известный как метастатический каскад, сложный многоэтапный процесс, при котором инвазия клеток предшествует дальнейшему прогрессированию рака и образованию метастазов в отдаленных органах и тканях. Массивные метастатические поражения приводят к развитию органной недостаточности . Диапазон между «конечными» точками сложного инвазивного метастатического процесса – инвазией первичной опухоли в окружающие ткани и формированием метастатических очагов – включает несколько стадий, прохождение которых строго необходимо для успешного развития и последующего прогрессирования. рост опухоли: интравазация , выживание и присутствие в большом круге кровообращения, экстравазация с последующей колонизацией органов опухолевыми клетками и образование клинически выявляемых метастазов. Рост опухоли сопровождается увеличением давления на окружающие структуры внеклеточного матрикса , тогда как тканевое микроокружение сохраняет свою функционально-анатомическую целостность за счет увеличения давления на опухолевые клетки. Факторы, ограничивающие рост злокачественные новообразования включают базальную мембрану и различные компоненты окружающей стромы, повышенное интерстициальное давление, ограниченное снабжение кислородом опухолевых клеток и выработку активных форм кислорода , а также постоянный контакт с клетками иммунной системы. Вследствие внутриопухолевой гетерогенности некоторые опухолевые клетки могут подвергаться регрессии и гибели , тогда как другие, устойчивые к противоположным факторам микроокружения, приобретают агрессивный фенотип и способность к метастазированию.

Инвазивный рост опухоли возможен за счет отделения злокачественных клеток от опухолевой массы вследствие уменьшения или полной потери молекул межклеточной адгезии . Это позволяет клеткам приобретать аномально высокую подвижность, позволяющую проникать сквозь жесткие структурные элементы окружающей стромы.

Процесс, посредством которого эпителиальные клетки теряют свою клеточную полярность и межклеточную адгезию и приобретают миграционные и инвазивные свойства, превращаясь в мезенхимальные стволовые клетки, называется эпителиально-мезенхимальным переходом (ЭМТ). ЭМП являются нормальным признаком различных биологических процессов, таких как эмбриогенез и заживление ран . Однако в случае метастазирования они способствуют проникновению опухолевых клеток в другие области тела.

Физиологические прототипы инвазивного роста

Опухолевые клетки обладают способностью воспроизводить механизмы и модели миграции, обычно наблюдаемые в нормальных неопухолевых клетках во время различных физиологических процессов. Как и нормальные клетки, опухолевые клетки могут активировать эти механизмы, чтобы изменить свою форму, создать благоприятные условия для движения и изменить форму близлежащих тканей, чтобы сформировать пути миграции. Однако опухолевые клетки, в отличие от нормальных, не имеют физиологических «стоп-сигналов» для прекращения этих процессов. Это приводит к установлению механизмов миграции и способствует прогрессированию и распространению опухоли.

Было обнаружено, что злокачественные клетки используют встроенные генетические программы для реализации процессов, определяющих инвазивный рост и метастазирование. Например, движение отдельных клеток, наблюдаемое во время эмбрионального развития и воспаления (например, миграция лейкоцитов ), похоже на диссеминацию раковых клеток во время прогрессирования опухоли и метастазирования.

Наряду с миграцией одиночных клеток, коллективная миграция клеток может происходить, когда группы прочно связанных опухолевых клеток мигрируют вместе. Этот тип миграции свидетельствует о перестройке тканей, лежит в основе процессов эмбрионального морфогенеза , а также является важнейшим компонентом заживления раневых поверхностей.

Таким образом, клетки злокачественных опухолей используют механизмы как коллективной, так и одиночной миграции в качестве физиологических прототипов в процессе инвазивного роста и метастазирования.

Модели инвазивного роста

На основе конкретных морфологических и молекулярно-генетических параметров различают два различных типа инвазивного роста: миграцию одиночных клеток и коллективную миграцию клеток . Тип миграции преимущественно зависит от особенностей тканевого микроокружения и зависит от молекулярных изменений внутри опухолевых клеток.

Паттерны инвазии раковых клеток: коллективная клеточная и индивидуальная клеточная миграция. При коллективной миграции клеток опухолевые клетки демонстрируют высокую экспрессию E-кадгерина и интегринов . Эпителиально-мезенхимальные (EMT) и коллективно-амебоидные (CAT) переходы являются триггером между коллективной инвазией клеток и миграцией отдельных клеток. ЕМТ включает активацию факторов транскрипции , таких как TWIST1 , Snail , Slug , ZEB1 / 2 , снижение экспрессии E-кадгерина и увеличение активности протеазы . В ходе ЭМП опухолевые клетки приобретают мезенхимальный фенотип, отделяются от опухолевой массы и мигрируют по мезенхимальному механизму. Напротив, частичная ЭМП, специфичная для инвазивного фронта опухоли, означает, что опухолевые клетки сохраняют межклеточную адгезию , но уже обладают миграционной способностью. Этот фенотип опухолевых клеток получил название «эпителиально-мезенхимальный» фенотип. При CAT, который происходит, когда уровень интегринов β1 снижается, опухолевые клетки отделяются от опухолевой массы и перемещаются по амебоидному механизму . Амебоидная миграция включает снижение экспрессии протеаз и интегринов и изменение активности ГТФазы – ингибирование Rac1 и активация RhoA . Этот тип движения происходит в рыхлом/мягком внеклеточном матриксе . Напротив, мезенхимальная миграция связана с противоположным фенотипом и преобладает в плотном/жестком матриксе. Эти два типа движения очень пластичны и могут конвертироваться друг в друга в зависимости от типа внеклеточного матрикса и внутриклеточной регуляции.

