Раковые стволовые клетки

Победить рак человечеству пока не удалось. Но это не повод не замечать успехи, достигнутые учёными и медиками, причём не только в диагностике и терапии онкологических заболеваний, но и, самое главное, в понимании их природы.

Если бы несколько лет назад меня спросили, имеются ли различия между отдельными клетками раковой опухоли человека, я бы ответил, что все эти клетки одинаковы. Теперь – за последние 2-3 года – мы поняли, что на самом деле в раковой опухоли имеются стволовые клетки и что именно они ответственны за её рост.

Так формулирует одно из важнейших открытий последнего времени в области онкологии Роберт Уайнберг (Robert A. Weinberg), профессор клеточной и молекулярной биологии, сотрудник института Уайтхеда в Бостоне. Его родители, немецкие евреи, бежали из нацистской Германии в США. Роберт родился уже в Питтсбурге, штат Пенсильвания. Широкую известность в научных кругах Уайнберг получил в конце 70-х годов, когда открыл первый онкоген, то есть ген, способный вызывать злокачественное перерождение здоровых клеток, их превращение в раковые. С тех пор профессор Уайнберг принадлежит к мировой элите онкологов. Вот уже более четверти века он работает в Институте Уайтхеда, одном из ведущих центров фундаментальных исследований в области биологии и медицины. И всё это время профессор Уайнберг и его группа ищут ответ на вопрос: что заставляет нормальную здоровую клетку трансформироваться в раковую? Исследователи провели поистине бесчисленное количество лабораторных экспериментов – и на клеточных культурах, и на подопытных животных:

Только в 1999-м году мы пришли, наконец, к заключению, что для превращения нормальной клетки в злокачественную необходимы пять различных мутаций. Именно эти пять генов играют ключевую роль в процессе ракового перерождения здоровых клеток самых различных тканей и органов. Однако эти данные получены в ходе опытов на животных, и мы не знаем, могут ли они быть перенесены на людей. Возможно, что в организме человека таких ключевых онкогенов не пять, а шесть или семь. Пока мы этого не знаем.

Сегодня сотни учёных заняты поиском мутаций, характерных для тех или иных форм рака. Ведётся работа в рамках целого ряда проектов, которые можно условно назвать «раковый геном»: используя современные методы скоростного секвенирования, исследователи определяют полные наборы наследственной информации в каждой отдельной раковой клетке, то есть все заключённые в ней три с лишним миллиарда нуклеотидных оснований, и сравнивают с таким же набором в здоровой клетке. Цель состоит в том, чтобы выявить типичные изменения наследственного материала и найти мишень для новых биологически активных веществ, подавляющих те или иные виды опухолей. Однако сегодня всё больше исследователей выражают сомнения в перспективности такого подхода, поскольку многие свойства и особенности раковых опухолей не поддаются объяснению одними только генетическими факторами. Эти учёные делают ставку на изучение клеток как таковых.

Начало было положено в 1997-м году, когда канадский исследователь Джон Дик (John E. Dick), профессор медицинской генетики и микробиологии Торонтского университета, выделив раковые клетки из крови пациентов, страдающих одной из наиболее агрессивных форм рака крови – так называемого острого миелолейкоза, – ввёл их в кровь лабораторным мышам. Большинство этих клеток вскоре погибли, так и не вызвав злокачественных новообразований у подопытных животных. Но профессору Дику удалось также изолировать и описать популяцию особых раковых клеток, неизменно вызывавших рак у мышей. Учёный назвал эти клетки раковыми стволовыми клетками.

Открытие получило признание не сразу. Прошло несколько лет, прежде чем исследователи начали искать – а главное, находить! – раковые стволовые клетки в опухолях мозга, кишечника, молочной железы, простаты. Постепенно стало ясно, что многие загадки рака могут найти объяснение именно в рамках этой модели. Например, почему некоторые раковые клетки агрессивнее остальных? Почему некоторые клетки невосприимчивы ни к облучению, ни к химиотерапии? Профессор Уайнберг выдвинул идею, которая ставит биологию опухолей на новый фундамент: он предположил, что опухоль имеет иерархическую структуру, в основе которой – стволовые клетки:

Когда говорят о бессмертии раковых клеток, имеют в виду, видимо, только бессмертие этих самых раковых стволовых клеток, потому что все прочие клетки опухоли очень даже смертны.

Такая модель совершенно по-новому объясняет внутреннее устройство опухоли: судя по всему, она функционирует как некий самостоятельный орган, в котором разные клетки выполняют разные функции. Профессор Уайнберг поясняет:

На примере карциномы очень хорошо видна эта негомогенность опухоли. В ней есть и раковые клетки, среди которых имеется некоторое количество стволовых, и различные вполне здоровые клетки, занесённые кровотоком из соседних тканей и органов. Они используются опухолью для формирования кровеносных сосудов.

