Инвазия — это процесс, посредством которого раковые клетки напрямую распространяются и проникают в соседние ткани при раке . [1] Обычно его отличают от метастазирования , которое представляет собой распространение раковых клеток через кровеносную или лимфатическую систему в более отдаленные места. Тем не менее, лимфоваскулярная инвазия обычно является первым шагом метастазирования.
Существуют два основных типа 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 тип миграции клеток имеет отличительные морфологические особенности и регулируется определенными биохимическими и молекулярно-генетическими механизмами.
Два типа мигрирующих опухолевых клеток, мезенхимальные (фибробластоподобные) и амебоидные , можно наблюдать в различных моделях инвазии раковых клеток. В данной статье описываются ключевые различия между вариантами миграции раковых клеток, роль эпителиально-мезенхимальных и родственных им переходов, а также значение различных опухолевых факторов и стромальных молекул в инвазии опухолей. Морфологические проявления моделей инвазии характеризуются разнообразием тканевых (опухолевых) структур. [2]
Результаты многочисленных экспериментальных и клинических исследований злокачественных новообразований показали, что инвазивный рост и метастазирование являются основными проявлениями прогрессирования опухоли , которые представляют собой два тесно связанных процесса. [2]
Злокачественная опухоль определяется ее способностью инициировать биологическое явление, известное как метастатический каскад, сложный многоступенчатый процесс, в 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 образованием метастатических очагов — включает несколько стадий, прохождение которых строго необходимо для успешного развития и последующего прогрессирования роста опухоли: интравазация , выживание и присутствие в системном кровотоке, экстравазация с последующей колонизацией органов опухолевыми клетками и образование клинически обнаруживаемых метастазов. Рост опухоли сопровождается увеличением давления на окружающие внеклеточные матричные структуры, тогда как тканевое микроокружение стремится сохранить свою функционально-анатомическую целостность за счет увеличения давления на опухолевые клетки. Факторами, ограничивающими рост злокачественных новообразований, являются базальная мембрана и различные компоненты окружающей стромы, повышенное интерстициальное давление, ограниченное снабжение опухолевых клеток кислородом и выработка активных форм кислорода , а также постоянный контакт с клетками иммунной системы. Из-за внутриопухолевой гетерогенности некоторые опухолевые клетки могут подвергаться регрессии и гибели , в то время как другие, устойчивые к противодействующим факторам микросреды, приобретают агрессивный фенотип и способность к метастазированию. [2]
Инвазивный рост опухоли возможен благодаря отделению злокачественных клеток от опухолевой массы за счет снижения или полной потери межклеточных адгезионных молекул . Это позволяет клеткам приобретать аномально высокую подвижность, что позволяет им проникать через жесткие структурные элементы окружающей стромы.
Процесс, при котором эпителиальные клетки теряют свою клеточную полярность и межклеточную адгезию и приобретают миграционные и инвазивные свойства, чтобы стать мезенхимальными стволовыми клетками, называется эпителиально-мезенхимальным переходом (ЭМП). ЭМП являются нормальной особенностью различных биологических процессов, таких как эмбриогенез и заживление ран . Однако в контексте метастазирования они облегчают вторжение опухолевых клеток в другие области тела. [2]
Опухолевые клетки обладают способностью воспроизводить механизмы и паттерны миграции, которые обычно наблюдаются 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 перестроить близлежащие ткани, чтобы сформировать пути для миграции. Однако опухолевые клетки, в отличие от нормальных клеток, не имеют физиологических «стоп-сигналов» для прекращения этих процессов. Это приводит к установлению механизмов миграции и способствует прогрессированию и распространению опухоли. [2]
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 распространение раковых клеток во время прогрессирования опухоли и метастазирования. [2]
Наряду с миграцией отдельных клеток может происходить коллективная миграция клеток , когда группы прочно связанных между собой опухолевых клеток мигрируют вместе. Этот тип миграции указывает на перестройку тканей, лежит в основе процессов эмбрионального морфогенеза , а также является существенным компонентом заживления раневых поверхностей. [2]
Таким образом, злокачественные опухолевые клетки используют механизмы как коллективной, так и одиночной клеточной миграции в качестве физиологических прототипов в процессе инвазивного роста и метастазирования. [2]
На основе специфических морфологических и молекулярно-генетических параметров различают два различных типа инвазивного роста: миграция отдельных клеток и коллективная миграция клеток . Тип миграции в основном зависит от характеристик микросреды ткани и молекулярных изменений внутри опухолевых клеток.
