Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

VII. Основные принципы диагностики опухолей и лечения рака

Несмотря на серьёзные и разносторонние исследования последних лет, в области онкологии остаётся много проблем, которые в первую очередь связаны с ранней диагностикой и лечением отдельных нозологических форм заболевания. Одним из направлений диагностики опухолей являются поиск и разработка методов выявления индикаторов опухолевого процесса — опухолевых маркёров.

А. Опухолевые маркеры

Опухолевыми маркёрами (ОМ) называют соединения (белки, биологически активные пептиды, гормоны, ферменты и метаболиты), которые синтезируются раковыми клетками, либо клетками нормальных тканей в ответ на развитие рака. Они должны синтезироваться в организме опухоленосителя и отсутствовать в нормальных клетках, так как являются продуктами аномальной экспрессии генома раковой клетки. ОМ, как правило, обнаруживают в крови или других биологических жидкостях организма и используют для скрининга населения на носительство опухоли, как прогностический фактор, для оценки состояния пациента в клинической стадии и мониторинга в ходе лечения, а также в целях обнаружения рецидивов болезни.

Согласно современной классификации ОМ делят на три основные группы:

первичные опухолево-ассоциированные;
вторичные, продуцируемые опухолью (специфические и неспецифические);
вторичные, индуцируемые опухолевым процессом.

Эта классификация не лишена недостатков, так как одно и то же соединение может синтезироваться клетками опухоли и вырабатываться нормальными клетками органа в ответ на опухолевую инвазию.

Большинство известных в настоящее время ОМ не лишены недостатков. Почти во всех случаях при ряде патологических состояний, таких как воспалительные заболевания печени, поджелудочной железы и лёгких, отмечается неспецифическое, часто незначительное повышение уровня маркёра; иногда ОМ не определяется на ранней стадии болезни.

Онкофетальные белки

В клинической практике наиболее часто используют определение белков, которые обнаруживаются в эмбриональных тканях человека и крови в период внутриутробного развития. Они исчезают полностью либо остаются в следовых количествах после рождения. В ходе опухолевой прогрессии они начинают синтезироваться снова и секретируются в кровь.

Карциноэмбриональный антиген (КЭА) — одноцепочечный белок, гликопротеин с молекулярной массой от 150 до 300 кД, углеводная компонента которого составляет от 45 до 57% молекулярной массы. В углеводную часть молекулы в значительных количествах входят: фруктоза, манноза, галактоза, N-ацетил-глюкоз-амин. Определение этого ОМ наиболее часто проводят для диагностики рака прямой кишки и в слежении за состоянием больного в пост-операционном периоде. После полного и удачного удаления опухоли концентрация КЭА снижается. Последующее повышение значений этого показателя у оперированных больных указывает на рецидив болезни и высокую вероятность метастазов.

α-Фетопротеин (α-ФП) — гликопротеин с молекулярной массой 61—70 кД, близкий по строению к альбумину. Углеводная часть составляет ~5% от общей массы белка. Он является нормальным сывороточным белком зародыша, синтезируется в печени, желточном мешке и ЖКТ и выделяется в кровь. Наиболее высокая концентрация этого белка наблюдается в ходе эмбриогенеза и внутриутробного развития плода. После рождения и в ходе первого года жизни ребёнка синтез и секреция α-ФП резко снижаются, и у взрослого человека его концентрация составляет лишь 20 нг/мл. Концентрация α-ФП повышается в крови при развитии рака печени, поэтому его определение используют для диагностики и в дальнейшем для оценки эффективности лечения.

В качестве опухолевых маркёров часто используют хорионический гонадотропин, плацентарную щелочную фосфатазу и некоторые другие плацентарные белки. β-Хорионический гонадотропин (β-ХГТ) — плацентарный гормон гликопротеиновой природы с молекулярной массой 45 кД, состоящий из α- и β-субъединиц. В норме он не обнаруживается вовсе или содержится в ничтожных концентрациях. При беременности гормон начинает синтезироваться и секретироваться в кровь, достигая максимальных значений к 12 нед (тест на беременность). Затем его содержание медленно снижается и остаётся на очень низком уровне до и после родов.

При опухолях яичников и семенников концентрация гормона, а в некоторых случаях только его β-субъединицы, повышается. Поскольку С-концевой участок β-субъединицы ХГТ имму-нореактивен, то иммуногистохимическое обнаружение гормона служит хорошим онкомаркёром в диагностике и слежении за ходом лечения наследственных и спорадических опухолей. Измерение уровня β-ХГТ в спинномозговой жидкости помогает диагностировать метастазы в мозг и в ЦНС.

В качестве ОМ используют также дифферен-цировочные антигены, которые представляют собой органо- или опухолеспецифические гликопротеины лимфоцитов (тканевый полипеп-тидный антиген, тканевый полипептидный специфический антиген и другие), определяющиеся в крови с помощью моноклональных антител.

