Противоопухолевая резистентность , часто используемая взаимозаменяемо с резистентностью к химиотерапии , представляет собой резистентность неопластических (раковых) клеток или способность раковых клеток выживать и расти, несмотря на противораковую терапию. [1] В некоторых случаях раковые заболевания могут вырабатывать резистентность к нескольким препаратам, что называется множественной лекарственной резистентностью .
Существует две общие причины неудач противоопухолевой терапии: врожденные генетические характеристики, дающие раковым клеткам их устойчивость, и приобретенная устойчивость после воздействия лекарств, которая коренится в концепции гетерогенности раковых клеток . [1] Характеристики резистентных клеток включают измененный мембранный транспорт , усиленную репарацию ДНК , дефекты апоптотических путей , изменение целевых молекул, белков и механизмов путей, таких как ферментативная дезактивация. [1] Поскольку рак является генетическим заболеванием, в основе приобретенной устойчивости к лекарствам лежат два геномных события: изменения генома (например, амплификация и делеция гена) и эпигенетические модификации . Раковые клетки постоянно используют различные инструменты, включая гены, белки и измененные пути, чтобы обеспечить свое выживание против противоопухолевых препаратов.
Противоопухолевая резистентность, синонимичная резистентности к химиотерапии , является способностью раковых клеток выживать и расти, несмотря на различные противораковые терапии, т. е. их множественная лекарственная резистентность . Существуют две общие причины неудач противоопухолевой терапии: [2] Врожденная резистентность, такая как генетические характеристики, которые изначально придают раковым клеткам резистентность, что коренится в концепции гетерогенности раковых клеток и приобретенной резистентности после воздействия лекарств. [2]
Гетерогенность раковых клеток, или гетерогенность опухолей , — это идея о том, что опухоли состоят из различных популяций раковых клеток, которые морфологически, фенотипически и функционально различны. [3]
Гетерогенность раковых клеток может вызвать прогрессирование заболевания, когда молекулярно- таргетная терапия не может убить те опухолевые клетки, которые не экспрессируют маркер, а затем делятся и мутируют дальше, создавая новую гетерогенную опухоль. В моделях рака молочной железы у мышей иммунная микросреда влияет на восприимчивость к неоадъювантной химиотерапии . При раке молочной железы, особенно в трижды негативном подтипе, блокада иммунных контрольных точек успешно применялась в случаях метастазов и неоадъювантной терапии. [4]
Поскольку рак является генетическим заболеванием, [5] в основе этих механизмов приобретенной лекарственной устойчивости лежат два геномных события: изменения генома (например, амплификация и делеция гена) и эпигенетические модификации .
Хромосомная перестройка из-за нестабильности генома может вызвать амплификацию и делецию генов. Амплификация генов — это увеличение числа копий области хромосомы. [6] которые часто встречаются в солидных опухолях и могут способствовать эволюции опухоли посредством измененной экспрессии генов. [6]
Исследования клеток хомяка в 1993 году показали, что амплификации в гене DHFR , участвующем в синтезе ДНК, начались с разрыва хромосомы ниже гена, а последующие циклы образования мостиков-разрывов-слияний приводят к образованию больших внутрихромосомных повторов. [7] Чрезмерная амплификация онкогенов может происходить в ответ на химиотерапию, что считается основным механизмом в нескольких классах резистентности. [6] Например, амплификация DHFR происходит в ответ на метотрексат , [8] амплификация TYMS (участвующего в синтезе ДНК) происходит в ответ на 5-фторурацил , [9] а амплификация BCR-ABL происходит в ответ на иматиниб мезилат . [10] Определение областей амплификации генов в клетках больных раком имеет огромное клиническое значение. Делеция гена является противоположностью амплификации гена, при которой теряется область хромосомы, и возникает лекарственная устойчивость за счет потери генов-супрессоров опухолей, таких как TP53 . [2]
Геномная нестабильность может возникнуть, когда репликационная вилка нарушается или останавливается в своей миграции. Это может произойти с барьерами репликационной вилки, белками, такими как PTIP, CHD4 и PARP1 , которые обычно очищаются сенсорами повреждения ДНК клетки, инспекторами и респондерами BRCA1 и BRCA2. [11]
Эпигенетические модификации в устойчивости к противоопухолевым препаратам играют важную роль в развитии рака и лекарственной устойчивости, поскольку они способствуют регуляции экспрессии генов. [12] Два основных типа эпигенетического контроля — это метилирование ДНК и метилирование/ацетилирование гистонов. Метилирование ДНК — это процесс добавления метильных групп к ДНК, обычно в областях вышестоящего промотора , что останавливает транскрипцию ДНК в этой области и эффективно подавляет отдельные гены. Модификации гистонов , такие как деацетилирование , изменяют формирование хроматина и подавляют большие хромосомные регионы. В раковых клетках, где нарушается нормальная регуляция экспрессии генов, онкогены активируются посредством гипометилирования, а супрессоры опухолей подавляются посредством гиперметилирования. Аналогичным образом, при развитии лекарственной устойчивости было высказано предположение, что эпигенетические модификации могут приводить к активации и сверхэкспрессии генов пролекарственной устойчивости. [12]