Определение механизма инвазии, используемого отдельными мигрирующими клетками во время миграции, является сложной задачей. До 2015 года исследования, изучающие это на молекулярном и морфологическом уровнях, были немногочисленны и в основном проводились in vitro с использованием определенных клеточных линий. [2]
Однако в дальнейшем наблюдается рост числа исследований, демонстрирующих интерес к молекулярно-генетическим особенностям опухолевых клеток, определяющим основные различия между мезенхимальным и амебоидным типами движения клеток при индивидуальной миграции, а также при коллективной миграции. [2]
Коллективная миграция характеризуется миграцией целых групп клеток, связанных между собой молекулами адгезии и другими коммуникационными соединениями . Это главная особенность этого типа вторжения, поскольку в основе клеточных механизмов лежат те же процессы, которые в значительной степени определяют миграцию отдельных клеток. [2]
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 . [2]
При коллективной миграции раковые клетки, входящие в состав опухолевой массы или отсоединяющиеся 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 свидетельствует о большом разнообразии структурных элементов, участвующих в инвазии опухоли. [2]
Коллективная миграция характеризуется миграцией целых групп клеток, соединенных между собой кадгеринами и межклеточными щелевыми контактами. Движущаяся группа клеток имеет «ведущий край» или «ведущий фронт», который использует интегрины и протеазы. Существуют наблюдаемые различия в экспрессии генов и морфологии между «лидерными» клетками, образующими передний край, и «последователями», которые расположены за ними, на «заднем крае». [2] Форма клеток «лидеров» часто напоминает мезенхимальные клетки и характеризуется менее выраженным упорядочением и структурной организацией, в то время как «последователи» имеют тенденцию образовывать более плотно упакованные, розеткообразные трубчатые структуры с плотными межклеточными контактами. [2]
В случае коллективной миграции опухолевые клетки образуют выступы ( 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 широко вовлекая в процесс актин-миозиновый сократительный аппарат для обеспечения успешной миграции. [2]
Различия в полярности коллективно мигрирующих групп клеток обусловлены экспрессией поверхностных рецепторов, таких как рецепторы хемокинов CXCR4 и CXCR7 , в «лидерных» клетках. Факторы роста и хемокины, продуцируемые стромальными клетками , образуют градиент диффузии и вызывают поляризацию клеток. Участие хемокинов, таких как SDF1 (CXCL12), фактор роста фибробластов (FGF) и трансформирующий фактор роста β (TGF-β), в этих процессах обсуждалось в литературе. [2]
Участие TGF-β в канцерогенезе двоякое. TGF-β, который действует в эпителиальных клетках молочной железы как мощный супрессор опухолей 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 между опухолью и стромой, что способствует коллективной миграции клеток при раке молочной железы. [2]
Установлено, что лидерные клетки экспрессируют подопланин , трансмембранный гликопротеин, который в нормальных условиях экспрессируется в подоцитах почек , альвеолярных клетках 1-го типа , клетках скелетных мышц, плаценте и т. д. Экспрессия подопланина в клетках рака молочной железы вызывает миграцию и инвазию клеток с образованием филоподий и одновременным сохранением экспрессии E-кадгерина. [2]
Коллективно мигрирующие раковые клетки потенциально могут использовать способность соседних мезенхимальных клеток изменять структуру матрикса и перестраивать его, а затем следовать по их «следам». В экспериментах in vitro введение фибробластов в культуру вызывает коллективную миграцию опухолевых клеток в лежащую под ними матрицу в виде цепочек. Таким образом, фибробласты направляют вторгающиеся опухолевые клетки, ремоделируя окружающий внеклеточный матрикс в пути с толстыми коллагеновыми пучками по бокам и отсутствием матрикса в центре. [2]