Для рака предстательной железы в качестве ОМ наиболее чувствителен простатоспецифический антиген PSA (от англ. prostate specific antigen). Он практически не определяется у женщин, у мужчин в норме ниже 2 нг/мг, но существенно возрастает в злокачественных и доброкачественных опухолях предстательной железы.

Гормоны и их рецепторы (эстрогены и андрогены, паратгормон, кальцитонин, гормон роста, инсулин, глюкагон, АКТГ, катехоламины, серотонин) являются ОМ гормонпродуцирую-щих органов. Их определение широко используют в клинической практике (табл. 16-2).

Таблица 16-2.
Гормоны как опухолевые маркёры некоторых видов опухолей

Определение рецепторов гормонов в качестве опухолевых маркёров оказалось важным тестом в выявлении пациентов, у которых после хирургического вмешательства велика вероятность рецидивов заболевания и которым необходима химиотерапия.

Так, для больных раком молочной железы важнейшим фактором прогноза дальнейшего течения болезни является определение рецепторов эстрогенов и прогестерона. Присутствие рецепторов позволяет в большом проценте случаев (50-75%) получить положительные результаты при лечении антиэстрогеном тамоксифе-ном и увеличивает выживаемость.

Некоторые ферменты и белки используют для диагностики и контроля за эффективностью терапии. Так, при различных морфологических вариантах рака лёгкого наиболее перспективным является определение нейронспецифической енолазы и растворимого фрагмента цитокератина — структурного компонента цитоскелета эпителия бронхов.

Высокая активность в биопсийном материале катепсина D свидетельствует о высоком метастатическом потенциале опухоли и коррелирует с низкой выживаемостью онкологических больных. Другим ОМ, свидетельствующим о неблагоприятном течении болезни, является высокая активность сериновой протеазы — активатора плазминогена урокиназного типа. Этот фермент катализирует образование плазмина, который участвует в активации металлопротеаз и способствует развитию инвазивных процессов и метастазирования.

К ОМ, появляющимся в организме больного в ответ на развитие опухолевого процесса, относят белки острой фазы воспаления: ферритин, церулоплазмин, гаптоглобин, С-реактивный белок, изоформы ЛДГ и креатинкиназы.

Б. Лечение онкологических больных

К лечебным мероприятиям прибегают при обнаружении опухоли или на более поздних стадиях, используя химио-, радиотерапию и симптоматическое лечение. Важное условие успешного лечения — радикальное хирургическое удаление опухоли. Тактика лечения должна удовлетворять двум основным требованиям: оказывать цитостатический (предотвращающий пролиферацию) и цитотоксический (уничтожающий опухолевые клетки) эффекты. Однако химиотерапия прекращает синтез ДНК и клеточное деление по механизмам, общим для всех клеток, отсюда её токсичность и многочисленные побочные эффекты на здоровые, быстро пролиферирующие клетки: фолликулы волос, клетки кроветворной системы и кишечника. Успешность лечения связана с большей чувствительностью неопластических клеток к лекарствам по сравнению с нормальными, неизменёнными клетками и отражает компромисс между эффективностью в отношении опухоли и токсичностью для здоровых тканей. Лекарственные препараты, используемые в химиотерапии, включают алкилирующие агенты, повреждающие ДНК, антиметаболиты, которые ингибируют синтез нуклеиновых кислот, антибиотики, гормоны и природные соединения, оказывающие разнообразные эффекты.

Алкилирующие агенты

Алкилирующие агенты образуют связи с основаниями в молекуле ДНК и нарушают репликацию. Большинство алкилирующих агентов (циклофосфан, цисплатин, карбоплатин и др.) имеют две функциональные группы, каждая из которых может взаимодействовать с основаниями ДНК, образуя внутриклеточные и межцепочечные поперечные сшивки в двойной спирали ДНК. Эти связи могут формироваться на любой стадии клеточного цикла, благодаря чему действие алкилирующих агентов неспецифично в отношении фаз клеточного цикла (рис. 16-17).

Рис. 16-17. Образование сшивок алкилирующих агентов с остатками гуанина в молекуле ДНК

Антиметаболиты

Среди антиметаболитов в клинической практике наиболее часто используют метотрексат, 5-фгорурацил и цитозинарабинозид (см. разд. 10).

Метотрексат — производное фолиевой кислоты, по конкурентному механизму ингибирующий дигидрофолатредуктазу, активность которой поддерживает необходимую скорость синтеза пуриновых и тимидино-вых нуклеотидов в клетках, а в конечном счёте - РНК и ДНК.

