Раковые стволовые клетки

Со времени объявления широкомасштабного наступления на рак прошло уже 30 лет – вполне достаточный срок для подведения итогов. Тем более что медикам есть о чем рассказать. За истекшие годы на 85% выросла выживаемость детей, пораженных некоторыми формами рака. Для борьбы с другими видами онкологических заболеваний найдены препараты, способные держать процесс под контролем и обеспечивать больному вполне приемлемые условия существования. Так, в 2001 г. был одобрен предназначенный для лечения хронического миелолейкоза (ХМЛ) препарат Gleevec, благодаря которому многих пациентов удалось перевести в стадию ремиссии. Однако ремиссия не означает полного выздоровления, поскольку в организме остается некий пул дремлющих раковых клеток.

Долгое время считалось, что любая оставшаяся в организме опухолевая клетка способна вновь запустить патологический процесс. Поэтому все усилия клиницистов были направлены на уничтожение максимально возможного их числа. Вероятность успеха такого подхода была мало предсказуема, а в случае сОлидных опухолей на поздних стадиях прогноз оставался неутешительным.

Выяснилось, однако, что для эффективной борьбы с хроническим миелолейкозом и некоторыми другими формами рака достаточно уничтожить только особые раковые клетки, составляющие небольшой процент от общего их числа. Именно они побуждают к бесконтрольному делению новые клетки, а возможно, даже служат «зародышем» процесса малигнизации, отчего их и называют «стволовыми раковыми клетками». Возможно, когда-то они сами или их незрелые потомки были обычными стволовыми клетками, которые затем претерпели злокачественное перерождение.

Гипотеза о существовании немногочисленной популяции раковых стволовых клеток, запускающих онкологический процесс, не нова. Всерьез данной проблемой начали заниматься в 50–60-х гг. прошлого столетия в связи с исследованием сОлидных опухолей и злокачественных заболеваний крови. Наблюдения за нарушениями развития тканей помогли биологам установить основные закономерности формирования и роста здоровых тканей.

Сегодня изучение стволовых клеток во многом помогает исследованию онкогенеза. За последние 50 лет удалось прояснить детали механизмов регуляции поведения нормальных стволовых клеток и их потомков. В результате выяснилось, что характерная для них иерархическая организация имеет место и в популяции раковых клеток любой опухоли. Это обстоятельство служит веским доводом в пользу теории, согласно которой многие новообразования берут начало от совершенно особых клеток, сходных со стволовыми. И для того, чтобы найти способы их уничтожения, необходимо выяснить, как «хорошие» стволовые клетки превращаются в «плохие».

ОБЗОР: Раковые стволовые клетки
– Принято считать, что все раковые клетки обладают одинаковым пролиферативным потенциалом и несут равную ответственность за развитие онкологического заболевания. Однако при многих видах рака такими свойствами оказывается наделенной лишь небольшая часть клеток опухоли.
– Клетки, находящиеся у истоков ракового заболевания, и стволовые клетки имеют много общих черт: в частности, это неограниченная продолжительность жизни и способность давать начало клеткам других типов. Такие аналогии позволяют называть их раковыми стволовыми клетками.
– Злокачественные родоначальные клетки, по-видимому, появляются в результате сбоя в регуляторной системе поврежденных стволовых клеток или их прямых потомков.
– Раковые стволовые клетки – мишень номер один для противоопухолевых препаратов.

Все под контролем

Тело человека формируется из множества органов и тканей, состоящих из клеток, продолжительность жизни которых невелика. Так, верхний слой кожи почти полностью обновляется каждый месяц, его клетки отшелушиваются и заменяются новыми. Клетки выстилки кишечника «живут» не более двух недель, а тромбоциты – клетки крови, участвующие в ее свертывании, – всего 10 суток.

Механизм, обеспечивающий постоянство популяций функционирующих клеток в разных тканях, действует в строгом соответствии с потребностями организма. Его питают небольшие пулы самоподдерживающихся стволовых клеток, которые служат «фабриками» по выпуску дифференцированных клеток, замещающих отмирающие. С переходом на каждую новую ступень специализация клеток все больше конкретизируется, и они постепенно утрачивают способность к самообновлению.