Определение механизма инвазии, используемого одиночными мигрирующими клетками во время миграции, является сложной задачей. До 2015 года исследования, изучавшие это на молекулярном и морфологическом уровнях, были немногочисленны и в основном проводились in vitro с использованием определенных клеточных линий.

Однако в дальнейшем возросло количество исследований, демонстрирующих интерес к молекулярно-генетическим особенностям опухолевых клеток, определяющим основные различия между мезенхимальным и амебоидным типами движения клеток при индивидуальной, а также коллективной миграции.

Коллективная миграция

Коллективная миграция характеризуется миграцией целых групп клеток, связанных между собой молекулами адгезии и другими коммуникационными узлами . Это главная особенность этого типа инвазии, поскольку в основе лежат те же клеточные механизмы, которые во многом определяют миграцию отдельных клеток.

Коллективная миграция клеток наблюдалась при развитии и прогрессировании рака молочной железы и эндометрия , рака предстательной железы , колоректального рака , крупноклеточного рака легких , рабдомиосаркомы , меланомы , а также большинства плоскоклеточных карцином .

При коллективной миграции раковые клетки, входя в состав опухолевой массы или отделяясь от нее в виде многоклеточных групп, проникают в окружающие ткани и образуют тонкие, короткие хорды, скопления, полосы и широкие поля, а также структуры с просветом, что указывает на большое разнообразие структурных элементов, участвующих в опухолевой инвазии.

Коллективная миграция характеризуется миграцией целых групп клеток, связанных между собой кадгеринами и межклеточными щелевыми соединениями. Движущаяся группа клеток имеет «передний край» или «ведущий фронт», который использует интегрины и протеазы. Существуют заметные различия в экспрессии генов и морфологии между «лидерными» клетками, образующими передний край, и «ведомыми» клетками, расположенными за ними, на «заднем крае». Форма клеток «лидеров» часто напоминает мезенхимальные клетки и характеризуется менее выраженной упорядоченностью и структурной организацией, тогда как «ведомые» склонны к образованию более плотно упакованных розеткообразных трубчатых структур с плотными межклеточными контактами.

В случае коллективной миграции опухолевые клетки образуют выпячивания ( псевдоподии ) на переднем крае, используют интегрины для формирования фокальных контактов с актиновым цитоскелетом и осуществляют протеолитическую деградацию внеклеточного матрикса , создавая пространство для инвазии опухолевой ткани и экстенсивно вовлечение актин-миозинового сократительного аппарата для обеспечения успешной миграции. в процесс

Различия в полярности коллективно мигрирующих групп клеток обусловлены экспрессией поверхностных рецепторов, таких как хемокиновые рецепторы CXCR4 и CXCR7 , в «лидерных» клетках. Факторы роста и хемокины, продуцируемые стромальными клетками , образуют диффузионный градиент и индуцируют поляризацию клеток. участие в этих процессах хемокинов, таких как SDF1 (CXCL12), фактор роста фибробластов (FGF) и трансформирующий фактор роста β (TGF-β). В литературе обсуждается

Участие TGF-β в канцерогенезе двоякое. TGF-β, действующий в эпителиальных клетках молочной железы как мощный супрессор опухоли на ранних стадиях рака, может влиять на развитие опухоли посредством взаимодействия с онкогенными цитокинами. Повышенная экспрессия TGF-β связана с прогрессированием опухолей, что часто наблюдается, например, на поздних стадиях рака молочной железы. TGF-β является регулятором взаимодействия опухоли и стромы, что способствует коллективной миграции клеток при раке молочной железы.

Установлено, что лидерные клетки экспрессируют подопланин — трансмембранный гликопротеин, который в норме экспрессируется в подоцитах почек , альвеолярных клетках 1 типа , клетках скелетных мышц, плаценте и др. Экспрессия подопланина в клетках рака молочной железы индуцирует миграцию и инвазию клеток с образованием филоподий и одновременное сохранение экспрессии E-кадгерина.

Коллективно мигрирующие раковые клетки потенциально могут использовать способность соседних мезенхимальных клеток модифицировать структуру матрикса и перестраивать его, а затем следовать по их «следам». В экспериментах in vitro введение фибробластов в культуру индуцирует коллективную миграцию опухолевых клеток в подлежащий матрикс в виде цепочек. Таким образом, фибробласты направляют вторгающиеся опухолевые клетки, ремоделируя окружающий внеклеточный матрикс в пути с толстыми пучками коллагена по бокам и отсутствием матрикса в центре.

