Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Медведев В. Л., Ледванов М. Ю., Курзанов А. Н., Быков И. М.,
3.1.2.2. Роль паратгормон-родственного белка в метастазировании рака предстательной железы
ПТГрП продуцируется практически во всех типах опухолей, которые метастазируются в кости и многочисленные исследования показали корреляцию между экспрессией ПТГрП и скелетной локализации опухолей. В дополнение к функционированию в качестве эндокринного фактора этот плейотропный белок опосредует свои действия локально на опухолевые и стромальные клетки паракринным, аутокриннымм и интракринным механизмами. ПТГрП стал ключевым фактором скелетных осложнений, связанных с метастазированием опухолей в кости (Wright L.E., Guise T.A., 2014). Эффекты ПТГрП в костной ткани реализуются через его взаимодействие с рецептором PTH1R на остеобластах. ПТГрП также регулирует пролиферацию остеобластов, участвует в ремоделировании кости в ходе которого происходит высвобождение TGFβ и кальция. Оба эти фактора влияют на рост опухолевых клеток и способствуют продолжению проидукции ПТГрП. ПТГрП также обладает остеоанаболическими свойствами, и может быть частично ответственным за реакции остеобластического типа при раке предстательной железы (Liao J., McCauley L.K., 2006).
РПЖ остается одной из основных причин смерти мужчин от онкологических заболеваний, что во многом связано с его выраженными свойствами к метастазированию (Weilbaecher K.N. et al., 2011). Одной из основных причин заболеваемости и смертности при раке предстательной железы является метастатическая болезнь костей. РПЖ находится в уникальном положени из-за его сильной склонности к метастазированию в кости (Dougherty K.M. et al., 1999). Более 70 % пациентов с РПЖ имеют на поздней стадии заболевания костные метастазы, что существенно снижает качество жизни (Roodman G.D., 2004; Mundy G.R., 2002). В отличие от других видов рака, первоначальное метастазирование клеток РПЖ почти строго ограничено костью и часто является единственным местом дистального распространения даже на поздних стадиях заболевания (Cheville J.C. et al., 2002). Наиболее частыми местами метастазов являются кости таза и позвоночника (Sweeney C.J. et al., 2015; Aparicio A.M. et al., 2016).
Часто метастазы в кости растут быстрее, чем первичные опухоли или другие метастатические поражения. Это объясняется взаимодействием между раком предстательной железы и костными клетками (Tzelepi V. et al., 2012; Mu P. et al., 2017) и, вероятно, отражает наличие факторов, которые либо способствуют росту клеток, либо ингибируют гибель клеток. Когда клетки опухоли предстательной железы проникают в скелет, происходит разрушительный цикл грубого повреждения кости и роста опухоли, после чего лечебная терапия больше не возможна, и паллиативное лечение становится единственным вариантом. Поэтому понимание механизма, с помощью которого клетки РПЖ существуют и развиваются в костной среде и разработка эффективных методов для предотвращения или лечения метастазов РПЖ в кости, имеет решающее значение для увеличения выживаемости пациентов.
Поражение скелета при РПЖ является сложным процессом, в котором костная ткань обеспечивает благоприятную среду для роста опухоли. РПЖ метастазирует в кости неслучайным образом, и многочисленные доказательства подтверждают концепцию о том, что колонизация кости опухолью является активным процессом, включающим взаимную стимуляцию между клетками РПЖ и клеточными элементами в костной матрице (Logothetis C.J., Lin S.H., 2005; Nelson W.G. et al., 2003).
Клетки рака простаты имеют склонность продуцировать молекулы, которые, как правило секретируют остеобласты, в том числе остеокальцин (Huang W.C. et al., 2005; Ou Y.C. et al., 2003), остеонектин (Thomas R. et al., 2000), остеопонтина (Carlinfante G. et al., 2003; Khodavirdi A.C. et al., 2006), костный сиалопротеин (Huang W.C. et al., 2005; Khodavirdi A.C. et al., 2006), рецепторный активатор ядерного фактора-κB-лиганда и остеопротегерин (Roato I. et al., 2005). Это явление, называемое остеомимичностью, было впервые описано Koeneman K.S. et al. (1999), который предположил, что оно способствует преимущественному росту клеток рака предстательной железы в кости.