Наиболее показательным примером такой системы служит образование форменных элементов крови и клеток иммунной системы. Родоначальниками всех функциональных клеток, обнаруженных в крови и лимфе, служат гемопоэтические стволовые клетки (ГСК), находящиеся в костном мозге. На их долю приходится менее 0,01% суммарного числа клеток костного мозга взрослого человека, и каждая из них дает начало более многочисленным популяциям частично специализированных родоначальных клеток. Затем из них образуются дифференцированные зрелые клетки, выполняющие самые разные функции: от защиты организма от патогенов до доставки кислорода к органам и тканям. Сами стволовые клетки остаются при этом недифференцированными благодаря присущей им уникальной способности к самоподдержанию: в самом начале стволовая клетка делится пополам, но дальнейшим превращениям подвергается только одна из образовавшихся дочерних клеток, вторая остается неизменной. В результате численность пула стволовых клеток не меняется, а популяции специализированных гемопоэтических клеток быстро разрастаются в ответ на потребности организма.

Способность стволовых клеток к самоподдержанию через пролиферацию – самое важное свойство, позволяющее их идентифицировать. Только они имеют неограниченную продолжительность жизни и в то же время могут размножаться. В отличие от стволовых клеток, их прямые потомки (родоначальные клетки), хотя и в состоянии самообновляться, но имеют внутренний механизм учета клеточных делений, ограничивающий продолжительность их жизни. Чем более дифференцированными становятся потомки первичных клеток, тем меньшее число делений они могут претерпевать.

Практическая значимость данных особенностей отчетливее всего проявляется при пересадке гемопоэтических стволовых клеток и их потомков. После лучевого разрушения кроветворной системы у мышей родоначальные клетки устремляются в область костного мозга. Они быстро пролиферируют и на какое-то время восстанавливают механизм производства крови, но через 4–-8 недель погибают. Трансплантация же единственной гемопоэтической стволовой клетки буквально возрождает систему кроветворения – она функционирует до конца жизни подопытного животного.

Система гемопоэза была детально изучена более 30 лет назад, а недавно аналогичные иерархические клеточные цепи были обнаружены в других тканях: головном мозге, молочной и предстательной железе, тонкой и толстой кишке, коже. Было установлено, что во всех случаях поведение стволовых клеток подчиняется одним и тем же правилам. В частности, имеются системы контроля численности их пула и механизмы принятия решения относительно судьбы индивидуальных клеток. Ключевую роль здесь играют несколько генов, в частности, Bmi-1, Notch, Sonic hedgehog и Wnt. Большинство из них было идентифицировано онкологами, а не специалистами по стволовым клеткам, поскольку названные гены причастны также к развитию различных онкологических заболеваний.

Согласно классическому определению, злокачественность подразумевает способность клеток к бесконечному делению, инвазии в соседние ткани и метастазированию (миграции на большие расстояния). Фактически все свойственные обычным клеткам ограничения, налагаемые на пролиферацию и сохранение идентичности, у раковых клеток отсутствуют. Характерная для нормальных стволовых клеток способность к самоподдержанию тоже дает им степень свободы, недоступную большинству других. Они могут давать начало тканям самого разного типа, а опухоль отличается гетерогенностью: создается впечатление, что она представляет собой целый орган, только совершенно неструктурированный. Доказано, что в ответ на сигнал о повреждении гемопоэтические стволовые клетки направляются в самые отдаленные части тела. Точно так же и раковые клетки могут распространяться по всему организму. Но стволовые клетки делятся и дифференцируются под строгим контролем. Без такого регулирующего механизма их поведение будет мало чем отличаться от размножения раковых клеток.

Родословное древо клеток крови

Хранилищем гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) служит костный мозг, где они находятся в своеобразной нише в окружении стромальных клеток, которые участвуют в передаче регуляторных сигналов. Когда в организме возникает дефицит клеток крови или иммунной системы, ГСК начинают делиться. Одна дочерняя клетка остается в нише, поддерживая численность популяции ГСК на прежнем уровне, а другая, недолговечная, превращается в полипотентную стволовую клетку (ПСК). Последняя, в свою очередь, делится, образуя родоначальные миелоидную и лимфоидную клетки. Их потомки все более специализируются и постепенно утрачивают способность к пролиферации. В конце концов они перестают делиться и превращаются в полностью дифференцированные клетки крови и иммунной системы, циркулирующие по всему организму. Неограниченным пролиферативным потенциалом обладают только ГСК.