LIM-киназа , фермент, субстрат которого стабилизирует актин, играет роль в коллективной миграции опухолевых клеток. Известно, что этот белок участвует в регуляции развития инвадоподий , которые являются структурами, типичными для злокачественных опухолевых клеток и ответственными 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 потери способности разрушать внеклеточный матрикс. [2]
Инвазия отдельных клеток отличается тем, что отдельные опухолевые клетки проникают в окружающие ткани независимо друг от друга. При этом типе инвазии опухолей миграция отдельных клеток может происходить посредством двух различных типов движения: мезенхимального и амебоидного. Эти типы движения очень пластичны и могут переходить от одного типа миграции к другому (от мезенхимального к амебоидному и наоборот). Эти переходы обычно происходят при изменении активности определенных молекул клетки, когда опухолевые клетки должны адаптироваться к особенностям микросреды. [2]
Мезенхимальные механизмы инвазивного роста клеток, в отличие от амебоидного типа миграции, характеризуются протеканием более сложных процессов и вовлечением большего числа клеточных молекул. [2]
Этот тип миграции типичен для кератиноцитов во время репаративной регенерации, эндотелиоцитов, гладкомышечных клеток и фибробластов . Поскольку злокачественные клетки, использующие движение мезенхимального типа, теряют свою эпителиальную полярность и принимают удлиненную веретенообразную форму, напоминающую форму фибробластов, этот тип инвазии также называют «фибробластоподобной» миграцией. Мезенхимальная инвазия была обнаружена во время развития меланомы , фибросаркомы , глиобластомы и других злокачественных новообразований. [2]
Известно, что большинство раковых клеток, которые отделяются от опухолевой массы и проникают в окружающие ткани, претерпевают определенные изменения, приобретая морфологические свойства и фенотип, типичные для мезенхимальных клеток. Такая трансформация злокачественной эпителиальной клетки, связанная с появлением у клетки новых молекулярных и морфологических особенностей, называется эпителиально-мезенхимальным переходом (ЭМП). Считается, что мезенхимальный механизм инвазии является следствием ЭМП, когда происходит активная дедифференциация злокачественной эпителиальной опухоли, и многоклеточные группы начинают делиться на отдельные опухолевые клетки, приобретая мезенхимальный фенотип. [2]
Опухолевые клетки при мезенхимальном типе миграции проходят ряд специфических последовательных этапов, составляющих пятиэтапную модель миграции. Этот цикл включает следующие изменения: 1) формирование на одном из полюсов клетки выступов – ламеллиподий или филоподий, образующихся в результате сокращений актинового цитоскелета под контролем малых ГТФаз Rac1 и Cdc42 с быстрым участием 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 опосредованные интегринами взаимодействия, и активация протеолитических ферментов (матриксных металлопротеиназ, сериновых и треониновых протеаз , катепсинов ) на границе «клетка-матрикс», что приводит к разрушению и ремоделированию окружающего внеклеточного матрикса; 4) изменение поляризации актинового цитоскелета под контролем миозина II , возникновение сокращений тела клетки; и 5) «подтягивание» заднего края к движению через вновь образованные дефекты в структуре матрицы. Поскольку клетки, использующие фибробластоподобный механизм инвазии, следуют описанным этапам миграции, скорость их движения невелика: около 0,1– мкм/мин. [2]
Возможность протеолиза и ремоделирования тканевых структур объясняет тот факт, что мезенхимальное перемещение опухолевой клетки сопровождается более незначительными, по сравнению с амебоидной миграцией, изменениями формы клетки и минимальной деформацией ядра.