Понимание этих закономерностей облегчит решение сложнейших задач, по-прежнему стоящих перед медициной, – полагает профессор:

До сих пор онкологи считали, что если им в процессе терапии удалось добиться значительного уменьшения размеров опухоли, скажем, с десяти сантиметров до одного, то это большой успех. Но теперь мы знаем, что величина опухоли не столь уж и важна, гораздо важнее, смогли ли раковые стволовые клетки пережить терапию. Если стволовые клетки уцелели, то опухоль сразу же начнёт снова расти. Поскольку же мы не умеем считать стволовые клетки в организме, то нам очень трудно судить о том, какая терапия более эффективна, а какая менее. Главная задача на ближайшие годы состоит в том, чтобы научиться считать стволовые клетки внутри опухоли – только это и позволит оценивать действенность того или иного метода лечения.

Собственно, считать и даже сортировать клетки учёные уже умеют. Для этого был разработан метод проточной цитометрии. Давно существуют и соответствующие приборы – клеточные сортеры. Принцип работы такого проточного цитометра прост: сначала клетки маркируют молекулами флуоресцирующих красителей, связанными с теми или иных клеточными структурами, а затем заставляют поодиночке пересекать сфокусированный световой пучок, обычно лазерный. Свет определённой длины волны возбуждает молекулы маркера, и они начинают светиться. Прибор может одновременно идентифицировать несколько разных красителей, связанных с разными клеточными параметрами, и сортировать клетки в соответствии с длинами световых волн, испускаемых красителями.

Итак, учёные собирают некоторое количество раковых клеток и маркируют их таким красителем, молекулы которого сцепляется с поверхностными структурами, типичными для стволовых клеток. Соответственно, только стволовые клетки и флуоресцируют в луче лазера. Никакими другими способами выявить и сосчитать стволовые клетки в общей массе раковых клеток мы не располагаем, – говорит профессор Скотт Армстронг (Scott Armstrong), глава научно-исследовательской лаборатории Детской клиники в Бостоне:

Под микроскопом раковые стволовые клетки выглядят точно так же, как и все прочие клетки опухолевой ткани.

Однако сама по себе проточная цитометрия не решает проблему, стоящую перед онкологами:

Мы разработали в нашей лаборатории целый ряд методов, позволяющих выявлять раковые стволовые клетки. Но эти методы функционируют только вне организма пациента. Подсчитать количество таких клеток непосредственно в теле больного мы пока не можем. А ведь именно это нам и нужно, если мы хотим судить об эффективности противораковой терапии. С тех пор, как впервые были обнаружены раковые стволовые клетки, прошло уже десять лет. За это время такие клетки найдены не только у больных раком крови, но и у пациентов, страдающих различными солидными злокачественными опухолями. Но мы до сих пор не знаем, при какой форме рака стволовых клеток больше, а при какой меньше. Потому что мы не научились пока маркировать клетки в организме пациента.

Как известно, в организме непрерывно идёт процесс отмирания клеток и их замещения новыми. В одних видах ткани продолжительность жизни клеток исчисляется месяцами, в других – неделями, в третьих – днями. Источником новых клеток самых различных тканей служат так называемые адультные стволовые клетки. Эти недифференцированные клетки могут превратиться в клетку любого типа. При этом они обладают уникальной особенностью – способностью к самоподдержанию. В результате первого деления такой клетки образуются две разные дочерние клетки – одна остаётся стволовой, сохраняя все особенности материнской клетки и поддерживая неизменным общее количество таких недифференцированных стволовых клеток, другая же продолжает делиться и постепенно трансформируется в клетку того или иного типа, утрачивая при этом способность к самообновлению. Наиболее характерным примером такого механизма могут служить гомопоэтические стволовые клетки костного мозга. Хотя их доля в общем количестве клеток костного мозга ничтожна, именно из них образуются популяции частично специализированных клеток, которые затем превращаются в полностью дифференцированные функциональные клетки крови и лимфы – базофилы и макрофаги, эритроциты и лимфоциты. Сегодня исследователи склоняются к мысли о том, что раковые стволовые клетки – это переродившиеся в силу тех или иных причин нормальные стволовые клетки, ведь не случайно между ними так много общего – тут и бессмертие, то есть неограниченная продолжительность жизни, и свойство самоподдержания, и способность к образованию клеток других типов. Скотт Армстронг говорит:

Нагляднее всего мы можем исследовать это на примере лейкемии. Из крови здоровых мышей мы изолируем нормальные стволовые клетки, очищаем их и вводим в них онкогены. Спрашивается, можно ли таким образом обычную стволовую клетку превратить в раковую стволовую клетку? Ответ однозначен: да, можно.