Общепризнанно, что метастазы в кости при раке предстательной железы являются архетипическим примером конкретной ситуации «семени и почвы», возникающей в результате взаимодействия между опухолевыми клетками и микросредой кости (Fidler I.J., 2003). После того, как клетки РПЖ достигают кости, взаимодействие между опухолевыми клетками и резидентными клетками в костном мозге имеет важное значение для создания «плодородной» среды поддерживающей способности метастатических клеток РПЖ избежать апоптоза и оптимизировать их выживание (Kingsley L.A. et al., 2007; Bussard K.M. et al., 2008). Клетки рака простаты и микросреда костной ткани взаимодействуют друг с другом в процессе прогрессии скелетного метастазирования (Gleave M.E. et al., 1992; Gleave M. et al., 1991). Костные метастазы РПЖ часто растут более быстрыми темпами, чем первичная опухоль или метастазы другой локализации, что определяется наличием факторов, которые способствуют росту или ингибируют гибель клеток опухоли. Метастазы РПЖ преимущественно локализуются в регионах с высоким уровнем метаболизма костной ткани (Schneider A. et al., 2005; Roodman G.D., 2004) в богатых остеобластами зонах кости (Wang N. et al., 2014). Физический контакт между клетками рака предстательной железы и остеобластами в кости разрушает структуру кости и развивает цикл взаимно усиленного роста клетками рака предстательной железы и остеобластами. В экспериментах Kimura Y. et al. (2017) продемонстрировали, что остеобласты, которые были культивированы с клетками MDA-PCa-2b, увеличивали количество обоих типов клеток и увеличивали экспрессию щелочной фосфатазы. Более того, в присутствии клеток рака предстательной железы остеобласты не выровнялись по коллагеновой матрице нормальным образом, а скорее демонстрировали неорганизованную структуру. Эта результирующая анизотропия костной матрицы может усилить метастазы рака предстательной железы.
Клетки РПЖ способны к высокой степени адгезии и локализации в участках костной ткани с активным ремоделированием, которое, по меньшей мере, частично, регулируется с участием ПТГрП (Mak I.W., 2013). Совместная экспрессия ПТГрП и его рецептора была установлена при первичном раке простаты и при его метастазировании в кости (Bryden A.A. et al., 2002). Сообщалось об увеличенной экспрессии рецептора ПТГрП в костных метастазах рака предстательной железы по сравнению с первичными опухолями, что указывает на потенциальную роль рецептор-опосредованных механизмов в формировании скелетных метастазов (Iddon J. et al., 2000). ПТГрП активизирует различные митогенные пути, и в том числе способствовует эпителиально-мезенхимальному переходу, в раковых стволовых клетках, что стимулирует костное метастазирование опухоли (Ongkeko W.M. et al., 2014). Молекулярные механизмы метастазирования РПЖ сложны, включают ряд последовательных событий и взаимосвязанных факторов. Несмотря на интенсивные исследования, молекулярные механизмы, лежащие в основе метастазирования, все еще остаются недостаточно изученными (Clarke N,W., 2009).
Метастатическая колонизация отдаленных органов требует распространения опухолевых клеток обладающих способностями к выживанию в кровеносном русле, вторжению во внеклеточный матрикс, и адаптации к новой среде (Rahim F. et al., 2014), которые опосредованы многочисленными факторами опухолевого происхождения. В связи с этим, клетки рака простаты продуцируют многочисленные костные модулирующие цитокины, включая ПТГрП, остеопротегерин, лиганд рецептора активатора ядерного фактора-kB (RANKL), и другие (Deftos L.J. et al., 2005). RANKL и ПТГрП известны как ключевые факторы остеокластогенеза в кости, и они играют ключевую роль в метастазировании костей многих видов рака (Liao J., McCauley L.K., 2006; Keller E.T., 2002; Kitazawa S., Kitazawa R., 2002; Roodman G.D., 2001; Mundy G.R., 2007).