LIM-киназа , фермент, субстрат которого стабилизирует актин, играет роль в коллективной миграции опухолевых клеток. Известно, что этот белок участвует в регуляции развития инвадоподий — структур, типичных для клеток злокачественных опухолей и ответственных за разрушение окружающего внеклеточного матрикса. Чрезмерная активация LIM-киназы проявляется при раке молочной железы. Клетки опухоли молочной железы с подавленной экспрессией гена LIM-киназы теряют способность к инвазии из-за утраты способности разрушать внеклеточный матрикс.

Одиночная клеточная инвазия

Одноклеточная инвазия отличается тем, что отдельные опухолевые клетки проникают в окружающие ткани независимо друг от друга. При этом типе опухолевой инвазии миграция отдельных клеток может происходить посредством двух разных типов движения: мезенхимального и амебоидного. Эти типы движений весьма пластичны и могут переходить от одного типа миграции к другому (от мезенхимального к амебоидному и наоборот). Эти переходы обычно происходят при изменении активности определенных клеточных молекул, когда опухолевым клеткам приходится адаптироваться к особенностям микроокружения.

Миграция мезенхимальных (фибробластоподобных) клеток

Мезенхимальные механизмы инвазивного роста клеток, в отличие от амебоидного типа миграции, характеризуются протеканием более сложных процессов и вовлечением большего числа клеточных молекул.

Такой тип миграции характерен для кератиноцитов при репаративной регенерации , эндотелиоцитов , гладкомышечных клеток и фибробластов . Поскольку злокачественные клетки, использующие движение мезенхимального типа, теряют свою эпителиальную полярность и принимают форму удлиненного веретена, напоминающую форму фибробластов, этот тип инвазии также называют «фибробластоподобной» миграцией. Мезенхимальная инвазия выявляется при развитии меланомы , фибросаркомы , глиобластомы и других злокачественных новообразований.

Известно, что большинство раковых клеток, отделяющихся от опухолевой массы и проникающих в окружающие ткани, претерпевают определенные изменения, приобретая морфологические свойства и фенотип, типичные для мезенхимальных клеток. Эту трансформацию злокачественной эпителиальной клетки, связанную с появлением в клетке новых молекулярных и морфологических особенностей, называют эпителиально-мезенхимальным переходом (ЭМТ). Считается, что мезенхимальный механизм инвазии является следствием ЭМП, когда происходит активная дедифференцировка злокачественной эпителиальной опухоли и многоклеточные группы начинают делиться на одиночные опухолевые клетки, приобретая мезенхимальный фенотип.

Опухолевые клетки при мезенхимальном типе миграции проходят ряд специфических последовательных этапов, составляющих пятиэтапную модель миграции. Этот цикл включает следующие изменения: 1) образование на одном из полюсов клетки выпячивания – ламеллиподии или филоподии, образующихся в результате сокращений актинового цитоскелета под контролем малых ГТФаз Rac1 и Cdc42 с быстрым вовлечением интегринов семейства β1. ; 2) возникновение фокальной адгезии с участием интегринов β1 и β3 в месте контакта внеклеточного матрикса с клеткой; 3) сборка фокальных контактов, в основе которой лежат интегрино-опосредованные взаимодействия, и активация протеолитических ферментов (матриксных металлопротеиназ, сериновых и треониновых протеаз , катепсинов ) на границе раздела «клетка-матрикс», что приводит к разрушению и ремоделированию окружающей среды. внеклеточный матрикс; 4) изменение поляризации актинового цитоскелета под контролем миозина II , возникновение сокращений тела клетки; 5) «подтягивание» задней кромки в сторону движения через вновь образовавшиеся дефекты матричной структуры. Поскольку клетки, использующие фибробластоподобный механизм инвазии, следуют описанным этапам миграции, скорость их движения невелика: около 0,1– мкм/мин.

Возможность протеолиза и ремоделирования тканевых структур объясняет тот факт, что мезенхимальное перемещение опухолевой клетки претерпевает более незначительные, по сравнению с амебоидной миграцией, изменения формы клетки и минимальной деформации ядра.

При мезенхимальной миграции опухолевые клетки обнаруживают более незначительные изменения формы и деформации ядра по сравнению с амебоидной миграцией. Это связано с тем, что мезенхимальная миграция часто включает протеолиз и ремоделирование внеклеточного матрикса, что позволяет клеткам более эффективно перемещаться через ткани, сохраняя при этом их общую целостность. Амебоидная миграция, напротив, характеризуется более округлой и гибкой формой клетки, с более высокой степенью деформации как клетки, так и ядра. Это часто происходит, когда клеткам приходится протискиваться через узкие пространства в тканях.