При мезенхимальной миграции опухолевые клетки демонстрируют 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 перемещаться через ткани более эффективно, сохраняя при этом их общую целостность. С другой стороны, амебоидная миграция характеризуется более округлой и гибкой формой клеток с более высокой степенью деформации как клетки, так и ядра. Это часто происходит, когда клеткам необходимо протиснуться через узкие пространства в тканях.
Поведение опухолевых клеток при 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 со стромальными элементами. [2]
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 (семейств β1 и β3), протеолиз с разрушением и последующим ремоделированием тканей с образованием дефектов в структуре матрикса, перемещение одиночной клетки или клеточных цепочек через дефекты. Деформация ядра минимальна, наблюдается медленная скорость миграции клеток. [2]
На основе подавления экспрессии соответствующих генов с использованием малых интерферирующих РНК было показано, что специфическая активность ГТФаз Rac1 и Cdc42 является характерной чертой мезенхимального типа инвазии. Подавление ГТФазы Rac1 посредством сигнальной активации ГТФазы RhoA и ее эффектора, киназы ROCK , приводит к блокировке мезенхимальной миграции опухолевых клеток. [2]
Амебоидный механизм инвазивного роста является наиболее примитивным и в то же время наиболее эффективным способом миграции одиночных опухолевых клеток. По всем своим признакам он похож на поведение и движение одноклеточного организма, например, амебы Dictyostelium discoideum . [2]
Использование в клинических испытаниях антител, блокирующих интегрины или ингибиторов протеаз, приводит к появлению опухолевых клеток с амебоидным типом миграции. Аналогичные результаты 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 только 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 на амебоидный механизм инвазии, который становится единственным и наиболее эффективным способом миграции. [2]
Этот тип миграции был описан в циркулирующих стволовых клетках, лейкоцитах и некоторых типах опухолевых клеток. Согласно Zijl et al., амебоидный тип инвазивного роста наблюдался при раке груди, лимфоме, мелкоклеточном раке легких, раке простаты и меланоме. [2]
В случае амебоидной миграции было показано, что злокачественные опухолевые клетки имеют круглую или эллиптическую форму. Амебоидные клетки характеризуются быстрой деформируемостью, адаптацией своих форм к существующим структурам окружающего внеклеточного матрикса и проникновением через них через узкие пространства в сжатом виде. Перемещение и перемещение осуществляются посредством последовательных высокоскоростных циклов расширения и сжатия тела клетки с образованием «пузырьковых» выпячиваний клеточной мембраны. Эти пузырьки позволяют клетке исследовать микроокружение, чтобы найти наиболее подходящий путь движения для обхода различных препятствий, благодаря чему опухолевые клетки способны перемещаться через узкие щели во внеклеточном матриксе. Развивающиеся изменения формы клетки 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, члены которого играют ключевые роли в амебоидном типе инвазии, поскольку они участвуют в передаче сигнала и, тем самым, в регуляции широкого спектра процессов, происходящих в клетке, включая реорганизацию актинового цитоскелета во время миграции. [2]
Миграция по амебоидному механизму инвазии сопровождается изменениями не только формы клетки, но и формы ядра, его ориентации и положения относительно других внутренних органелл. Ядро, являясь самой крупной органеллой и более жесткой, чем окружающий цитоскелет, механически прочно стабилизировано обширной сетью структурных белков. По этой причине его форма, как правило, 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 в этом случае также находится в максимально сжатом состоянии. Подобно амебоидному движению лейкоцитов, ядра внутри одиночных мигрирующих опухолевых клеток движутся вперед к переднему краю. [2]