5-фторурацил (5-FU) может превращаться в нуклеозидтрифосфат и включаться в РНК. Модифицированная таким образом РНК становится функционально неактивной. Кроме того, из 5-FU может синтезироваться 5-FdУМФ, который образует неактивный тройной комплекс с N⁵, N¹⁰-метилен-Н₄-фолатом и тимидилатсинтазой и, нарушая обеспечение клетки тимидиловыми нуклеотидами, ингибирует синтез ДНК.

Цитозин арабинозид (Ага-С) может фосфорилироваться до Ага-ЦТФ, который, с одной стороны, служит ингибитором ДНК полимеразы а, а с другой — частично включается в ДНК. Оба эффекта Ага-С блокируют синтез ДНК в S-фазе клеточного цикла.

Антибиотики атрациклинового ряда: доксоруби-цин, карминомицин и рубомицин (см. разд. 4) широко используют в лечении лейкозов и солидных опухолей, таких как рак молочной железы, лёгких и яичников. Эти полициклические соединения оказывают многоплановое действие на структуру и синтез ДНК: инициируют и вызывают частичное расщепление двойной спирали; способствуют образованию одно- и двухцепочечных разрывов; связываются с топоизомеразой II, участвующей в продвижении репликативной вилки по матрице ДНК. Кроме того, они генерируют свободные радикалы, которые увеличивают число разрывов в молекуле ДНК.

Алкалоиды Vinca — винкристин и винбластин. Растительные алкалоиды, которые связываются с белком микротрубочек тубулином и препятствуют его полимеризации. Их рассматривают как митотические яды, препятствующие продвижению клеток по циклу на стадии метафазы. Алкалоиды Vinca нарушают все виды подвижности клеток и её органелл, связанные с сокращением или релаксацией, микротрубочек. Винбластин и винкристин используют в клинической практике при лечении острого лимфобластного лейкоза, рака молочной железы, нейробластомы, сарком мягких тканей, меланомы, опухолей яичника.

Гормональная терапия

Хотя в процессе злокачественной трансформации нарушаются некоторые механизмы, контролирующие рост и дифференцировку тканей, но ряд опухолей всё же не ускользает полностью из-под регуляторного влияния организма, сохраняя рецепторы гормонов и нейромедиаторов на поверхности или внутри клеток. К ним прежде всего относят опухоли, происходящие из гормонзависимых тканей: молочной железы, матки, яичников, гипофиза, щитовидной железы, надпочечников, предстательной железы и некоторых других.

Поскольку синтез большинства стероидных гормонов регулируется гипоталамо-гипофи-зарной системой, то блокирование митоген-ного эффекта половых и кортикостероидных гормонов возможно на нескольких стадиях (рис. 16-18), например: на стадии действия гонадотропин-рилизинг гормона на переднюю долю гипофиза; ингибируя синтез стероидных гормонов на стадии превращения тестостерона в эстрадиол под действием фермента аро-матазы; за счёт присоединения антагонистов к рецепторам стероидных гормонов.

Рис. 16-18. Терапия гормонально-зависимого рака

Наиболее широко используют тамоксифен (рис. 16-19). Вместе с другими классами стероидных гормонов (прогестогенами, глюкокорти-коидами, андрогенами) он очень эффективен в лечении рака молочной железы.

Рис. 16-19. Строение эстрадиола и тамоксифена

Более половины опухолей молочной железы, яичников и эндометрия содержат рецепторы эстрогенов и прогестерона и поддаются гормонотерапии эстрогенами, антиэстрогенами и прогес-тинами, а также комбинациями гормонов с ци-тостатиками. Опухоли, не содержащие рецепторов, малочувствительны к гормонотерапии, поэтому определение уровня рецепторов эстрогенов и прогестинов широко используют для прогнозирования эффективности гормонтерапии при опухолях молочной железы, яичников и матки.

В. Лекарственная устойчивость опухолевых клеток

Несмотря на существенные успехи в области новых препаратов и подходов к лечению опухолей, химиотерапия во многих случаях остаётся малоэффективной. Главным фактором, ограничивающим успешность применения противоопухолевых средств, является лекарственная устойчивость, которая может быть:

первичной и, следовательно, свойственной злокачественным клеткам до начала лечения определёнными препаратами;
вторичной, которая развивается в ответ на введение лекарства.

В последнем случае в начале лечения наблюдается положительная динамика, но через некоторое время она исчезает. Высокая изменчивость опухолевых клеток и постоянно действующий отбор на большую злокачественность приводят к тому, что первоначально с помощью препаратов удаётся уменьшить размер опухоли. Позже оставшаяся субпопуляция клеток становится резистентной сразу к целой группе лекарств, развивается так называемая множественная лекарственная устойчивость (МЛУ) , сопровождающаяся рецидивами болезни и метастазами. Так, при лечении, например, винкристином, может возникнуть устойчивость опухолевых клеток не только к самому винкристину, но и к другим препаратам, которые не сходны по структуре и функциям с использованным лекарством, таким как доксору-бицин и этопозид. Существуют разные механизмы возникновения МЛУ (табл. 16-3).