Поведение опухолевых клеток во время индивидуальной миграции зависит от жесткости окружающего матрикса. Например, в условиях «жесткого» («плотного») окружающего матрикса доминирует мезенхимальная или протеолитическая модель миграции. Высокая эффективность миграции одиночной клетки по мезенхимальному механизму в плотных тканях объясняется протеолизом за счет секреции различных протеаз и способностью образовывать фокальные контакты с элементами стромы.

Ключевыми моментами фибробластоподобного механизма инвазивного роста являются сильные силы адгезии на обоих полюсах клетки, а также между клетками и компонентами внеклеточного матрикса, выраженная экспрессия интегринов (семейства β1 и β3), протеолиз с разрушением и последующим ремоделированием тканей с образованием дефектов матричной структуры и перемещением одиночной клетки или клеточных цепочек через дефекты. Деформация ядра минимальна, наблюдается медленная скорость миграции клеток.

На основании подавления экспрессии соответствующих генов с помощью малых интерферирующих РНК показано, что специфическая активность ГТФаз Rac1 и Cdc42 является характерной особенностью мезенхимального типа инвазии. Подавление ГТФазы Rac1 посредством сигнальной активации ГТФазы RhoA и ее эффектора, киназы ROCK , приводит к блокировке мезенхимальной миграции опухолевых клеток.

Миграция амебоидных клеток

Амебоидный механизм инвазивного роста является наиболее примитивным и в то же время наиболее эффективным способом миграции одиночных опухолевых клеток. По всем своим признакам оно похоже на поведение и движение одноклеточного организма, например амебы Dictyostelium discoideum .

Использование в клинических исследованиях антител, блокирующих интегрины, или ингибиторов протеаз, приводит к появлению опухолевых клеток с амебоидным типом миграции. Аналогичные результаты были получены при исследовании злокачественных опухолей in vivo. Установлена ​​связь между применением препаратов на основе ингибиторов матриксных металлопротеиназ в терапии рака и прогрессированием опухолевого процесса. Объяснение этой связи стало возможным лишь после выявления опухолевых клеток, способных к амебоидной миграции. Эти данные, скорее всего, свидетельствуют о том, что в условиях снижения или полной утраты способности распространяться в окружающие ткани с помощью основных молекул, осуществляющих адгезию и разрушение внеклеточного матрикса, опухолевые клетки переходят к амебоидному механизму инвазии, становится единственным и наиболее эффективным способом миграции.

Этот тип миграции описан в циркулирующих стволовых клетках, лейкоцитах и ​​некоторых типах опухолевых клеток. По данным Zijl et al., амебоидный тип инвазивного роста наблюдался при раке молочной железы, лимфоме, мелкоклеточном раке легкого, раке предстательной железы и меланоме.

Показано, что при амебоидной миграции клетки злокачественных опухолей имеют круглую или эллиптическую форму. Амебоидные клетки характеризуются быстрой деформируемостью, адаптацией своей формы к существующим структурам окружающего внеклеточного матрикса и проникновением сквозь них через узкие пространства в сжатом виде. Движение и перемещение осуществляются посредством последовательных высокоскоростных циклов расширения и сжатия тела клетки с развитием «пузырьковых» выпячиваний клеточной мембраны. Эти пузырьки позволяют клетке исследовать микроокружение, чтобы найти наиболее подходящий маршрут движения, чтобы обойти различные препятствия, благодаря чему опухолевые клетки способны перемещаться через узкие щели во внеклеточном матриксе. Развивающиеся изменения формы клеток генерируются кортикальным актиновым цитоскелетом, который, в свою очередь, контролируется малой ГТФазой RhoA и ее эффектором - ROCK-киназой. Эта ГТФаза принадлежит к суперсемейству малых ГТФ-гидролаз , представители которого играют ключевую роль при амебоидном типе инвазии, поскольку участвуют в передаче сигнала и, тем самым, в регуляции самых разнообразных процессов, происходящих в клетке, включая реорганизацию. актинового цитоскелета во время миграции.

Миграция по амебоидному механизму инвазии сопровождается изменением не только формы клетки, но и формы ядра, его ориентации и положения относительно других внутренних органелл. Ядро, являющееся самой крупной органеллой и более жесткой, чем окружающий цитоскелет, механически прочно стабилизировано обширной сетью структурных белков. По этой причине его форма обычно не претерпевает существенных изменений. Однако амебоидный тип миграции характеризуется выраженной деформацией ядра с целью преодоления отсутствия протеолитической деградации окружающего матрикса. Поскольку опухолевым клеткам приходится перемещаться через узкие пространства и поры, ядро ​​и в этом случае находится в максимально сжатом состоянии. Подобно амебоидному движению лейкоцитов, ядра внутри одиночных мигрирующих опухолевых клеток движутся вперед к переднему краю.

В отличие от мезенхимального движения преобладает амебоидная или непротеолитическая модель миграции, когда окружающий матрикс характеризуется относительно низкой жесткостью («мягкий» матрикс). Например, амебоидную миграцию опухолевых клеток в лимфатическую и кровеносную системы рассматривают как миграцию в мягком матриксе.

