Principles of premetastatic niche formation

Full Text

Злокачественные опухоли являются причиной около 9,6 млн смертей ежегодно, причем 90% из них связано с распространением метастазов [1–3]. Несмотря на высокие показатели летальности, связанные с метастатическим поражением органов и тканей, распространение опухолевых клеток по организму – крайне неэффективный процесс, поскольку лишь 0,01% из них даст начало новому опухолевому очагу [4]. Большинство клеток метастатического пула будет уничтожено иммунной системой; а те единицы, которые смогут выжить и закрепиться в каком-либо определенном органе-реципиенте, могут довольно долгое время находиться в неактивном состоянии, пока дополнительные триггеры их не активизируют [5]. Это вполне оправдано, ведь в норме здоровые ткани не предназначены для поддержания жизнедеятельности клеток метастатического пула и имеют многоуровневые системы защиты от них, которые должны быть уничтожены. Во-первых, данная область должна обладать дефектом сосудистой проницаемости для выхода опухолевой клетки из микроциркуляторного русла и проникновения в экстрацеллюлярный матрикс; во-вторых, в данной области должны быть ослаблены механизмы иммунной защиты, способные уничтожить единичную опухолевую клетку; в-третьих, необходимо доступное и количественно адекватное потребностям будущего опухолевого очага наличие питательных веществ, что обеспечивается местным микроциркуляторным руслом [6]. Первоначально метастазирование объясняли исключительно с анатомо-физиологической точки зрения путем распространения метастатических эмболов с током крови и лимфы либо непосредственной имплантацией опухолевых клеток в рядом расположенные ткани [7]. Однако в 1889 г. С. Педжет впервые опубликовал свою теорию под названием «seed and soil» (от англ. – семена и почва), согласно которой процесс метастазирования строго упорядочен за счет кооперации и взаимодействия между клетками первичной опухоли («семена») и органом, принимающим метастаз («почва») [8]. В дальнейшем последователи данной теории смогли предоставить большое количество доказательств ее достоверности, что позволило, основываясь на исследованиях последних лет, сформулировать термин «(пре)метастатическая ниша» как комплексное понятие, объединяющее стромальные клетки, сосуды, другие поддерживающие клетки, экстрацеллюлярный мактрикс и их изменения при взаимодействии с первичной опухолью (преметастатическая ниша) [9] и непосредственное взаимодействие с опухолевыми клетками при достижении ими пункта назначения для формирования вторичной опухоли (метастатическая ниша), т.е. характерные изменения в органе-реципиенте должны произойти еще до метастазирования.

Неслучайность локализации преметастатической ниши

Активно делящиеся опухолевые клетки метастатического пула нуждаются в особых питательных веществах. Например, клетки рака молочной железы (РМЖ), колонизировав легкие, катаболизируют пролин для поддержания своих потребностей в энергии [10] и полагаются на пируват для формирования метастатической ниши [11]; микроRNA122 изменяет метаболизм клеток легких и головного мозга, увеличивая доступность глюкозы для преметастатической ниши, чтобы обеспечить метаболизм прибывающих клеток РМЖ [12]. Рак яичника имеет тенденцию метастазировать в сальник, поскольку клетки метастаза обеспечивают свою жизнедеятельность за счет липидов адипоцитов [13]. Таким образом, преметастатическая ниша заранее представляет собой среду, адаптированную под потребности тех или других опухолевых клеток.

Опухолевые экзосомы как посредники между первичной опухолью и органом-реципиентом