Таблица 16-3.
Механизмы возникновения множественной лекарственной устойчивости

Некоторые биохимические механизмы лекарственной устойчивости, обнаруженные в опухолевых клетках, вызваны:

снижением накопления препарата в клетках;
появлением альтернативных путей метаболизма лекарства;
изменением структуры клеток-мишеней для данного препарата;
ослаблением апоптоза — процесса запрограммированной гибели клеток, с помощью которого из организма удаляются изменённые клетки.

Мембранный транспорт и Р-гликопротеины

В ряде случаев причиной МЛУ является почти 1000-кратное увеличение синтеза в опухолевых клетках мембранного белка Р-гликопротеина (см. раздел 12). Этот белок действует как энергозависимая помпа, которая осуществляет АТФ-зависимую «откачку» лекарств из клеток и препятствует их внутриклеточному накоплению в цитотоксических концентрациях. Возникновение МЛУ вызвано амплификацией и/или точечными мутациями в mdr-генах. Появление МЛУ коррелирует с плохим прогнозом заболевания.

Поиски ингибиторов Р-гликопротеина показали, что блокаторы Са²⁺-каналов верапамил и циклоспорин могут конкурировать с винкристином за активные центры этого белка и снижать устойчивость клеток к лекарству.

В этой связи практика показала, что лечение с помощью одного лекарства за редким исключением не способно привести к исцелению. Как правило, химиотерапию сочетают с радиотерапией, вызывающей в облучённой ткани индуцированные свободными радикалами разрывы нитей ДНК и апоптоз.

Г. Новые направления в лечении опухолей

Фотодинамическая терапия стала перспективным направлением лечения опухолей. Принцип терапии состоит в разрушении опухоли в результате введённых в неё веществ, которые переходят в активированное состояние при воздействии на них лазера. При облучении в присутствии молекулярного кислорода генерируются свободные радикалы. Цитотоксический эффект наблюдают главным образом в результате разрушения мембран клеток, а не повреждения ДНК, так как фотодинамическая терапия не вызывает мутаций.

Направленная доставка лекарств в клетки-ми-шени основана на разной экспрессии мембранных антигенов (рецепторов ФР, карциноэмб-рионального антигена и антител) на поверхности опухолевых и нормальных клеток. Количество таких белков на плазматической мембране раковых клеток сильно увеличено по сравнению с нормальными клетками.

Лиганды к этим белкам используют для доставки либо фермента, катализирующего превращение пролекарства на поверхности опухолевой клетки в активное лекарство, либо цитотоксичес-кого препарата, который благодаря этим белкам поступает в клетку-мишень по механизму эндо-цитоза, не вызывая эффекта МЛУ (рис. 16-20).

Рис. 16-20. Использование моноклональных антител для доставки лекарств или токсинов в опухолевые клетки

Подавление ангиогенеза или образования новых кровеносных сосудов приводит к нарушению роста опухоли. Пролиферацию эндотелиальных клеток капилляров можно ингибировать, воздействуя недавно открытыми ингибиторами ангиогенеза: ангиостатином или тромбоспондином.

Перспективными лекарствами могут оказаться синтетические пептиды, являющиеся ингибиторами металлопротеаз. С помощью таких соединений в опытах на животных удавалось ингибировать рост и метастазирование рака прямой кишки.

Генная терапия представляет собой направление по использованию генов для лечения наследственных и опухолевых заболеваний (см. раздел 4). Такой способ лечения становится всё более реальным благодаря достижениям генной инженерии, которые позволяют получать рекомбинантные ДНК, содержащие «лечебный» ген. Основная трудность состоит в разработке метода транспорта импортируемых генов в организм больного.

Клинические испытания проходит лечение больных с меланомой и раком прямой кишки, в ходе которого у пациента извлекают опухоль или клетки костного мозга и облучают. В облучённые клетки вводят «лечебный» ген (например, ген интерлейкина-2 или фактора некроза опухолей) и реимплантируют их больному. Продукты «лечебных» генов увеличивают иммуно-генность опухоли и способствуют уничтожению как самой опухоли, так и метастазов.

Применяют также введение в организм вирусов в качестве векторов «лечебных» генов. Чаще всего используют аденовирусные и ретровирусные конструкции, которые легко включаются в ДНК трансформированных клеток. Вирусы лишают генетического материала, существенного для репродукции вирусов и инактивации Р53, и на его место вводят «лечебный» ген.

Всё вышесказанное даёт надежду на то, что в ближайшие годы человечество сможет эффективно бороться с онкологическими заболеваниями за жизнь и здоровье больных.