Конделис и Сегал выяснили некоторые особенности миграции клеток на примере двух разных линий опухолей — МТС и MTLn3 — в условиях in vitro и in vivo. Клетки MTLn3, обладающие высоким метастатическим потенциалом и мигрирующие, вероятно, по амебоидному механизму инвазивного роста, характеризуются более высоким уровнем экспрессии рецепторов эпидермального фактора роста (EGFR), чем клетки МТС с низким метастатическим потенциалом. Их миграция связана с наличием в окружающем матриксе кровеносных сосудов и коллагенсодержащих волокон. опухолевых клеток Считается, что хемотаксис по отношению к кровеносным сосудам опосредован сигнальными путями EGFR.

Амебоидный механизм инвазии имеет ряд особенностей. Для него характерно слабое взаимодействие клеток с окружающим матриксом, а также отсутствие или слабые фокальные контакты. Существует возможность сохранить быструю и нефокальную сборку рецепторов в местах контактов клеток с внеклеточным субстратом. Интегрины не играют важной роли в этом типе инвазивного роста. Важными аспектами являются отсутствие протеолиза в местах взаимодействия клетки с матриксом и отсутствие экспрессии протеолитических ферментов, разрушающих внеклеточный матрикс. Исследования in vitro показали, что при амебоидном типе инвазивного роста именно благодаря этим свойствам опухолевые клетки способны двигаться с наибольшей скоростью в культурах (20 мкм/мин).

Амебоидно-мезенхимальные и мезенхимально-амебоидные переходы

Существует определенная пластичность и возможность «перехода» от одного типа миграции к другому (от мезенхимального типа к амебоидному и наоборот) при индивидуальной инвазии клеток. Эти события обусловлены появлением изменений активности некоторых молекул клеток и необходимостью адаптации к условиям тканевого микроокружения.

Эти изменения описываются как амебоидно-мезенхимальные и мезенхимально-амебоидные переходы. Опухолевые клетки, использующие мезенхимальный тип миграции, могут определенным образом изменяться и переходить к амебоидному типу движения в условиях ослабления сигнальных и механических путей, непосредственно участвующих в стабилизации взаимодействий между структурами внеклеточного матрикса и злокачественными клетками. Описаны следующие механизмы, приводящие к переходу клеток от мезенхимального к амебоидному типу инвазивного роста (мезенхимально-амебоидный переход): 1) снижение или полная отмена перицеллюлярного протеолиза за счет применения ингибиторов протеаз; 2) снижение активности рецепторов интегринов и их взаимодействия с окружающими стромальными элементами их антагонистами; 3) повышение и стабилизация активности малой ГТФазы RhoA и ее эффектора ROCK. Исследование группы С. Бертона показало, что белок p27 играет важную роль в контроле подвижности клеток. В частности, недостаток этого белка в условиях in vitro индуцирует мезенхимально-амебоидный переход в клетках трехмерного матрикса.

Существует возможность амебоидно-мезенхимального перехода, который является процессом, обратным мезенхимально-амебоидному переходу. Существует гипотеза, согласно которой механизм амебоидно-мезенхимального перехода, скорее всего, опирается на одну и ту же молекулярную основу и что единственным достоверным процессом, определяющим возможность описанной трансформации, является дисбаланс активности членов семейства малых ГТФаз. и преобладание активности Rac над активностью RhoA.

Коллективно-индивидуальные переходы

Опухолевые клетки в пределах одной опухоли могут одновременно перемещаться как коллективно, так и индивидуально. В этом случае переход от индивидуальной миграции к коллективной является важным шагом на пути повышения инвазивного и метастатического потенциала злокачественных новообразований. Например, клетки опухоли молочной железы, отделившиеся от твердой массы, приобретают способность проникать в лимфатические сосуды. В настоящее время выделяют два механизма: эпителиально-мезенхимальный и коллективно-амебоидный переходы, посредством которых образуются индивидуально мигрирующие опухолевые клетки. В свою очередь, последние, в частности клетки, подвергшиеся ЭМП, способны при определенных условиях приобретать эпителиальный фенотип и формировать опухолевые многоклеточные комплексы. Эта инверсия фенотипа называется «мезенхимально-эпителиальный переход».

Эпителиально-мезенхимальный переход

Эпителиально-мезенхимальный переход — это механизм, во время которого опухолевая клетка отделяется от эпителиального слоя и приобретает подвижность, «локомоторный фенотип», который способствует инвазивному росту и метастазированию. Развитие этого процесса как ключевого фактора прогрессирования рака было показано in vitro с использованием конкретных опухолевых линий, а также экспериментальных моделей; однако установление развития ЭМП и идентификация опухолевых клеток и их основных характеристик в условиях in vivo представляют собой сложную задачу.