В отличие от мезенхимального движения, амебоидная или непротеолитическая модель миграции преобладает, когда окружающий матрикс характеризуется относительно низкой жесткостью («мягкий» матрикс). Например, амебоидная миграция опухолевых клеток в лимфатической и кровеносной системах рассматривается как миграция в мягком матриксе. [2]
Кондеелис и Сегалл выяснили некоторые особенности миграции клеток на примере двух различных линий опухолей MTC и MTLn3 в условиях in vitro и in vivo. Клетки MTLn3, имеющие высокий метастатический потенциал и мигрирующие, вероятно, по амебоидному механизму инвазивного роста, характеризуются более высоким уровнем экспрессии рецепторов эпидермального фактора роста (EGFR), чем клетки MTC с низким метастатическим потенциалом. Их миграция связана с наличием кровеносных сосудов и коллагенсодержащих волокон в окружающем матриксе. Считается, что хемотаксис опухолевых клеток по направлению к кровеносным сосудам опосредуется сигнальными путями EGFR. [2]
Амебоидный механизм инвазии имеет ряд отличительных особенностей. Он характеризуется слабым взаимодействием клеток с окружающим матриксом, а также отсутствием или слабыми фокальными контактами. Существует возможность сохранения быстрой и нефокальной сборки рецепторов в местах контактов клеток с внеклеточным субстратом. Интегрины не важны при этом типе инвазивного роста. Важными аспектами являются отсутствие протеолиза в местах взаимодействия клеток с матриксом и отсутствие экспрессии протеолитических ферментов, разрушающих внеклеточный матрикс. Исследования in vitro показали, что при амебоидном типе инвазивного роста, вероятно, именно благодаря этим свойствам опухолевые клетки способны двигаться с самой высокой скоростью в культурах (20 мкм/мин). [2]
Существует некоторая степень пластичности и возможность «перехода» от одного типа миграции к другому (от мезенхимального типа к амебоидному и наоборот) при инвазии отдельных клеток. Эти события обусловлены возникновением изменений в активности определенных молекул клетки и необходимостью адаптации к условиям микросреды ткани. [2]
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 интегриновых рецепторов 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, отсутствие этого белка в условиях in vitro вызывает мезенхимально-амебоидный переход в клетках в трехмерной матрице. [2]
Существует возможность амебоидно-мезенхимального перехода, который является обратным процессом к мезенхимально-амебоидному переходу. Существует гипотеза, согласно которой механизм амебоидно-мезенхимального перехода, скорее всего, опирается на ту же молекулярную основу, и что единственным надежным процессом, определяющим возможность описанной трансформации, является дисбаланс активности членов малого семейства ГТФаз и преобладание активности Rac над активностью RhoA. [2]
Опухолевые клетки в пределах одной опухоли могут одновременно перемещаться как коллективно, так и по отдельности. При этом переход от индивидуальной миграции к коллективной является важным шагом на пути к повышению инвазивного и метастатического потенциала злокачественных новообразований. Например, клетки опухоли молочной железы, оторвавшиеся от солидной массы, приобретают способность инвазировать лимфатические сосуды. В настоящее время различают два механизма: эпителиально-мезенхимальный и коллективно-амебоидный переходы , посредством которых образуются индивидуально мигрирующие опухолевые клетки. В свою очередь, последние, в частности клетки, претерпевшие ЭПТ, способны при определенных условиях приобретать эпителиальный фенотип и формировать опухолевые многоклеточные комплексы. Такая инверсия фенотипа называется «мезенхимально-эпителиальным переходом» [2] .