Ахиллесова пята

Использование организмом стволовых клеток, присутствующих в некоторых тканях (в первую очередь, в быстро обновляемых, таких как кожа), кажется слишком сложным и неэффективным способом замещения поврежденных или отслуживших свой срок «деталей». Не проще ли было бы инициировать пролиферацию клеток той же ткани, соседствующих с теми, что вышли из строя? На первый взгляд – да, но такой метод чреват возникновением рака.

Считается, что клетка становится злокачественной, когда в ее ключевых генах накапливается такое число онкогенных изменений, что она утрачивает контроль над числом делений. Обычно мутации возникают в результате прямого действия различных внешних факторов (радиация, химические вещества и т.д.) или вследствие случайных ошибок при копировании генетического материала клетки, предшествующем ее делению. Численность популяций долгоживущих стволовых клеток в органах, где чаще всего возникает рак, очень мала. Поэтому, с одной стороны, их будет ничтожно мало среди тех клеток, которые превратились в раковые в результате накопления патогенных превращений, но с другой, именно вследствие «бессмертности» у них больше шансов претерпеть за свою долгую жизнь злокачественную трансформацию.

Если все вышесказанное справедливо, то это объясняет, почему многие формы рака развиваются спустя десятки лет после радиационного облучения: давнее повреждение могло быть только первым шагом в череде событий, превращающих нормальную клетку в раковую. Природа строго регулирует процессы самообновления, и ею предусмотрено, что если некая клеточная популяция уже обладает такой способностью, то для ее трансформации в злокачественную должно накопиться больше мутаций, чем в обычных клетках. Таким образом, можно построить несколько моделей возникновения рака. Согласно одной из них, мутации возникают в самих стволовых клетках, и в результате утраты контроля над самообновлением образуется некий пул стволовых клеток, предрасположенных к онкогенной трансформации. Последующие воздействия, запускающие пролиферацию этих клеток с образованием опухоли, могут произойти на уровне как самих стволовых клеток, так и их потомков – коммитированных родоначальных клеток. Другая модель предполагает, что раковые мутации возникают в стволовых клетках, но все дальнейшие события, ведущие к злокачественной трансформации, совершаются только в коммитированных родоначальных клетках. В рамках данного сценария предполагается, что утраченная клетками-предшественниками способность к самообновлению каким-то образом восстанавливается.

Согласно последним данным, право на существование имеют обе модели: все зависит от типа рака. Более того, известен, по крайней мере, один случай, когда в развитии заболевания на разных стадиях действует сначала один, а потом другой механизм. Хронический миелолейкоз характеризуется резким усилением образования гранулоцитов, вызванным злокачественным перерождением полипотентной стволовой клетки в результате аномального слияния двух генов. В отсутствие лечения болезнь прогрессирует и переходит в острую форму – бластный криз. По данным Катрионы Джеймисон (Catriona Jamieson) и Ирвинга Вейсмана (Irving Weissman) из Медицинской школы Стэнфордского университета, у таких больных отмечаются дополнительные генетические изменения, в результате которых некоторые родоначальные клетки приобретают способность к самообновлению.

Дороги, ведущие к катастрофе

Раковые стволовые клетки, дающие начало злокачественным новообразованиям, обнаружены у пациентов, страдающих различными формами онкологических заболеваний крови, и больных с некоторыми сОлидными опухолями. Как появляются такие клетки? Как и обычные стволовые клетки, их злокачественные варианты обладают способностью к самообновлению путем деления без дифференцировки и, следовательно, дают начало бесконечному числу аномальных дифференцированных клеток, из которых состоит опухоль. Потомки таких клеток, однако, имеют ограниченную продолжительность жизни и сами по себе не могут быть онкогенными, т.е. не способны генерировать новые раковые клетки. Поведение нормальных стволовых клеток строго контролируется встроенной в них генетической программой и теми сигналами, которые они получают от ближайшего окружения. Таким образом, решающую роль в окончательном превращении здоровых стволовых клеток в раковые может играть то, как они отвечают на внешние сигналы (а, б, в). Возможно также, что мутации, имеющиеся в стволовых клетках, наследуются их незрелыми потомками, клетками-родоначальницами. Под влиянием последующих метаморфоз они могут вновь приобрести способность к самообновлению, в норме свойственную только стволовым клеткам (г). При разных видах рака можно проследить все перечисленные варианты развития событий:

а) Ниша большего размера
Раковые стволовые клетки с онкогенными мутациями находятся под строгим контролем, осуществляемым их окружением (нишей), до тех пор, пока не произойдут дальнейшие изменения в самих раковых стволовых клетках, или пока ниша не расширится. В последнем случае появляется возможность увеличения популяции раковых стволовых клеток и числа их аномальных потомков

б) Другая ниша
Онкогенные мутации в раковых стволовых клетках порождают изменения, в результате которых эти клетки не могут адаптироваться к новой нише. В таком случае их численность может увеличиться, и они распространятся по всему организму

в) Независимость от ниши
В стволовых клетках, уже предрасположенных к злокачественному перерождению, могут возникнуть мутации, вследствие которых утрачивается контроль над ними

г) Самообновляющиеся мутации
Родоначальные клетки, предрасположенные к злокачественному перерождению из-за мутаций, которые они унаследовали от родительских стволовых клеток, претерпевают дальнейшие изменения. Их следствием может стать восстановление способности к самообновлению. Такие клетки-родоначальницы живут бесконечно долго, являются онкогенными и становятся раковыми стволовыми клетками

Шаг за шагом

Появившиеся за последние 10 лет свидетельства того, что стволовые клетки могут претерпевать злокачественную трансформацию и что только небольшая часть опухолевых клеток обладает свойствами, подобными свойствам стволовых клеток, убедили исследователей, что у истоков канцерогенеза находится субпопуляция раковых клеток, сходных со стволовым. Подобная гипотеза была выдвинута достаточно давно, однако проверить ее справедливость не позволяло отсутствие соответствующих методов.

Еще в начале 1960-х гг. стали появляться данные, что группы клеток одной и той же опухоли различаются по своей способности давать начало новым опухолям. В 1971 г. C.H. Park и его коллеги из Университета Торонто обратили внимание, что в культуре миеломных клеток (миелома – онкологическое заболевание, поражающее плазматические клетки костного мозга) наблюдаются значительные различия в способности к пролиферации. Дать однозначное объяснение такому явлению исследователи в то время не могли. Возможно, по случайности не все клетки в культуре могли размножаться одинаково, а может быть, раковые стволовые клетки, среди прочего, давали начало также и неонкогенным непролиферирующим клеткам.

В 1967 г. Филип Фиалкоу (Philip J. Fialkow) из Вашингтонского университета пришел к выводу, что у человека имеется класс стволовых клеток, которые, возможно, ответственны за возникновение хронического миелолейкоза. Он обнаружил, используя в качестве маркера фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу (Г-6-ФД), что у некоторых женщин, страдающих этим заболеванием, как злокачественные клетки, так и их дифференцированные потомки, не обладающие онкогенностью, происходят от одной родительской клетки.

Приведенные наблюдения сыграли важную роль в разработке модели «стволового» происхождения данной формы рака, но подтвердить ее или опровергнуть не было возможности, поскольку специалисты не могли изолировать и исследовать по отдельности разные клеточные популяции одной опухоли. Дело сдвинулось с мертвой точки в начале 1970-х гг., когда был изобретен метод проточной цитометрии, позволивший автоматически осуществлять сортировку клеток, основываясь на наличии на их поверхности уникальных маркеров.

Еще одним важным событием стала разработка в 1990-х гг. теста на способность клеточных популяций к самообновлению. Его применение к клеткам человека стало возможно только после того как Ирвинг Вейсман и Джон Дик (John E. Dick) из Университета Торонто разработали метод, обеспечивающий рост нормальных стволовых клеток человека в теле мышей. Используя проточную цитометрию и упомянутую новую методику, Дик в 1994 г. приступил к идентификации раковых стволовых клеток при лейкозах. В 2003 г. Ричард Джонс (Richard Jones) из Университета Джонса Хопкинса идентифицировал популяцию раковых стволовых клеток у больных множественной миеломой.

