Злокачественные новообразования возникают в результате неограниченной пролиферации клеточного клона, выходящего за пределы собственной ткани и способного к росту на территориях других тканей. При этом в силу высокой генетической изменчивости и селекции, происходящей под давлением со стороны организма, в популяции клеток такого клона постоянно возникают и отбираются все более и более автономные и агрессивные субклоны, что описывается термином опухолевая прогрессия. В результате довольно длительной эволюции неопластического клона формируется опухоль, способная убить организм. В последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс как в идентификации генов, нарушения функции которых ведут к развитию новообразований, так и в выяснении роли белковых продуктов таких генов в физиологии клетки. Все это позволило выделить ряд важнейших свойств, приобретение которых предопределяет способность клетки образовывать злокачественную опухоль (Рис.1).
Важнейшие свойства неопластической клетки, приобретаемые в ходе опухолевой прогрессии и обеспечивающие злокачественный рост. (Объяснения в тексте).
Во-первых, это пониженная потребность во внешних сигналах для инициации и поддержания клеточной пролиферации — так называемая самодостаточность в пролиферативных сигналах. Данное положение может быть проиллюстрировано двумя примерами (Рис. 2). При культивировании in vitro большинство типов нормальных клеток размножается лишь при условии, если питательная среда содержит 10-20% сыворотки, т.е. при довольно значительном содержании в ней различных ростовых факторов (Рис. 2А). Связывание ростовых факторов со своими рецепторами инициирует передачу сигналов внутри клетки, приводящую к репликации ДНК и делению клетки. Оказалось, что многие типы опухолевых клеток способны размножаться в среде с 1% и даже 0,1% сыворотки, т.е. при содержании ростовых факторов в десятки и сотни раз меньшем, чем необходимо для стимуляции размножения нормальных клеток. Такая пониженная потребность в растворимых ростовых факторах достигается изменениями в системах внутриклеточной сигнализации, которые либо вызывают секрецию необходимых факторов роста самими трансформированными клетками, либо резко увеличивают количество рецепторов для необходимых факторов роста, либо запускают в отсутствии ростового фактора каскад событий, аналогичный тому, который в норме инициируется связыванием ростового фактора со своим рецептором.
Другим примером пониженной потребности неопластических клеток во внешних пролиферативных сигналах является их так называемая независимость от субстрата (anchorage-independence) — Рис. 2Б. Большинство типов нормальных клеток способны размножаться лишь при условии их прикрепления к определенному внеклеточному матриксу. Например, фибробласты начинают делиться при взаимодействии с фибронектином. В ином случае пролиферативный стимул, исходящий от растворимых ростовых факторов, не вызывает полноценного каскада передачи внутриклеточных сигналов, необходимого для стимуляции размножения клеток. Многие типы опухолевых клеток, в отличие от их нормальных предшественников, способны пролиферировать, не прикрепляясь к субстрату, например, в полужидкой среде. Эти два примера показывают, что неопластические клетки приобретают способность генерировать внутри себя пролиферативные сигналы, в норме исходящие от внешних стимулов.
Вторым важнейшим приобретенным свойством неопластических клеток является их пониженная чувствительность к рост-ингибирующим сигналам. Как известно, в организме существует множество антипролиферативных сигналов, поддерживающих определенное число клеток в каждой из тканей. Такие сигналы генерируются как секретируемыми растворимыми факторами (цитокинами), так и взаимодействиями клеток с внеклеточным матриксом и друг с другом. Классическим примером здесь является так называемое контактное торможение размножения клеток в культурах in vitro. (Рис. 2В).
Нормальные клетки, например фибробласты, размножаются до тех пор, пока не возникнет плотный монослой и не установятся межклеточные контакты. В отличие от этого, трансформированные клетки при возникновении межклеточных контактов не останавливают свою пролиферацию, а продолжают делиться, наползать друг на друга и образовывать очаги многослойного роста.
А) Пониженная зависимость от факторов роста
Б) Способность размножаться без прикрепления к внеклеточному матриксу
В) Отсутствие контактного торможения размножения
Рис.2. Характерные признаки неопластических клеток in vitro (объяснения в тексте)
Наряду с этим, опухолевые клетки, как правило, значительно менее чувствительны к действию рост-ингибирующих цитокинов, факторов специфического и неспецифического противоопухолевого иммунитета, а кроме того, не останавливают свою пролиферацию при ДНК-повреждающих воздействиях или неблагоприятных условиях — недостатке пула нуклеотидов, гипоксии и т.д.