Исследования на линиях раковых клеток показали, что гипометилирование (потеря метилирования) промотора гена MDR1 вызывает сверхэкспрессию и множественную лекарственную устойчивость. [13]
В клеточных линиях рака молочной железы, устойчивых к метотрексату, без поглощения препарата и экспрессии переносчиков фолиевой кислоты, введение DAC , ингибитора метилирования ДНК, улучшило поглощение препарата и экспрессию переносчиков фолиевой кислоты. [14]
Приобретенная устойчивость к алкилирующему препарату фотемустину в клетках меланомы показала высокую активность MGMT, связанную с гиперметилированием экзонов гена MGMT . [15]
Было показано, что в линиях клеток, устойчивых к иматинибу, подавление гена SOCS-3 посредством метилирования приводит к активации белка STAT3 , что вызывает неконтролируемую пролиферацию. [16]
Раковые клетки могут стать устойчивыми к нескольким препаратам из-за изменения мембранного транспорта , усиления репарации ДНК , дефектов апоптотического пути , изменения молекул-мишеней, белков и механизмов пути, таких как ферментативная дезактивация. [12]
Многие классы противоопухолевых препаратов действуют на внутриклеточные компоненты и пути, такие как ДНК, ядерные компоненты, что означает, что им необходимо проникнуть в раковые клетки. P-гликопротеин (P-gp), или белок множественной лекарственной устойчивости, представляет собой фосфорилированный и гликозилированный мембранный транспортер, который может переносить препараты из клетки, тем самым снижая или устраняя эффективность препаратов. Этот транспортерный белок кодируется геном MDR1 и также называется белком АТФ-связывающей кассеты (ABC) . MDR1 имеет беспорядочную субстратную специфичность, что позволяет ему транспортировать множество структурно разнообразных соединений через клеточную мембрану, в основном гидрофобные соединения. Исследования показали, что ген MDR1 может активироваться и сверхэкспрессироваться в ответ на фармацевтические препараты, тем самым формируя основу для устойчивости ко многим препаратам. [2]
Например, было обнаружено, что антибиотик рифампицин вызывает экспрессию MDR1 . Эксперименты на различных линиях клеток, устойчивых к лекарствам, и ДНК пациентов выявили перестройки генов, которые инициировали активацию или сверхэкспрессию MDR1. [17] Полиморфизм C3435T в экзоне 226 MDR1 также тесно коррелировал с активностью p-гликопротеина. [18]
MDR1 активируется через NF-κB , белковый комплекс, который действует как фактор транскрипции. [19] [20] [21] [22] У крысы сайт связывания NF-κB находится рядом с геном mdr1b , [23] NF-κB может быть активен в опухолевых клетках, поскольку его мутировавший ген NF-κB или его ингибирующий ген IκB мутировали под воздействием химиотерапии. В клетках колоректального рака ингибирование NF-κB или MDR1 вызывало повышенный апоптоз в ответ на химиотерапевтический агент. [19]
Улучшенная репарация ДНК играет важную роль в способности раковых клеток преодолевать повреждения ДНК, вызванные лекарственными препаратами.
Химиотерапевтические препараты на основе платины, такие как цисплатин , воздействуют на опухолевые клетки, сшивая их цепи ДНК, вызывая мутацию и повреждение. [2] Такое повреждение вызовет запрограммированную гибель клеток (например, апоптоз ) в раковых клетках. Устойчивость к цисплатину возникает, когда раковые клетки развивают повышенную способность обращать вспять такое повреждение, удаляя цисплатин из ДНК и восстанавливая любые нанесенные повреждения. [2] [12] Цисплатин-резистентные клетки повышают экспрессию гена и белка эксцизионной репарации перекрестного комплементарного (ERCC1) гена. [2]
Некоторые химиотерапевтические препараты являются алкилирующими агентами , то есть они присоединяют алкильную группу к ДНК, чтобы предотвратить ее считывание. O6-метилгуанин ДНК-метилтрансфераза (MGMT) — это фермент репарации ДНК, который удаляет алкильные группы из ДНК. Экспрессия MGMT повышается во многих раковых клетках, что защищает их от алкилирующих агентов. [12] Повышенная экспрессия MGMT была обнаружена при раке толстой кишки, раке легких, неходжкинской лимфоме, раке молочной железы, глиомах, миеломе и раке поджелудочной железы. [24]
TP53 — это ген-супрессор опухолей , кодирующий белок p53, который реагирует на повреждение ДНК либо путем репарации ДНК , либо путем остановки клеточного цикла, либо путем апоптоза . Потеря TP53 посредством делеции гена может позволить клеткам непрерывно реплицироваться, несмотря на повреждение ДНК. Устойчивость к повреждению ДНК может предоставить раковым клеткам метод устойчивости к тем препаратам, которые обычно вызывают апоптоз через повреждение ДНК. [2] [12]