Эпителиально-мезенхимальный переход — это механизм, в ходе которого опухолевая клетка отделяется от эпителиального слоя и приобретает подвижность, «локомоторный фенотип», что способствует инвазивному росту и метастазированию. Развитие этого процесса как ключевого фактора прогрессирования рака было показано in vitro с использованием определенных линий опухолей, а также экспериментальных моделей; однако установление развития ЭПТ и идентификация опухолевых клеток и их основных характеристик в условиях in vivo является сложной задачей. [2]
ЭМП являются основой многих процессов морфогенеза. Считается, что в нормальных условиях (во время эмбриогенеза) ЭМП могут быть индуцированы 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 системы малых ГТФаз ( Cdc42 , Rac , RhoA , RhoC ), регулирующих интенсивность полимеризации актиновых микрофиламентов и сократимость актин-миозиновых нитей, что определяет интенсивность образования ламеллоподий и натяжение прикрепленной к матриксу клетки. При этом происходит значительная перестройка всего актин-миозинового цитоскелета и утрата межклеточных контактов E-кадгерина. В ходе канцерогенеза эпителиальные клетки подвергаются морфологической трансформации, которая фенотипически похожа на ЭПТ, но развивается в отсутствие соответствующего лиганда HGF. Эта трансформация в злокачественных опухолях может быть вызвана трансфекцией различных онкогенов . В ходе трансформации опухолевые клетки могут покидать эпителиальный слой и двигаться подобно фибробластам , тем самым приобретая способность к вторжению и метастазированию. [2]
В ходе ЭПТ происходят следующие события: злокачественные эпителиальные клетки теряют апикально-базальную полярность из-за нарушения плотных межклеточных соединений и потери молекул клеточной адгезии (таких как Е-кадгерин и интегрины); актиновый цитоскелет клеток изменяется и подвергается ремоделированию с образованием стрессовых волокон , которые собираются в определенных частях 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. [2]
Было обнаружено, что ЭМП редко одинаково выражен во всей опухолевой ткани. Скорее всего, этот процесс характеризуется различной интенсивностью перехода клеток из эпителиального в мезенхимальный фенотип. В этой связи можно описать «частичный ЭМП», в котором участвует большинство клеток инвазивного фронта. Частичный ЭМП — это состояние, при котором клетки уже приобрели свойства, необходимые для успешной миграции, но продолжают сохранять межклеточные контакты. Этот фенотип был назван гибридным «эпителиально-мезенхимальным» фенотипом и был связан с признаками, характерными для коллективно мигрирующих опухолевых клеток. [2]
Таддеи и др. указали, что ЭПТ развивается из-за индукции программ, связанных с активацией ключевых факторов транскрипции, таких как TWIST1 , Snail , Slug и ZEB1 / 2 . Это приводит к нарушению прочных кадгериновых соединений и активации полярной миграции клеток и протеолиза компонентов внеклеточного матрикса различными секретируемыми протеазами, при этом функции рецепторов интегрина сохраняются. Экспериментально установлена роль фактора транскрипции Prrx1 , определяющего потенциал клеток рака молочной железы к инвазивному росту. [2]
Было показано, что белки ZEB1 и ZEB2 с доменом цинкового пальца способны напрямую связываться с промоторами, тем самым индуцируя экспрессию генов мезенхимальных маркеров и подавляя экспрессию E-кадгерина и других эпителиальных маркеров. [2]
Аналогично, Snail и Slug способны подавлять экспрессию гена E-cadherin посредством прямого связывания с его промотором , а также продукцию эпителиальных белков, таких как десмоплакин и клаудин , и активировать экспрессию виментина и матриксных металлопротеиназ , тем самым увеличивая миграцию клеток. Группа исследователей под руководством Санчес-Тилло обнаружила, что фактор транскрипции 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. [2]
Экспериментальные данные указывают на потенциальное существование коллективно-амебоидного перехода, когда опухолевые массы, вторгающиеся в окружающие ткани в виде коллективных многоклеточных групп, диссоциируют на отдельные мигрирующие клетки, использующие амебоидное движение. Было показано, что это событие становится возможным при использовании ингибиторов интегриновых рецепторов семейства β1, поскольку эти молекулы играют ключевую роль как в формировании межклеточных контактов, так и во взаимодействиях опухолевых клеток с окружающими тканевыми компонентами. [2]