Читайте также: Болезни соединительных тканей презентация
Еще одним важнейшим свойством опухолевых клеток является отсутствие репликативного старения, или приобретение бессмертия (иммортализация). Как известно, существует механизм, ограничивающий число делений большинства типов зрелых клеток человека. Так, в культурах человеческих фибробластов in vitro после 60-80 делений (так называемое число Хейфлика) наблюдается необратимая остановка размножения клеток и их постепенная гибель. Между тем, чтобы образовать из одной клетки-родоначальницы сначала опухоль, а затем и метастазы, в условиях жесткого давления со стороны организма, когда многие опухолевые клетки погибают, может потребоваться большее число делений. И, действительно, в опухолевых клетках наблюдается нарушение работы такого «счетно-ограничительного» механизма контроля репликации.
Следующим важным свойством неопластических клеток является ослабление индукции в них апоптоза. Апоптоз представляет собой активный механизм клеточного самоубийства, поддерживающий в организме определенное число клеток и, кроме того, защищающий его от накопления аномальных клеточных вариантов. Он вызывается как физиологическими сигналами (связыванием специфических киллерных цитокинов со своими рецепторами), так и различными внутриклеточными повреждениями или неблагоприятными условиями, в частности нарушениями структуры ДНК, нехваткой ростовых факторов, гипоксией и т.д. Уход от апоптоза резко повышает жизнеспособность неопластической клетки, делает ее менее чувствительной к факторам противоопухолевого иммунитета и терапевтическим воздействиям.
К важнейшим приобретенным свойствам опухолевых клеток принадлежит и их способность стимулировать неоангиогенез, т.е. формировать новые кровеносные и лимфатические сосуды из эндотелиальных клеток предсуществующих окружающих мелких сосудов. Это необходимое условие для дальнейшего роста опухолевого узелка, достигшего в диаметре 2-4 мм. В ином случае клетки в центре опухоли, не получая кислород и питательные вещества, будут погибать.
Важнейшим свойством опухолевых клеток являются и изменения морфологии и движения клеток. В основе морфологических нарушений лежат взаимосвязанные между собой изменения цитоскелета, адгезионных взаимодействий клеток друг с другом и с внеклеточным матриксом. Вкратце, они выражаются в нарушении формирования фокальных контактов и ухудшении прикрепления клеток к внеклеточному матриксу, дезорганизации системы актиновых микрофиламентов. Это приводит к изменениям активности псевдоподий и подвижности. В целом, наблюдаемая картина напоминает изменения, возникающие в нормальных клетках при действии мотогенных цитокинов — факторов, стимулирующих миграцию клеток. Однако так называемый локомоторный фенотип в неопластических клетках, как правило, сильно утрирован, что позволяет различать по морфологии опухолевую клетку от движущейся нормальной клетки. Необходимо подчеркнуть, что именно эти нарушения, вместе с некоторыми другими свойствами, в частности способностью секретировать протеолитические энзимы, предопределяют приобретение неопластическими клетками двух свойств, лежащих в основе злокачественного роста: способность к инвазии, т.е. проникновению в окружающие здоровые ткани, и сопряженную с ней способность к метастазированию — образованию вторичных очагов опухолевого роста. Метастазирование — наиболее опасное проявление опухолевой прогрессии, являющееся основной причиной смерти онкологических больных. Чтобы дать метастаз клетка должна приобрести ряд свойств: умение проникать в глубину окружающих нормальных тканей, в том числе в кровеносные или лимфатические сосуды; способность выживать после попадания в сосуды, а затем — выходить из них и размножаться в несвойственном для данного типа клеток микроокружении, давая новый очаг опухолевого роста. Таким образом, способность к метастазированию складывается из комплекса более простых признаков, таких как приобретение локомоторного фенотипа, способности стимулировать образование новых кровеносных и лимфатических сосудов, создавая тем самым пути эвакуации опухолевых клеток из первичного очага, возникновение независимости от субстрата, подавление апоптоза и т.д. Появление каждого из этих свойств увеличивает метастатический потенциал клетки.