В том же году группа исследователей из нашей лаборатории в Мичиганском университете в Анн-Арбор обнародовала первые данные о наличии раковых стволовых клеток в сОлидных опухолях. Мы трансплантировали мышам разные популяции клеток опухолей молочной железы человека и обнаружили, что не все они обладают одинаковой способностью вызывать образование опухоли у подопытных животных. Только одна субпопуляция клеток привела к воссозданию опухоли, идентичной исходной, в новом окружении. Далее мы сравнили фенотипы (физические свойства) новых опухолей с биоптатом, взятым у больной, и установили их идентичность. Таким образом, трансплантированные онкогенные клетки обладали способностью к самообновлению и давали начало всем клеточным популяциям, присутствующим в исходной опухоли, в том числе и неонкогенным.

Итак, согласно нашим исследованиям, в опухолях молочных желез существуют такие же иерархические отношения между клетками, как те, что были выявлены при злокачественных заболеваниях крови. Вскоре аналогичные данные были получены и для других форм рака. Например, в 2004 г. Питер Диркс (Peter Dirks) из Университета Торонто идентифицировал клетки первичных опухолей нервной системы человека, способных давать начало аналогичному заболеванию у мышей. Кроме того, он обнаружил необычайно большое число предположительно раковых стволовых клеток в одной из наиболее агрессивных опухолей костного мозга – медуллобластоме.

В пользу «стволовой» модели канцерогенеза говорят и результаты, полученные в смежной области исследований. По-видимому, решающее значение в возникновении и поддержании злокачественности имеет то окружение (ниша), в котором находится клетка. Исследование обычных и стволовых клеток четко указывает на роль сигналов, поступающих из близлежащих тканей и внеклеточного матрикса, в определении идентичности клетки и ее судьбы. Например, известно, что нормальные клетки организма, изъятые из привычной среды и помещенные в чашку Петри, частично утрачивают способность к дифференцировке. Однако если культивировать стволовые клетки в условиях, где отсутствуют факторы, сдерживающие их специализацию, то они очень быстро пролиферируют и дифференцируются. Создается впечатление, что именно так они внутренне запрограммированы, и только внешние сигналы, поступающие от окружающих тканей, держат их под контролем.

Ниши, в которых находятся стволовые клетки в организме, выстланы специализированными клетками, такими как стромальные (из них образуется соединительная ткань костного мозга). За редким исключением стволовые клетки не покидают своей ниши и иногда бывают физически связаны с ней при участии молекул адгезии. Родоначальные клетки, напротив, выходят из ниши. Имея в виду ту роль, которую играет окружение обычных стволовых клеток в поддержании их в недифференцированном состоянии и в активации в ответ на поступление сигнала о необходимости появления новых клеток, можно предположить, что такие же локальные внешние сигналы распоряжаются судьбой и раковых стволовых клеток. Подтверждением тому служат следующие эксперименты. Когда стволовые клетки, предрасположенные к злокачественному перерождению под влиянием онкогенных мутаций, помещают в новую нишу, они не инициируют образование опухоли. И напротив, если нормальные стволовые клетки трансплантировать в предварительно облученную ткань, опухоль будет развиваться.

Кроме того, установлено, что если злокачественные стволовые клетки удерживались в состоянии покоя с помощью окружения, образующего нишу, а затем эта ниша тем или иным образом изменялась или увеличивалась в размерах, численность злокачественных стволовых клеток начинала возрастать. Возможно, правда, что определенные онкогенные мутации в раковых стволовых клетках позволили им адаптироваться к новым условиям и занять весь доступный объем. Есть и еще одно предположение: под влиянием мутаций раковые стволовые клетки вообще перестают реагировать на внешние сигналы, контроль над ними полностью утрачивается.

Корень зла
Используя методы сортировки опухолевых клеток и выявления их способности к самообновлению, биологи обнаружили стволовые раковые клетки, которые составляют малую часть всей популяции опухолевых клеток. Ниже перечислены те формы онкологических заболеваний, для которых однозначно выявлено наличие злокачественных стволовых клеток, способных к самообновлению и к регенерации всех типов клеток, составляющих исходную опухоль:
Острый миелолейкоз (1994)
Острый лимфобластный лейкоз (1997)
Хронический миелолейкоз (1999)
Рак молочной железы (2003)
Множественная миелома (2003)
Опухоли мозга (2004)
Рак предстательной железы (2005)

Крайне небольшое число раковых стволовых клеток может давать начало опухолевому процессу, непрерывно пополнять популяцию клеток опухоли и регенерировать ее после удаления или разрушения большинства ее клеток. В таком случае полное излечение раковых больных, по-видимому, возможно только при уничтожении абсолютно всех стволовых раковых клеток.