В метастазировании РПЖ существенная роль принадлежит балансу этих цитокинов, а также инсулиноподобного фактора роста, макрофагального колониестимулирующего фактора и ряда других биологически активных молекул. Сдвиг их равновесия в определенной мере может быть связан с изменением секреции эпителиоцитами простаты сериновой протеазы – простатического специфического антигена. Этот энзим может осуществлять протеолиз ПТГрП, а также расщеплять инсулиноподобный связывающий белок, что приводит к повышению уровня инсулиноподобного фактора роста-1 (Iwamura M. et al., 1996; Cohen P. et al., 1994). В экспериментах с использованием линии клеток рака простаты PC3 показано, что ПТГрП способствует выживанию клеток рака ПЖ путем активации сигнализации инсулиноподобного фактора роста (IGF-I). Селективный ингибитор IGF-I почти полностью блокировал выживание клеток рака простаты РС3 в присутствии доцетаксела (Da Silva J.O. et al., 2013).
Физические факторы внутри кости, такие как гипоксия, низкий уровень pH и внеклеточный Ca2+, активируют сигнальные пути в клетках рака предстательной железы, что приводит к дополнительному высвобождению факторов, которые на животных моделях, повышают выживаемость и рост в кости (Kingsley L.A. et al., 2007). Более того, эти факторы активируют экспрессию стимулирующих факторов остеобластов клетками рака предстательной железы, включая фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), тромбоцитарный фактор роста, костный морфогенный белок-2, инсулиноподобный фактор роста-1 и эндотелин-1 (Wan X. et al., 2014; Logothetis C.J., Lin S-H., 2005; Fizazi K. et al., 2003). Значение микросреды костной ткани в регионах скелета, имеющих метастазы рака простаты, становится все более очевидным, поскольку данных, свидетельствующих о существовании значительных изменений нормального ремоделирования кости у больных РПЖ становится все больше. В норме процессы формирования костной ткани остеобластами и резорбции старых костных структур остеокластами взаимосвязаны во времени и в пространстве последовательностью событий, определяющих процесс ремоделирования костной ткани. При наличии в костных структурах метастазов РПЖ в зоне костной ткани, примыкающей к очагу неопластического процесса, нарушается нормальная регуляция процессов образования костной ткани и ее резорбции (Zafeirakis A., 2010).
Для того, чтобы создать пространство для своего роста, клетки РПЖ стимулируют резорбцию костной ткани остеокластами. Активация передачи сигналов NF-B повышает экспрессию остеолитических факторов (таких как RANKL, ПТГрП) в клетках РПЖ. Повышенный уровень этих факторов приводит к прямому или косвенному воздействию на дифференцировку остеокластов, чтобы способствовать остеокластогенезу и резорбции кости. RANKL реагирует на сигнализацию NF-κB в остеокласте путем прямого связывания с его рецептором RANK, для стимуляции дифференциации остеокластов, в то время как ПТГрП регулирует RANKL в остеобластах. Увеличение RANKL будет способствовать дальнейшему развитию остеокластогенеза путем содействия дифференциации остеокластов. Таким образом, остеокластическая резорбция кости, вызванная остеолитическими факторами, полученными из раковых клеток, обеспечивает достаточную микросреду для выживания и роста клеток РПЖ как при остеолитическом, так и остеобластном вариантах формирования костного метастаза (Jin R. et al., 2013).
Цитокин RANKL является одним из ключевых активаторов остеокластов, в то время как остеопротегерин (OPG) представляет собой рецептор, конкурирующий с RANK за RANKL, и поэтому является ингибитором остеокластогенеза. RANK/RANKL/OPG сигнальный путь является важнейшим регуляторным механизмом определяющим дифференцировку и активацию остеокластов в процессе ремоделирования костной ткани как в физиологических условиях так и при патологических процессах ассоциированных с опухолевым ростом и развитием метастазов (Baud’huin M. et al., 2007), включая метастазы в кости РПЖ (Theoleyre S. et al., 2004); Hofbauer L.C. et al., 2001).