ЭМП лежат в основе многих процессов морфогенеза. Считается, что в нормальных условиях (во время эмбриогенеза) ЭМП может индуцироваться фактором роста гепатоцитов (HGF), секретируемым фибробластами . HGF связывается со специфическими рецепторами c-Met, расположенными на мембране эпителиальных клеток. Связывание с рецепторами активирует сигнальный путь с участием некоторых белков малой ГТФазной системы ( Cdc42 , Rac , RhoA , RhoC ), который регулирует интенсивность полимеризации актиновых микрофиламентов и сократительную способность актин-миозиновых филаментов, что определяет интенсивность образования ламеллиподий и натяжение прикрепленной к матриксу клетки. При этом происходит значительная перестройка всего актин-миозинового цитоскелета и потеря межклеточных контактов Е-кадгерина. В ходе канцерогенеза эпителиальные клетки подвергаются морфологической трансформации, фенотипически сходной с ЕМТ, но развивающейся в отсутствие соответствующего лиганда HGF. Эта трансформация в злокачественных опухолях может быть вызвана трансфекция различных онкогенов . В ходе трансформации опухолевые клетки могут покидать эпителиальный слой и двигаться подобно фибробластам , тем самым приобретая способность к инвазии и метастазированию.

Во время ЭМП происходят следующие события: злокачественные эпителиальные клетки теряют свою апикально-базальную полярность из-за нарушения плотных межклеточных соединений и потери молекул клеточной адгезии (таких как Е-кадгерин и интегрины); клеточный актиновый цитоскелет изменяется и подвергается ремоделированию с образованием стресс-волокон , которые собираются в определенных участках клетки вблизи клеточной мембраны, где впоследствии начинают формироваться специфические клеточные выпячивания; происходит деградация подлежащей базальной мембраны эпителия, в результате чего опухолевые клетки, лишенные межклеточных контактов, становятся способными к инвазивному росту и проникновению в окружающий стромальный матрикс и начинают активную миграцию.

Установлено, что ЭМП редко бывает одинаково выраженной по всей опухолевой ткани. Скорее всего, этот процесс характеризуется различной интенсивностью перехода клеток от эпителиального к мезенхимальному фенотипу. В связи с этим можно описать «частичный ЭМП», в котором большинство клеток инвазивного фронта участвует . Частичный ЭМП — это состояние, при котором клетки уже приобрели свойства, необходимые для успешной миграции, но продолжают сохранять межклеточные контакты. Этот фенотип получил название гибридного «эпителиально-мезенхимального» фенотипа и был связан с особенностями, характерными для коллективно мигрирующих опухолевых клеток.

Таддеи и др. указали, что ЭМТ развивается вследствие индукции программ, связанных с активацией ключевых факторов транскрипции, таких как TWIST1 , Snail , Slug и ZEB1 / 2 . Это приводит к разрушению прочных кадгериновых соединений и активации миграции полярных клеток и протеолизу компонентов внеклеточного матрикса различными секретируемыми протеазами с сохранением функций рецепторов интегрина. Экспериментально установлена ​​роль транскрипционного фактора Prrx1 , определяющего потенциал клеток рака молочной железы к инвазивному росту.

Показано, что белки ZEB1 и ZEB2 с доменом «цинковые пальцы» способны напрямую связываться с промоторами, индуцируя тем самым экспрессию мезенхимальных маркерных генов и подавляя экспрессию Е-кадгерина и других эпителиальных маркеров.

Аналогичным образом, улитка и слизень способны подавлять экспрессию гена Е-кадгерина посредством прямого связывания с его промотором , а также выработку эпителиальных белков, таких как десмоплакин и клаудин , и активировать экспрессию виментина и матриксных металлопротеиназ , тем самым увеличивая клеточную активность. миграция. Группа исследователей под руководством Санчеса-Тилло обнаружила, что транскрипционный фактор Snail не встречается в нормальных эпителиальных клетках и что его обнаружение в клетках инвазивного фронта опухоли можно рассматривать как предиктор плохой выживаемости онкологических больных. Считается, что ZEB1/2, Snail и Slug индуцируются TGF-β , воспалительными цитокинами и гипоксией.

Коллективно-амебоидный переход

Экспериментальные данные указывают на потенциальное существование коллективно-амебоидного перехода, когда опухолевые массы, проникающие в окружающие ткани в виде коллективных многоклеточных групп, диссоциируют на одиночные мигрирующие клетки, использующие амебоидное движение. Показано, что это событие становится возможным при применении ингибиторов рецепторов интегринов семейства β1, поскольку эти молекулы играют ключевую роль как в формировании межклеточных контактов, так и во взаимодействиях между опухолевыми клетками и компонентами окружающих тканей.