Учеными продемонстрировано, что первичная опухоль играет главную роль в формировании преметастатической ниши за счет выделения различных растворимых факторов (цитокинов и хемокинов), которые способны мобилизовать полипотентные прогениторные клетки костного мозга (ПК_КМ) для ее формирования [14], а также перепрограммировать клетки органов-реципиентов [15]. Но каким образом первичная опухоль способна влиять на расстоянии на будущую преметастатическую нишу? Доказано, что координатором данного процесса выступают опухолевые экзосомы – мембранные пузырьки размером 30–100 нм, формирующиеся из эндосом путем их соединения с клеточной мембраной с последующим отсоединением, содержащие цитокины, транскрипционные факторы, факторы роста и другие биологически активные молекулы, такие как фрагменты ДНК, микроРНК, мРНК, LncРНК и т.д. [3, 6, 15, 16]. Также они способны передавать в область метастазирования такие свойства первичной опухоли, как приобретенная устойчивость к химиотерапии и повышенная инвазивность [17–19]. Следует отметить, что количество выделяемых опухолью экзосом увеличивается при воздействии гипоксии, которая возникает при прогрессии первичной опухоли, когда рост сосудов не успевает за активным делением клеток, и связана с HIF-1a-путем [20]. Следовательно, чем крупнее первичный очаг, тем больше экзосом он способен подготовить и выделить и тем быстрее формируются новые преметастатические ниши.

Таким образом, экзосомы являются ключевыми фигурами, обеспечивающими доставку необходимых сигналов от первичной опухоли к тканям будущей преметастатической ниши.

Подготовка к формированию преметастатической ниши

Итак, опухоль посредством экзосом начала воздействовать на ткани органа-реципиента для обеспечения будущего метастатического поражения. Во-первых, в месте проникновения метастатического клона отмечается нарушение сосудистой проницаемости для облегчения его внедрения. Экспериментальное введение опухолевых экзосом, содержащих miR-105, приводило к нарушению плотных контактов между эндотелиоцитами в органах, наиболее часто подверженных метастатическому поражению [21]. Неясной для подготовки преметастатической ниши остается роль перицитов, однако продемонстрировано, что экспериментальная инактивация в них KLF4 тормозила метастазирование в легкие [22]. Во-вторых, для движения метастатического клона из сосуда в ткани необходимы изменения экстрацеллюлярного матрикса органа-реципиента, поскольку в норме он непригоден для прикрепления и миграции опухолевых клеток [23]. Последние исследования показывают, что ПК_КМ, экспрессирующие сосудистый фактор роста (VEGF)-R1 и VLA-4, под влиянием опухолевых экзосом создают в органе-реципиенте среду, богатую фибронектином, за счет секретирования матриксной металлопротеиназы-9, облегчающую метастазирование [24]. Также опухолевые экзосомы активно «вербуют» макрофаги, заставляя их экспрессировать провоспалительные маркеры интерлейкин-6, фактор некроза опухоли a, G-CSF и CCL2 за счет активации сигнального пути NF-kB [25], поскольку наличие хронического воспаления считается необходимым изменением в тканях органов-реципиентов [26, 27]. Они обнаруживаются и в первичной опухоли, и в преметастатической, и метастатических нишах и регулируют процесс метастазирования сразу в нескольких направлениях [28], а ингибирование макрофагов приводит к подавлению процесса метастазирования [29]. Похожие эффекты обнаружены в отношении РМЖ: клетки первичной опухоли выделяют фермент лизин оксидазу, которая обеспечивает рекрутирование миелоидных клеток для формирования преметастатической ниши [30]; аналогичные изменения (за счет активации остеокластов) готовят ниши для формирования метастазов в костях [31]. Экзосомы СТ26 колоректального рака еще до метастатического поражения сторожевого лимфатического узла запускают рост лимфатических сосудов через VEGF-C, выделяемый макрофагами, фагоцитировавшими данные экзосомы [32]. Воздействие на купферовские клетки печени экзосом протоковой аденокарциномы поджелудочной железы заставляет их секретировать трансформирующий ростовой фактор b, что индуцирует звездчатые клетки печени секретировать фибронектин, делая строму органа более фиброзной и создавая необходимые физические характеристики для роста и распространения опухолевых клеток [33]. Но самая неожиданная функция рекрутированных макрофагов обнаружена в 2019 г. H. Kim и соавт.: клетки метастатического клона двигаются в тканях органа-реципиента по «микротрекам» в экстрацеллюлярном матриксе, проложенном заранее макрофагами [34].