Эксперименты показали, что в результате соответствующей генетической модификации в раковые стволовые клетки могут превращаться и так называемые родоначальные клетки, то есть уже не стволовые, но ещё не полностью дифференцированные. Иными словами, раковая опухоль может иметь разное происхождение. Естественно, перед медиками встаёт вопрос, имеет ли это практическое значение в плане терапии. Скотт Армстронг поясняет:

Мы полагаем, что лейкемия более опасна тогда, когда в её основе лежит стволовая клетка крови. В этих случаях химиотерапия оказывается, как правило, менее эффективной, чем в случаях, когда рак возник в результате перерождения более специализированной клетки. Но пока это всего лишь гипотеза.

И всё же может оказаться, что для подбора оптимальной терапии врачам важно будет знать, из какой клетки зародилась опухоль. Впрочем, это дело будущего, пока медицина до этого не дошла. Андреас Трумпп (Andreas Trumpp), научный сотрудник Швейцарского института экспериментальной онкологии в Эпалинже близ Лозанны, говорит:

На сегодняшний день основная идея состоит в том, чтобы классическую химиотерапию сочетать с терапией, направленной на уничтожение именно раковых стволовых клеток.

Цель исследований Андреаса Трумппа состоит в том, чтобы выяснить, какие механизмы и какие особенности раковых стволовых клеток позволяют им выживать, оставаясь невосприимчивыми к химиотерапии. Учёный считает ключевыми четыре фактора:

Во-первых, раковые стволовые клетки делятся крайне редко и пребывают, похоже, почти всё время своей жизни в состояния глубокого покоя, своего рода спячке. Точно так же ведут себя и нормальные стволовые клетки.

Понятно, что на спящие клетки, практически не поддерживающие связи с окружающей средой, химиотерапия не действует. Учёный продолжает:

Во-вторых, и нормальные, и раковые стволовые клетки синтезируют особые транспортные молекулы, задача которых состоит в быстром выведении из клетки различных опасных для неё веществ. Это тоже фактор, обеспечивающий резистентность таких клеток к классической химиотерапии.

Что вполне естественно, поскольку медикамент просто не успевает подействовать.

В-третьих, есть основания полагать, что раковые стволовые клетки – как, впрочем, и нормальные стволовые клетки, – обладают гораздо более совершенным механизмом выявления и устранения дефектов ДНК. А ведь принцип действия радиоактивного облучения, широко используемого для терапии рака, как раз и состоит в повреждении ДНК опухолевых клеток. Так вот, судя по всему, стволовые клетки – и раковые стволовые клетки в том числе – намного эффективнее и быстрее «чинят», восстанавливают свой наследственный материал.

И поэтому выживают. Кроме того, они умеют прятаться, – говорит Андреас Трумпп:

В-четвёртых, раковые стволовые клетки, как и нормальные стволовые клетки, находятся в особом микроокружении – так называемой нише. И эта ниша защищает их от воздействия периферии.

Сколько бы противоопухолевого препарата ни циркулировало в крови, в нише его концентрация остаётся очень низкой. Значит, задача медиков сводится к тому, чтобы выманить клетки из ниши.

Эти пребывающие в зимней спячке раковые стволовые клетки можно с помощью определённых факторов разбудить и заставить делиться. Это сделает их уязвимыми для классической химиотерапии, которая, по сути дела, и направлена против быстро делящихся клеток.

Но тут возникает новая трудность: на сигнал к пробуждению могут ведь откликнуться и здоровые стволовые клетки, а это очень опасно, – говорит Андреас Трумпп:

Конечно, есть опасения, что такая терапия уничтожит не только раковые, но и нормальные стволовые клетки, что имело бы фатальные последствия. Нужно найти верную дозировку этих пробуждающих факторов, поскольку раковые стволовые клетки, вероятно, несколько чувствительнее к ним, чем обычные.

Учёные пробуют и иные подходы: стараются заблокировать транспортные молекулы, выводящие посторонние вещества из клетки, или же пытаются заставить клетки начать дифференцироваться и таким образом утратить свой неуязвимый стволовой статус.

Особая проблема – метастазирование. Раньше считалось, что раковые клетки отрываются от первичной опухоли, распространяются по всему организму и образуют вторичные опухоли – метастазы. Новая модель даёт иное объяснение этому процессу: ведь способность мигрировать, достигая самых отдалённых частей тела, – естественное и необходимое свойство всех стволовых клеток, иначе они не смогли бы выполнять свою функцию по восстановлению повреждённых тканей. Не исключено, что и раковые стволовые клетки действуют так же. Однако профессор Уайнберг говорит:

Сегодня мы можем лишь строить предположения. То есть считается, что стволовые клетки, возможно, вызывают метастазы, но пока это лишь гипотеза.