Мезенхимально-эпителиальный переход

По состоянию на 2015 г. исследований, посвященных изучению механизмов мезенхимально-эпителиального перехода (МЕТ), не проводилось. Однако возможность такого явления признается. При этом говорят, что часто, например, при раке молочной железы и предстательной железы, структура ткани в отдаленных метастатических очагах аналогична структуре первичной опухоли . По мнению Фридла и Гилмора, на основе этих данных можно сделать несколько предположений. Во-первых, инвазия и метастазирование могут произойти и без ЕМТ. Во-вторых, выявление единичных диссеминированных клеток при рутинном патологоанатомическом исследовании образцов опухолевой ткани представляется достаточно сложной задачей, и идентификация этих клеток во время ЕМТ невозможна. И, в-третьих, опухолевые клетки временно используют механизмы ЭМП для интравазации и распространения в отдаленные органы и ткани, где возвращаются к эпителиальному фенотипу. Эта трансформация описывается как мезенхимально-эпителиальный переход. МЕТ была индуцирована экспериментально, и индивидуально движущиеся клетки образовывали многоклеточные комплексы, но молекулярные механизмы МЕТ в физиологических условиях остаются неизвестными. Нгуен и др. продемонстрировали, что селективный ингибитор PD173074 рецептора 1 фактора роста фибробластов (FGFR1) ингибирует сигнальный путь MAPK , регулирующий активность белка AP-1 , что, в свою очередь, индуцирует развитие МЕТ. Исследование возможности использования ингибитора PD173074 в качестве лекарственного средства, проведенное на конкретных линиях опухолевых клеток, выявило выраженное подавление роста опухоли, миграционной способности и инвазии. При этом наблюдалось снижение экспрессии генов Snail и матриксной металлопротеиназы 3 , 10 , 12 и 13 и увеличение экспрессии гена Е-кадгерина.

Классификация типов инвазивного роста на примере рака молочной железы

Внутриопухолевая морфологическая гетерогенность при инвазивном раке молочной железы. Показано разнообразие инвазивного роста рака молочной железы, которое можно классифицировать по пяти основным морфологическим структурам: альвеолярным , трабекулярным , тубулярным, солидным структурам и дискретным группам опухолевых клеток. Окраска гематоксилином и эозином . Увеличение 200х.

Крахмаль и др. изучили особенности прогрессирования рака молочной железы в зависимости от внутриопухолевой гетерогенности. Обращено внимание на фенотипическое разнообразие первичной опухоли при инвазивном раке неспецифического типа, на долю которого приходится основная часть (80%) всех гистологических типов рака молочной железы.

Несмотря на структурное разнообразие первичной опухоли молочной железы, можно выделить пять основных типов морфологических структур: альвеолярные, трабекулярные, тубулярные и солидные структуры, а также дискретные группы опухолевых клеток. Альвеолярные структуры представляют собой скопления опухолевых клеток округлой или слегка неправильной формы. Морфология клеток, образующих этот тип структур, варьирует от мелких клеток с умеренной цитоплазмой и круглыми ядрами до крупных клеток с гиперхромными ядрами неправильной формы и умеренной цитоплазмой. Трабекулярные структуры представляют собой либо короткие линейные ассоциации, образованные одним рядом мелких, достаточно мономорфных клеток, либо широкие скопления клеток, состоящие из двух рядов клеток среднего размера с умеренной цитоплазмой и круглыми нормохромными или гиперхромными ядрами. Трубчатые структуры образованы одним или двумя рядами достаточно мономорфных клеток с круглыми нормохромными ядрами. Солидные структуры представляют собой поля различных размеров и формы, состоящие либо из мелких клеток с умеренной цитоплазмой и мономорфными ядрами, либо из крупных клеток с обильной цитоплазмой и полиморфными ядрами. Дискретные группы клеток встречаются в виде скоплений от одной до четырех клеток с различной морфологией.

Различная морфологическая структура опухолей молочной железы соответствует определенным типам инвазии. Таким образом, к морфологическим проявлениям коллективной миграции можно отнести альвеолярные, трабекулярные и солидные структуры, для которых характерно наличие межклеточных контактов, а к проявлениям индивидуальной миграции - дискретные группы опухолевых клеток. Первая партия данных, полученная при исследовании экспрессии генов клеточной адгезии, подтверждает эту гипотезу. Например, наблюдалось снижение активности генов кадгеринов, отвечающих за межклеточные контакты, в ряду: солидные – альвеолярные и трабекулярные структуры – дискретные группы опухолевых клеток. При этом количество экспрессируемых генов интегринов, участвующих в адгезии опухолевых клеток к внеклеточному матриксу, уменьшалось в ряду: солидные и альвеолярно-трабекулярные структуры-дискретные группы опухолевых клеток.

Типы инвазивного роста в прогрессировании опухоли и эффективность терапии

Инвазивный рост и развитие лекарственной устойчивости — взаимосвязанные процессы, играющие важную роль в прогрессировании опухоли, в частности в метастазировании. Вероятно, одни и те же сигнальные пути участвуют в миграции клеток и развитии резистентности опухоли к терапии.

Мигрирующие опухолевые клетки (независимо от типа перемещения) более устойчивы к химио- и лучевой терапии, чем неподвижные клетки. Во многом это связано с тем, что мигрирующие клетки временно теряют способность делиться. Это также связано с тем, что движущиеся опухолевые клетки проявляют повышенную активность антиапоптотических генов , что вызывает устойчивость к химиотерапевтическим препаратам, направленным на индукцию запрограммированной гибели клеток . Кроме того, известно, что клетки в состоянии ЕМТ также проявляют химиорезистентность . Эта лекарственная устойчивость обусловлена ​​индукцией во время ЕМТ синтеза белков семейства ABC , ответственных за выход химиотерапевтических препаратов из клетки. К основным транскрипционным факторам, запускающим ЕМТ и одновременно положительно регулирующим активность транспортеров ABC, относятся TWIST1, Snail и др.