Для многих опухолевых клеток характерны и нарушения клеточной дифференцировки, т.е. образования специализированных типов клеток, синтезирующих специфические белки. Особенно ярко это проявляется в гемобластозах, новообразованиях из кроветворных тканей, при которых их клетки оказываются как бы замороженными на той или иной стадии созревания. Общепринятым является представление, согласно которому меньшая зрелость лейкозных клеток является не следствием дедифференцировки зрелых клеток, претерпевших неопластическую трансформацию, а отражает их происхождение из незрелых клеток, в которых блокированы процессы дальнейшей дифференцировки. Следует заметить, однако, что это свойство не является универсальным: во многих типах опухолей наблюдается сохранение способности к дифференцировке, причем в отличие от лейкозов созревание клеток не препятствует приобретению злокачественного фенотипа. Примерами этого могут служить плоскоклеточный ороговевающий рак кожи и высокодифференцированные аденокарциномы толстой кишки, происходящие из незрелых клеток, которые сначала несколько раз делятся, а затем дифференцируются (Рис. 3).
Читайте также: Плотный отек мягких тканей
Происхождение из незрелых клеток не противоречит представлению о том, что опухолевые клетки в ходе прогрессии могут претерпевать определенную дедифференцировку, утрачивая в первую очередь те дифференцировочные белки, отсутствие которых придает клеткам селективные преимущества (например, рецепторы стероидных гормонов в раках молочной железы и т.д.).
Рис.3. Модели, объясняющие происхождение новообразований из незрелых клеток определенной стадии дифференцировки, в которых либо сохранена (внизу слева), либо блокирована (внизу справа) способность к дальнейшему созреванию.
И, наконец, важнейшим признаком неопластических клеток является их генетическая нестабильность. Очевидно, что канцерогенез — многоступенчатый процесс накопления мутаций и других генетических изменений, приводящих к нарушениям регуляции размножения и миграции клеток, понижению их чувствительности к различным рост-супрессирующим сигналам, ослаблению индукции в них апоптоза, блокированию дифференцировки и т.д. Вероятность возникновения в одной клетке нескольких генетических изменений, придающих совокупность вышеуказанных свойств, резко повышается при нарушениях работы систем, поддерживающих целостность генома. Поэтому мутации, ведущие к генетической нестабильности, также являются неотъемлемым этапом опухолевой прогрессии. Генетическая нестабильность неопластических клеток базируется на уменьшении точности воспроизведения генетического аппарата, нарушениях механизмов репарации ДНК и изменениях регуляции клеточного цикла в поврежденных клетках. Это, вместе с уходом от апоптоза, позволяющим генетически измененным клеткам выживать, делает популяции опухолевых клеток высоко изменчивыми, создает основу для постоянного возникновения и отбора все более и более злокачественных вариантов. Таким образом, генетическая нестабильность является двигателем неуклонной опухолевой прогрессии.
20. Биологические особенности опухолевого роста: беспредельность роста, лимит деления, контактное торможение. Морфологические, функциональные, биохимические и антигенные особенности опухолевой ткани.
Беспредельность роста – это избыточность пролиферации опухолевых клеток. У опухолевых клеток понижено свойство контактного торможения, отсутствует предел клеточного деления.
Утрата контактного торможения деления (подавление пролиферации клеток при их контакте друг с другом). Нормальные клетки в культуре тканей растут монослоем (т.е. по достижении определенной плотности клеток и контакте их друг с другом, деление клеток прекращается). Опухолевые клетки в культуре тканей образуют многослойные беспорядочные культуры. В норме в процессе межклеточного взаимодействия осуществляется контактное торможение роста клеток: во время пролиферации дальнейшее деление клетки тормозится соседними. В опухоли контактное торможение клеток заблокировано.
Отсутствие предела клеточного деления. Нормальные клетки имеют генетически ограниченное число делений («лимит Хейфлика»), после чего включается программа их естественной гибели – апоптоз. В нормальных клетках за программу апоптоза отвечают гены-супрессоры клеточного деления – антионкогены (например, р53). В опухолевых клетках антионкогены инактивированы, поэтому программа апоптоза не включается. В результате опухолевые клетки не гибнут, становятся иммортализованными(«бессмертными»), что в условиях неограниченного числа клеточных делений обусловливает прогрессирующее увеличение количества клеток в ткани.
Беспредельность роста обеспечивается также растормаживанием пролиферации за счет увеличения продукции факторов роста, что опосредуется активацией в опухолевых клеткахпротоонкогенов – генов, кодирующих ростовые факторы. Опухолевая клетка осуществляет аутокринную регуляцию своей жизнедеятельности путем самостоятельной продукции и активной рецепции факторов роста. Таким образом, под влиянием генетического сигнала опухолевая клетка сама может стимулировать свое собственное размножение, продуцируя митогены (факторы роста) и их рецепторы.