По состоянию на 2015 год не было исследований, посвященных изучению механизмов, лежащих в основе мезенхимально-эпителиального перехода (МЭП). Однако возможность такого явления признается. При этом говорится, что часто, например, при раке молочной железы и простаты, структура ткани в отдаленных метастатических очагах похожа на структуру первичной опухоли . По мнению Фридля и Гилмора, на основании этих данных можно сделать несколько предположений. Во-первых, инвазия и метастазирование могут происходить без ЭП. Во-вторых, обнаружение единичных диссеминированных клеток во время рутинного патологического исследования образцов опухолевой ткани представляется довольно сложной задачей, а идентификация этих клеток во время ЭП невозможна. И, в-третьих, опухолевые клетки временно используют механизмы ЭП для интравазации и распространения в отдаленные органы и ткани, где они возвращаются к эпителиальному фенотипу. Эта трансформация описывается как мезенхимально-эпителиальный переход. МЭП был вызван экспериментально, и индивидуально движущиеся клетки образовывали многоклеточные комплексы, но молекулярные механизмы МЭП в физиологических условиях остаются неизвестными. Нгуен и др. продемонстрировали, что селективный ингибитор PD173074 рецептора фактора роста фибробластов 1 (FGFR1) ингибирует сигнальный путь MAPK , регулирующий активность белка AP-1 , который, в свою очередь, индуцирует развитие МЭТ. Исследование возможности использования ингибитора PD173074 в качестве лекарственного средства, проведенное на определенных линиях опухолевых клеток, выявило отчетливое 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 E-кадгерина. [2]
Krakhmal et al. изучали особенности прогрессирования рака молочной железы в зависимости от внутриопухолевой гетерогенности. Было уделено внимание фенотипическому разнообразию первичной опухоли при инвазивной карциноме неспецифического типа, которая составляет основную массу (80%) всех гистологических типов рака молочной железы. [2]
Несмотря на структурное разнообразие первичной опухоли молочной железы, можно выделить пять основных типов морфологических структур: альвеолярные, трабекулярные, трубчатые 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, варьируется 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, довольно мономорфных клеток, либо широкие клеточные скопления, состоящие из двух рядов клеток среднего размера с умеренной цитоплазмой и круглыми нормохромными или гиперхромными ядрами. Трубчатые структуры образованы одним или двумя рядами довольно мономорфных клеток с круглыми нормохромными ядрами. Солидные структуры представляют собой поля различных размеров и форм, состоящие либо из мелких клеток с умеренной цитоплазмой и мономорфными ядрами, либо из крупных клеток с обильной цитоплазмой и полиморфными ядрами. Отдельные группы клеток встречаются в виде кластеров из одной-четырех клеток с различной морфологией. [2]
Различные морфологические структуры опухолей молочной железы соответствуют определенным типам инвазии. Таким образом, альвеолярные, трабекулярные и солидные структуры, характеризующиеся наличием межклеточных контактов, можно отнести к морфологическим проявлениям коллективной миграции, а дискретные группы опухолевых клеток — к проявлениям индивидуальной миграции. Первые данные, полученные при исследовании экспрессии генов клеточной адгезии, подтверждают 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, снижалось в ряду: солидные и альвеолярные — трабекулярные структуры — дискретные группы опухолевых клеток. [2]
Инвазивный рост и развитие лекарственной устойчивости являются связанными процессами, которые играют важную роль в прогрессировании опухоли: в частности, в метастазировании. Вероятно, что те же самые сигнальные пути участвуют в миграции клеток и развитии резистентности опухоли к терапии. [2]
Мигрирующие опухолевые клетки (независимо от типа движения) более устойчивы к химиотерапии и радиотерапии, чем неподвижные клетки. Во многом это связано с тем, что мигрирующие клетки временно теряют способность к делению. Это также связано с тем, что движущиеся опухолевые клетки проявляют повышенную активность антиапоптотических генов, что обуславливает устойчивость к химиотерапевтическим препаратам, направленным на индукцию запрограммированной клеточной смерти . Кроме того, известно, что клетки в состоянии ЭПТ также проявляют химиорезистентность. Эта лекарственная устойчивость обусловлена индукцией во время ЭПТ синтеза белков семейства ABC , ответственных за отток химиотерапевтических препаратов из клетки. Основные факторы транскрипции, которые запускают ЭПТ и в то же время положительно регулируют активность транспортеров ABC, включают TWIST1, Snail и т. д. [2]