Известно, что в процессе дифференциации остеокластов важную функцию выполняет ПТГрП. Помимо увеличения экспрессии RANKL в остеобласте, ПТГрП также регулирует пролиферацию и дифференцировку остеобластов в зависимости от времени и дозы (Liao J. et al., 2008; Hildreth B.E. III et al., 2010). Установлено, что активация универсального фактора транскрипции NF-kB (RANKL), контролирующего апоптоз и клеточный цикл, коррелирует с прогрессированием рака простаты и способствует метастазированию опухоли, влияя на миграцию клеток опухоли и ангиогенез. Посредством косвенных воздействий ПТГрП поддерживает остеокластогенез путем регуляции RANKL в остеобластах (Liao J., McCauley L.K., 2006). Повышенная экспрессия ПТГрП, индуцированная активацией передачи сигналов NF-κB в клетках РПЖ, может способствовать индуцированию дифференциации остеокластов, тем самым обеспечивая достаточные микроэкологические сигналы (то есть, повышенную растворимость факторов роста, связанных с костной матрицей), чтобы способствовать прикреплению и росту в кости клеток РПЖ. Активация передачи сигналов RANKL увеличивает экспрессию генов, связанных с остеокластогенезом, в клетках РПЖ. Клетки РПЖ, способные расти в кости, имеют более высокую активность NF-κB и активируют передачу сигналов RANKL, которые регулируют связанные с остеокластогенезом гены в клетках РПЖ, потенциально усиливая их способность прикрепляться и расти в костой микросреде. Активация передачи сигналов NF-κB в клетках РПЖ увеличивает дифференцировку остеокластов, которая обеспечивает достаточную микросреду, чтобы обеспечить выживаемость, рост и патологическое ремоделирование костной ткани при формировании костного метастаза. Инактивация NF-κB сигнализации ингибирует образование и рост в костной среде как остеолитических, так и остеобластных/остеокластических смешанных опухолей РПЖ (Jin R. et al., 2013).
Показано, что клетки РПЖ продуцируютют несколько факторов, которые регулируют остеокластогенез, включая ПТГрП, макрофагальный колониестимулирующий фактор, члены суперсемейства трансформирующего фактора роста β и активатор плазминогена урокиназного типа (uPA-плазмин), что приводит к активации матричных металлопротеиназ, в частности MMP-2 и MMP-9, а также интерлейкина-1 и интерлейкина-6 (Msaouel P. et al., 2008). Установлено, что повышение регуляции остеокластогенеза в микроокружении кости является необходимым предварительным условием для способности раковых клеток успешно колонизировать кости как при остеолитическом, так и при остеобластном костном метастазе (Mundy G.R., 2002; Roodman G.D., 2004). Хотя показано, что многие факторы, секретируемые клетками РПЖ, регулируют остеокластогенез и настоятельно указывают на важную роль остеокластов в успешном формировании метастазов РПЖ в кости, выявление первичного пути, который регулирует экспрессию остеокластогенного гена ответственного за способность клеток РПЖ прикрепляться и расти в костной среде остается неясной.
Остеопротегерин уменьшает онкоиндуцированное разрушение кости. Было предположено, что OPG, вырабатываемый клетками костного метастаза РПЖ, вызывает локальное снижение уровня RANKL, формируя более крутой градиент RANKL от опухоли к костной ткани, что приводит к более быстрой резорбции и росту опухолей. Эта гипотеза была проверена с помощью математической модели на основе системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих пространственную динамику OPG, RANKL, ПТГрП, остеокластов, массы опухоли и костной массы. Показано, что экспрессия опухолью ПТГрП, индуцирующего RANKL, имеет важное значение для правильной ориентации градиента RANKL. Мета-анализ продукции OPG, RANKL и ПТГрП в клетках нормальный простаты, клетках рака железы и в ткани ее метастазов продемонстрировал увеличение экспрессии OPG, но не RANKL, в метастазах рака предстательной железы, а также положительную корреляцию между OPG и ПТГрП в метастазах рака предстательной железы (Ryser M.D. et al., 2012).