Читайте также: Что означает ткань неэластичный
Морфологические особенности опухолевой клетки. Опухоль может развиваться из всех клеток любой ткани организма. Они имеют органоидное строение: паренхиму и строму. Паренхима составляет основную массу опухоли, определяет ее свойства. Строение клеток паренхимы опухоли может сохранять структуру исходных клеток настолько, что их сложно отличить. Строму опухоли составляют соединительная ткань, сосуды, нервы. Клетки опухолевой ткани чаще чем нормальной ткани отличаются между собой по форме, размерам, соотношениям массы ядра и цитоплазмы и рядом других морфологических особенностей, которые детально изучаются в курсе патологической анатомии.
Биохимические особенности опухолевой клетки. Опухолевая клетка отличается от нормальной своим химическим составом. В ней повышено содержание воды, калия водорода, холестерина, снижен уровень кальция, магния, железа. Вследствие повышения количества воды и ионов водорода возрастает электропроводимость опухолевой ткани. Повышается отрицательный заряд мембраны опухолевой клетки, что связано с увеличением количества электроотрицательных радикалов нейраминовой кислоты на внешней поверхности мембраны. В опухолевой ткани снижено тканевое дыхание (окисление) и повышен анаэробный и аэробный гликолиз, при этом даже в аэробных условиях преобладает анаэробный гликолиз (негативный эффект Пастера). Это обусловлено снижением активности ферментов аэробного гликолиза – гексокиназы, фосфофрукткиназы, пируваткиназы, и повышением активности ферментов анаэробного гликолиза – дегидрогеназы, гексозофосфатизомеразы; активность ферментов, которые угнетают гликолиз (глюкозо-6-фосфатаза) резко снижается. Вследствие этого повышается анаэробный гликолиз, что ведет к накоплению в большом количестве молочной кислоты (в опухолевой клетке молочной кислоты в 20 раз больше, чем в миозитах в состоянии покоя, и в 8 раз больше , чем в состоянии активности). Этим можно объяснить явление базофилии опухолевой клетки – синее окрашивание гематоксилином. Вследствие преобладания анаэробного и аэробного гликолиза повышается потребность опухолевой клетки в глюкозе, в крови наблюдается гипогликемия. Именно поэтому опухолевую клетку называют «ловушкой» для глюкозы. В опухолевой клетке останавливается синтез структурных белков, ферментов, которые предназначены для исполнения специфической функции. Повышается синтез ДНК и белков митотического аппарата, что обусловливает резкое повышение скорости деления опухолевых клеток. Повышается синтез нуклеиновых аминокислот вследствие изменения набора ДНК-полимераз: снижение активности ДНК-полимеразы-3, которая использует только нативную матрицу ДНК, и увеличение активности ДНК-полимеразы-2, которая может использовать не только нативную матрицу ДНК, но и денатурированную. Изменяется также и метаболизм белков – снижается способность опухолевых клеток к переаминированию и дезаминированию аминокислот, что способствует накоплению в опухоли аминокислот, которые необходимы для поддержания роста. Также увеличивается захват аминокислот из крови, вследствие чего окружающие нормальные клетки теряют аминокислоты. В опухолевой клетке снижается синтез некоторых аминокислот, например, аспарагиновой кислоты. Интенсивный аэробный и анаэробный гликолиз ведет к образованию большого количества низкомолекулярных веществ, которые используются для синтеза аминокислот и нуклеотидов
Физиологические особенности опухолевой клетки. В опухоли в значительной степени изменяется и физиология клеток. Одним из этих изменений является потеря опухолевыми клетками контактного торможения. В культуре нормальной ткани при тесном контакте между клетками рост и размножение угнетаются. Опухолевые клетки, не зависимо от тесного контакта между собой, продолжают расти и размножаться, при этом образовывая многослойные участки. Считают, что в основе этого явления лежит изменение структуры цитоскелета – фосфорилирования белков цитоскелета, повышение негативного заряда клетки вследствие уменьшения количества электроотрицательных радикалов нейроаминовой кислоты в мембране клеток. Все это обусловливает потерю контактного торможения клеточного деления. Антигенный атипизм опухоли проявляется в том, что она содержит ряд свойственных только ей антигенов. Среди опухолевых антигенов различают:
1) антигены вирусных опухолей;
2) антигены опухолей, вызванных канцерогенами;
3) изоантигены трансплантационного типа;
5) гетероорганные антигены.
Антигены вирусных опухолей детерминированы вирусным геномом ДНК и РНК-содержащих вирусов, но принадлежат опухолевой клетке. Это ядерные и мембранные антигены, которые идентичны для любых опухолей, вызванных данным вирусом.