Изменения местного иммунитета в преметастатической нише

Проопухолевые иммунные клетки являются важным компонентом микроокружения преметастатической ниши, обладая двусторонним влиянием на опухолевые клетки. С одной стороны, это сдерживающие рост метастазы CD8 Т-лимфоциты и NK-клетки (причем количество лимфоцитов вокруг метастазов всегда меньше, чем в первичной опухоли [35]), а с другой промоторы опухолевого роста: макрофаги типа М2 и определенные клетки миелоидного ряда (myeloid-derived suppressor cells MDSCs), в которые трансформируются ПК_КМ под действием опухолевых экзосом [36]; они создают в органе-реципиенте необходимую для метастазирования провоспалительную среду и состояние иммуносупрессии за счет экспрессии Cox2, интерлейкина-6, VEGF и аргиназы-1 [37].

В эксперименте показано, что нейтрофилы также появляются в легких еще до формирования метастазов, привлекаемые факторами, секретируемыми первичной опухолью, и даже способны активировать «спящие» опухолевые клетки, уже находящиеся там [38]. Подавление эффективности противоопухолевой защиты Т-лимфоцитов и NK-клеток происходит в том числе из-за изменения метаболизма в метастатической нише: уменьшение количества основных метаболитов, таких как глюкоза, аргинин и триптофан или накопление нежелательных продуктов, таких как лактат [39], в выделении которого задействованы перепрограммированные на отдалении опухоль-ассоциированные фибробласты [40]. Данные изменения гомеостаза также активируют MDSCs и поляризуют макрофаги в М2-тип [41]. Причем экзосомы метастазирующей меланомы способны воздействовать на MDSCs мышей без опухолей, трансформируя их в прометастатический и проваскулогенный фенотип [42], а опухолевые макрофаги сами начинают выделять экзосомы, действие которых потенцирует уже имеющиеся эффекты [19]. Y. Yang и соавт. показали наличие на экзосомах РМЖ лигандов запрограммированной гибели клеток-1 (PD-L1), подавляющих функциональные возможности Т-лимфоцитов [43]. Помимо этого опухолевые экзосомы запускают их апоптоз, сдвигая равновесие в сторону уклонения опухолевых клеток от иммунного надзора [44].

Клинические подходы воздействия на преметастатическую нишу

Высокая смертность при возникновении отдаленных метастазов связана с отсутствием в настоящее время эффективной стратегии лечения [2], поскольку в большинстве случаев метастазы резистентны к химиотерапии (как сказано ранее, данное свойство также передается от первичной опухоли через экзосомы). Однако проведенные исследования показали, что воздействие на метаболизм метастатических клеток может стать ключом к решению проблемы. Так, диета с низким содержанием фруктозы подавляет прогрессирование метастазов в печени эффективнее, чем химиотерапевтические препараты 1-й линии [45]. Активация местного иммунитета путем лечения ингибиторами контрольных точек иммунитета также дала многообещающие результаты при метастазирующей меланоме [46, 47] и РМЖ, при этом количество PD-L1-рецепторов на экзосомах является предиктором ответа на анти-PD-L1-терапию [48]. Конечно, идеальным вариантом было бы блокирование передачи сигнала от первичной опухоли через экзосомы. Еще в XVI в. в классической китайской медицине использовали Dahuang Zhechong Pill (DZP) для лечения новообразований брюшной полости, а в XXI в. доказано, что данный эффект достигается путем блокирования опухолевых экзосом и цепи событий, связанной с запуском ими изменения опухолевого микроокружения [49].

Таким образом, пристальное внимание и изучение принципов формирования (пре)метастатической ниши может стать теоретической основой для профилактики метастатического поражения и ингибирования трансформации микрометастазов в макрометастазы.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests. The authors declare that there is not conflict of interests.

About the authors

Yulia S. Korneva

Smolensk State Medical University; Smolensk Regional Institute of Pathology

Author for correspondence.
Email: ksu1546@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8080-904X

Cand. Sci. (Med.), Smolensk State Medical University, Smolensk Regional Institute of Pathology

Russian Federation, Smolensk

Roman V. Ukrainets

Smolensk State Medical University; Smolensk Regional Institute of Pathology

Email: ukrainets.roman@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0590-1399

Аssistant, Smolensk State Medical University, Smolensk Regional Institute of Pathology

Russian Federation, Smolensk

References

Supplementary files