Потенциально существует сильная связь между коллективной миграцией и устойчивостью к радиотерапии и химиотерапии. Согласно исследованию Krakhmal et al., 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 транспортеров ABC в опухолевых клетках данного морфологического варианта. Напротив, устойчивость опухолей молочной железы, содержащих альвеолярную структуру, объясняется другими, пока не идентифицированными причинами. [2]
Инвазивный рост и его фенотипическое разнообразие связаны как напрямую, так и через развитие лекарственной устойчивости с метастазами. Циркулирующие опухолевые клетки , которые отвечают за развитие будущих метастазов, являются результатом инвазии и последующего проникновения опухолевых клеток в лимфатические или кровеносные сосуды. Способностью к интравазации могут обладать не только отдельные мигрирующие опухолевые клетки, но и группы клеток . Существует предположение, что коллективная миграция гораздо чаще приводит к метастазированию по сравнению с индивидуальной миграцией. Исследования на животных моделях показали, что метастазы чаще образуются после внутривенной инъекции опухолевых кластеров, а не отдельных опухолевых клеток. Кроме того, циркулирующие кластеры опухолевых клеток были обнаружены в крови пациентов с различными видами рака. Предполагалось, что коллективная интравазация связана с VEGF -зависимым образованием расширенных сосудов и накоплением интравазированных опухолевых кластеров. Кроме того, группы опухолевых клеток могут попадать в кровоток через поврежденные сосуды или путем сотрудничества с клетками в состоянии ЭПТ и ассоциированными с раком фибробластами, которые нарушают внеклеточный матрикс, высвобождая протеазы. Метастазирование зависит от коллективной миграции. Например, наличие альвеолярных структур в опухолях у больных раком молочной железы в постменопаузе ассоциируется с высокой частотой лимфогенного метастазирования, тогда как риск этого типа прогрессирования у женщин в пременопаузе увеличивается с увеличением числа различных типов морфологических структур. Последняя зависимость также является количественной: лимфогенные метастазы выявлялись чаще при большем числе альвеолярных структур в опухолях молочной железы. Кроме того, пациенты с альвеолярными структурами в опухолях имели низкую выживаемость без метастазов (наши собственные неопубликованные данные). [2]
Связь альвеолярных структур, как одного из проявлений коллективной миграции, со скоростью лимфогенного и гематогенного метастазирования подтверждает следующие предположения. Клеточные элементы альвеолярных структур отличаются от опухолевых клеток других структур комплексом биологических свойств, определяющих метастатический фенотип. Связь альвеолярных структур с лимфогенным метастазированием в менопаузальном периоде предполагает определенную роль эстрогенов, включая также их продукцию in situ , в том, что опухолевые клетки альвеолярных структур приобретают метастатический фенотип лимфогенным путем. [2]
По степени инвазии рак можно классифицировать как in situ , когда злокачественные клетки присутствуют в виде опухоли, но не метастазируют или не проникают за пределы слоя или типа ткани, где они возникли. Например, рак эпителиального происхождения с такими признаками называется карциномой in situ и определяется как не проникший за пределы базальной мембраны . Напротив, инвазивная карцинома проникла за пределы базальной мембраны. Как только это происходит, инвазивный фронт рака показывает несколько молекулярных изменений, что указывает на повышенную склонность к дальнейшему проникновению и метастазированию. [3]
Миграция опухолевых клеток при инвазивном росте может происходить как поодиночке, так и группами 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, что приводит к развитию вторичных метастатических очагов в отдаленных органах и тканях. Однако остаются неизученными вопросы, касающиеся возможной связи различных типов инвазивного роста клеток с параметрами лимфогенного и гематогенного метастазирования, особенностями течения заболевания, а также эффективностью выбранной терапии. Решение этих проблем может помочь в определении прогноза заболевания и , возможно, в разработке новых подходов к ведению онкологических больных. [2]