Скелетные метастазы рака простаты характеризуются как увеличением скорости резорбции кости, так и интенсивности формирования костной ткани взамен разрушенной. Интенсивный характер костного метаболизма с избыточной резорбцией костной ткани является архетипической чертой большинства, если не всех, костных метастазов (Roodman G.D., 2004). Известно, что костные метастазы РПЖ отличаются от костных метастазов других видов рака выраженной минерализацией ткани опухоли. Механизмы этого до настоящего времени недостаточно понятны и это обуславливает их активное изучение. Предполагается, что избыточная минерализация ткани костных метастазов связана с анаболическими эффектами прерывистого воздействия ПТГрП.
В отличие от метастазов при раке легких или молочной железы, которым присущи остеолитические повреждения, костные метастазы при РПЖ является преимущественно бластными, хотя они также содержат остеорезорбтивный компонент (Morris M.J., Scher H.I., 2003). Успешная колонизация кости клетками РПЖ требует как остеолитических, так и остеобластических процессов. Это происходит частично из-за того, что клетки РПЖ способны продуцировать факторы роста, которые могут влиять как на остеобласты, так и на остеокласты, что приводит к образованию остеобластических костей и чрезмерной резорбции кости (Mundy G.R., 2002); Roodman G.D., 2004). В то время как роль остеобластов в метастазировании РПЖ хорошо известна, некоторые результаты указывают на важную роль функции остеокластов при успешном формировании костных метастазов (Inoue H. et al., 2005; Mori K. et al., 2007; Whang P.G. et al., 2005; Zhang J. et al., 2003; Zhang J. et al., 2001). Когда клетки РПЖ первоначально колонизируют кость, считается, что они сначала вызывают остеокластогенез (Yonou H. et al., 2004) и последующую резорбцию кости. Гистоморфометрические данные свидетельствуют о том, что остеобластические метастазы формируются в трабекулярной кости в местах предыдущей резорбции остеокластов и такая резорбция необходима для последующего образования остеобластической кости (Bradley D.A. et al., 2007). Эти данные свидетельствуют о том, что РПЖ индуцирует формирование кости путем общего увеличения ремоделирования кости. Кроме того, остеокластическая резорбция кости способствует большинству скелетных осложнений или связанных с скелетом событий (таких как перелом и боль) у пациентов с метастазами в кости. Кроме того, остеокластическая резорбция кости также способствует образованию опухолей в скелете. Поэтому предполагается, что остеокластогенез, индуцированный клетками РПЖ, является ранним событием метастазирования костей и является их необходимым предварительным условием. При РПЖ в значительной части наблюдений рентгенологически фиксируется склерозирование участков пораженной кости, формирующееся на фоне относительного превалирования процессов остеогенеза над процессами костной резорбции (Seibel M.J., 2005). Остеобластные метастазы при РПЖ происходят на участках предшествующей остеорезорбции остеокластами и характеризуются слабой, плохо организованной структурой кости, способствующей возникновению переломов различных костных элементов скелета, которые нередко обусловлены снижением минерализации костной ткани на фоне андрогендепривационной терапии (Deftos L.J. et al., 2005; Rabbani S.A. et al., 1999; Preston D.M. et al., 2002).
Продукция ПТГрП коррелирует с прогрессированием костных метастазов РПЖ, что связанно с влиянием этого белка на микроокружение метастазов и, в том числе, на остеобласты. При введении под кожу бестимусным мышам выскоэкспрессивных клеток рака простаты наблюдали образование опухолей бoльших размеров по сравнению с размерами опухолей, сформировавшихся у мышей, которым вводили клетки РПЖ с меньшей способностью к экспрессии ПТГрП. Введение ПТГрП в костную ткань совместно с опухолевым имплантом вызвало значительное увеличение костной массы, прилегающей к очагам опухоли с гиперэкспрессией ПТГрП (Liao J. et al., 2008).