Каков итог?

Теперь, когда мы знаем об истинном происхождении многих форм рака, стратегия борьбы со смертельным недугом представляется одновременно и очевидной, и пока что труднореализуемой. Современные методы лечения онкологических заболеваний имеют своей целью уничтожение всех опухолевых клеток. Но, как показывают исследования последних лет, за развитие патологического процесса отвечает лишь небольшая их часть. И если при удалении опухоли в организме останется данная особая клеточная популяция, то возобновления злокачественного процесса не избежать. Напротив, если уничтожить именно ее, то остальные клетки опухоли погибнут сами собой.

Подобные случаи наблюдались в медицинской практике. Например, обследование опухоли яичка после химиотерапии показывает, что если в ней остаются только зрелые (полностью дифференцированные) клетки, то рецидивов, как правило, не возникает. Если же в образце опухоли обнаруживается много незрелых клеток, процесс, скорее всего, возобновится, поэтому по предписанной схеме врачи назначают повторный курс химиотерапии. Являются ли такие незрелые клетки недавно возникшими потомками, что указывает на присутствие в опухоли раковых стволовых клеток, – нужно еще выяснить, но корреляция между их наличием и прогнозом очевидна.

К сожалению, стволовые клетки нельзя идентифицировать исключительно по внешнему виду, поэтому для детального изучения их уникальных свойств прежде всего необходимо научиться обнаруживать и выделять их. В 2002 г. Крэг Джордан (Craig T. Jordan) и Моника Гузман (Monica L. Guzman) из Рочестерского университета определили молекулярные свойства стволовых клеток, по-видимому, ответственных за развитие острого миелолейкоза (ОМЛ), и доказали, что на них можно воздействовать. В прошлом году они сообщили о выделении из растения гваюлы вещества, которое побуждает ОМЛ-стволовые клетки к «самоубийству», но не оказывает никакого влияния на нормальные стволовые клетки.

Одни исследователи возлагают надежды на клетки иммунной системы, которые распознавали бы и уничтожали раковые стволовые клетки. Другие полагают, что с помощью уже имеющихся средств можно так изменить их окружение, что они лишатся условий, обеспечивающих их процветание. Третьи надеются на создание препаратов, которые заставят аномальные стволовые клетки интенсивно дифференцироваться и лишат их способности к самообновлению. Важнее всего то, что все перечисленные пути ведут к одной цели. Блокировав процессы, обеспечивающие поддержание раковых стволовых клеток, и прервав диалог между ними и их окружением, мы, возможно, сумеем обезоружить истинного виновника многих форм рака.

Майкл Кларк и Майкл Беккер, «В мире науки» № 10-2006

Об авторах
Майкл Кларк (Michael F. Clarke) – член совета директоров, профессор биологии рака и медицины в Стэнфордском институте биологии стволовых клеток и регенеративной медицины. Занимается идентификацией раковых стволовых клеток и изучением механизмов их регенерации.
Майкл Бекер (Michael W. Becker) – доцент отделения гематологии и онкологии Медицинского центра Рочестерского университета. В круг его научных интересов входит изучение лейкозных стволовых клеток.

Дополнительная литература
The Reversal of Tumor Growth. Armin C. Braun in Scientific American, Vol. 213, No. 5, pages 75–83; November 1965.
The Proteus Effect: Stem Cells and Their Promise for Medicine. Ann B. Parson. Joseph Henry Press, 2004.
Context, Tissue Plasticity, and Cancer: Are Tumor Stem Cells Also Regulated by the Microenvironment? Mina J. Bissell and Mark A. LaBarge in Cancer Cell, Vol. 7, pages 17–23; January 2005.
Leukaemia Stem Cells and the Evolution of Cancer-Stem-Cell Research. Brian J. P. Huntly and D. Gary Gilliland in Nature Reviews Cancer, Vol. 5, No. 4, pages 311–321; April 2005.
Stem Cells and Cancer: Two Faces of Eve. Michael F. Clarke and Margaret Fuller in Cell, Vol. 124, pages 1111–1115; March 24, 2006.