Потенциально существует сильная связь между коллективной миграцией и устойчивостью к лучевой и химиотерапии. По данным исследований Крахмала и др., опухоли молочной железы, содержащие как альвеолярные, так и трабекулярные структуры, а также демонстрирующие значительное морфологическое разнообразие, характеризуются повышенной лекарственной устойчивостью. Вклад трабекулярных структур в химиорезистентность, вероятно, объясняется высокой активностью ABC-транспортеров в опухолевых клетках данного морфологического варианта. Напротив, резистентность опухолей молочной железы, содержащих альвеолярную структуру, объясняется другими, пока неустановленными причинами.

Инвазивный рост и его фенотипическое разнообразие связаны как напрямую, так и через развитие лекарственной устойчивости с метастазированием. Циркулирующие опухолевые клетки , ответственные за развитие будущих метастазов, возникают в результате инвазии и последующего проникновения опухолевых клеток в лимфатические или кровеносные сосуды. способность могут иметь не только одиночные мигрирующие опухолевые клетки, но и группы клеток Интравазационную . Существует предположение, что коллективная миграция гораздо чаще приводит к метастазированию, чем индивидуальная миграция. Исследования на животных моделях показали, что метастазы чаще образуются после внутривенного введения скоплений опухолей, а не отдельных опухолевых клеток. Кроме того, в крови пациентов с различными видами рака были обнаружены циркулирующие скопления опухолевых клеток. Было высказано предположение, что коллективная интравазация связана с VEGF -зависимым формированием расширенной сосудистой сети и накоплением интравазационных опухолевых кластеров. Более того, группы опухолевых клеток могут попадать в кровообращение через поврежденные сосуды или путем сотрудничества с клетками в состоянии ЕМТ и ассоциированными с раком фибробластами, которые разрушают внеклеточный матрикс, высвобождая протеазы. Метастазирование зависит от коллективной миграции. Например, наличие альвеолярных структур в опухолях у У больных раком молочной железы в постменопаузе ассоциирован с высокой частотой лимфогенного метастазирования, тогда как риск такого типа прогрессирования у женщин в пременопаузе увеличивается с увеличением количества различных типов морфологических структур. Последняя зависимость также носит количественный характер: лимфогенные метастазы чаще выявлялись при большем количестве альвеолярных структур в опухолях молочной железы. Кроме того, пациенты с альвеолярными структурами в опухолях имели низкую выживаемость без метастазов (собственные неопубликованные данные).

Связь между альвеолярными структурами, как одним из проявлений коллективной миграции, и скоростью лимфогенного и гематогенного метастазирования подтверждает следующие предположения. Клеточные элементы альвеолярных структур отличаются от опухолевых клеток других структур комплексом биологических свойств, определяющих метастатический фенотип. Взаимосвязь между альвеолярными структурами и лимфогенным метастазированием в период менопаузы позволяет предположить определенную роль эстрогенов, в том числе и их продукцию in situ , в том, что опухолевые клетки альвеолярных структур приобретают метастатический фенотип лимфогенным путем.

In situ против инвазивного

По степени инвазии рак можно классифицировать как рак in situ , когда злокачественные клетки присутствуют в виде опухоли, но не метастазировали или не проникли за пределы слоя или типа ткани, где они возникли. Например, рак эпителиального происхождения с такими особенностями называется карциномой in situ и определяется как не проникший за пределы базальной мембраны . Напротив, инвазивная карцинома проникает за пределы базальной мембраны. Как только это происходит, инвазивный фронт рака демонстрирует несколько молекулярных изменений, указывающих на повышенную склонность к дальнейшей инвазии и метастазированию.

Заключение

Миграция опухолевых клеток при инвазивном росте может происходить как по одиночным клеткам, так и по группам клеток. Такое разнообразие типов миграции клеток, вероятно, приводит к развитию внутриопухолевой гетерогенности, которая представлена, например, при раке молочной железы различными морфологическими структурами: альвеолярными, трабекулярными, солидными структурами и дискретными группами опухолевых клеток. Известен ряд биохимических и молекулярно-генетических механизмов, позволяющих злокачественным клеткам проникать в окружающие ткани и приобретать способность распространяться за пределы первичного очага опухоли, вызывая развитие вторичных метастатических очагов в отдаленных органах и тканях. Однако остаются неизученными вопросы, касающиеся возможной связи различных типов инвазивного клеточного роста с параметрами лимфогенного и гематогенного метастазирования, особенностей течения заболевания, а также эффективности выбранной терапии. Решение этих проблем могло бы помочь в определении прогноза заболевания и, возможно, в разработке новых подходов к ведению онкологических больных.

См. также

• Периневральная инвазия
• Метастазирование