Этими же исследователями установлено, что ПТГрП вызывает усиленную пролиферацию стромальных клеток костного мозга и раннюю дифференциацию остеобластов. ПТГрП оказывал проангиогенный эффект косвенно, поскольку ангиогенез усиливался только в присутствии стромальных клеток костного мозга. Полученные данные позволили сделать вывод, что ПТГрП – ключевой посредник взаимодействия между клетками костных метастазов РПЖ, клеточными элементами собственно костной ткани и пулом сигнальных биомолекул различной природы (Liao J. et al., 2008).
В иммуногистохимических исследованиях экспрессии ПТГрП в биоптатах ткани костных метастазов у больных РПЖ, не получавших лечения, установлена разная степень выраженности продукции ПТГрП в разных образцах, не связанная со степенью дифференциации клеток опухоли (Bryden A.A. et al., 2002). Известно, что ПТГрП играет важную роль в молекулярных механизмах костного местазирования рака предстательной железы (Clarke N,W. et al., 2009). ПТГрП может активировать локальный остеолизис в участках кости, прилегающих к костным метастазам, что создает благоприятные условия для их развития и таким образом ПТГрП участвует в аутокринной регуляции роста опухоли. Наиболее выражена взаимосвязь инвазивного фенотипа опухоли и развития костного метастазирования с присутствием изоформы ПТГрП (1-139). ПТГрП является эффектором ростового фактора (TGF-β1), участвующеего в развитии и прогрессировании остеолитических костных метастазов. Этот ростовой фактор, проникая в костную ткань, индуцирует образование ПТГрП в опухолевых клетках. Затем этот белок стимулирует разорбцию костной ткани, что повышает потенциал развития костных метастазов.
Установлено, что в клетках РПЖ и в ткани костных метастазов имеет место усиленная экспрессия конституитивно активированной рецепторной тирозинкиназы DDR2, участвующей в регуляции клеточной дифференцировки, ремоделировании внеклеточного матрикса, клеточной миграции и дифференциации, что способствует активации инвазии клеток РПЖ. Сверхэкспрессия DDR2 в клетках РПЖ приводит к заметному ускорению дифференциации остеокластов и активации резорбции костной ткани, в то время как нокдаун DDR2 вызвал вызывал противоположные эффекты. Доказано в эксперименах на животных, что DDR2 способствует остеолитическому метастазированию регулируя экспрессию,секрецию и активацию промотора ПТГрП посредством модулирования фактора транскрипции RUNX2. Таким образом, DDR2 участвует в TGF-β-опосредованной активации остеокластов и резорбции костной ткани и играет существенную роль в метастазировании рака простаты (Yan Z. et al., 2014). ПТГрП участвует в различных сложных путях внутриклеточной и трансмембранный передачи сигналов в опухоли (Alokail M.S., 2007). ПТГрП стимулирует остеокластопосредованную резорбцию кости. Матричные металлопротеиназы (ММР-2,-3,-7,-9) могут осуществлять процессинг ПТГрП 1-36 на отдельные пептиды (ПТГрП 1-17; ПТГрП 18-26 и ПТГрП 27-36). ММР-индуцированные пептиды обладают разными биологическими свойствами и влиянием на остеобласты и остеокласты. Установлено выраженное влияние ПТГрП 1-17 и ПТГрП 1-36 на стимулирование дифференцировки остеобластов invitro. Однако in vivo ПТГрП 1-36 индуцировал четкий остеолитический эффект, который не наблюдался у ПТГрП 1-17. Эти данные позволили полагать, что ММР играют существенную роль в регуляции остеолитически-остеогенной реакции при метастатическом РПЖ (Frieling J.S. et al., 2015).