Другие гены, вовлеченные в апоптотический путь, связанный с лекарственной устойчивостью, включают h-ras и bcl-2 /bax. [25] Было обнаружено, что онкогенный h-ras увеличивает экспрессию ERCC1, что приводит к усилению репарации ДНК (см. выше). [26] Было обнаружено, что ингибирование h-ras увеличивает чувствительность к цисплатину в клетках глиобластомы . [27] Повышенная регуляция экспрессии Bcl-2 в лейкозных клетках ( неходжкинская лимфома ) привела к снижению уровня апоптоза в ответ на химиотерапевтические агенты, поскольку Bcl-2 является онкогеном, способствующим выживанию . [28]
Во время таргетной терапии часто цель модифицируется и снижает свою экспрессию до такой степени, что терапия больше не эффективна. Одним из примеров этого является потеря рецептора эстрогена (ER) и рецептора прогестерона (PR) при антиэстрогенном лечении рака молочной железы. [29] Опухоли с потерей ER и PR больше не реагируют на тамоксифен или другие антиэстрогенные методы лечения, и хотя раковые клетки остаются в некоторой степени восприимчивыми к ингибиторам синтеза эстрогена , они в конечном итоге становятся невосприимчивыми к эндокринным манипуляциям и больше не зависят от эстрогена для роста. [29]
Другая линия терапии, используемая для лечения рака груди, нацелена на киназы , такие как рецептор человеческого эпидермального фактора роста 2 (HER2) из семейства EGFR . Мутации часто происходят в гене HER2 при лечении ингибитором, при этом примерно у 50% пациентов с раком легких обнаруживается мутация EGFR-T790M gatekeeper. [12]
Лечение хронического миелоидного лейкоза (ХМЛ) включает ингибитор тирозинкиназы , который нацелен на ген слияния BCR/ABL, называемый иматинибом. У некоторых людей, устойчивых к иматинибу, ген BCR/ABL реактивируется или усиливается , или в гене происходит единичная точечная мутация . Эти точечные мутации усиливают аутофосфорилирование белка BCR-ABL, что приводит к стабилизации сайта связывания АТФ в его активной форме, которая не может быть связана иматинибом для правильной активации препарата. [30]
Топоизомераза является прибыльной целью для терапии рака из-за ее критической роли в качестве фермента в репликации ДНК , и было создано много ингибиторов топоизомеразы . [31] Резистентность может возникнуть, когда уровни топоизомеразы снижены или когда различные изоформы топоизомеразы дифференциально распределены внутри клетки. Мутантные ферменты также были зарегистрированы в лейкозных клетках пациентов, а также мутации при других видах рака, которые обеспечивают устойчивость к ингибиторам топоизомеразы. [31]
Одним из механизмов противоопухолевой резистентности является чрезмерная экспрессия ферментов, метаболизирующих лекарственные препараты, или молекул-носителей. [2] При увеличении экспрессии метаболических ферментов лекарственные препараты быстрее преобразуются в конъюгаты лекарственных препаратов или неактивные формы, которые затем могут быть выведены. Например, повышенная экспрессия глутатиона способствует лекарственной резистентности, поскольку электрофильные свойства глутатиона позволяют ему реагировать с цитотоксическими агентами, инактивируя их. [32] В некоторых случаях снижение экспрессии или потеря экспрессии ферментов, метаболизирующих лекарственные препараты, приводит к резистентности, поскольку ферменты необходимы для переработки препарата из неактивной формы в активную. Арабинозид , широко используемый химиотерапевтический препарат для лейкемии и лимфом, преобразуется в цитозинарабинозидтрифосфат дезоксицитидинкиназой. Мутация дезоксицитидинкиназы или потеря экспрессии приводит к резистентности к арабинозиду. [2]
Уровни экспрессии факторов роста также могут способствовать устойчивости к противоопухолевой терапии. [2] При раке груди было обнаружено, что клетки, устойчивые к лекарствам, экспрессируют высокие уровни IL-6, в то время как чувствительные клетки не экспрессируют значительные уровни фактора роста. IL-6 активирует факторы транскрипции белка, связывающего энхансер CCAAT, которые активируют экспрессию гена MDR1 (см. Изменение мембранного транспорта). [33]
Фармакогенетика играет все более важную роль в противоопухолевой терапии. [34] Технологии быстрого секвенирования могут идентифицировать генетические маркеры для чувствительности к лечению и потенциальной резистентности. Некоторые маркеры более репрезентативны и с большей вероятностью будут использоваться в клинической практике. [34]
Когда BRCA1 и BRCA2 отсутствуют, как в 5-10 процентах всех случаев рака груди, застрявшая вилка остается дестабилизированной, а ее вновь синтезированная ДНК деградирует. Эта геномная нестабильность означает, что раковая клетка на самом деле более чувствительна к химиотерапевтическим препаратам, повреждающим ДНК. [35]
Маркер | Лекарство | Основные условия | Клинические последствия |
---|---|---|---|
ТЫМС | 5-Фторурацил | Колоректальный рак , рак желудка , рак поджелудочной железы | Высокий TYMS может указывать на слабую реакцию и меньшую токсичность |
ДПДД | 5-Фторурацил | Колоректальный рак , рак желудка , рак поджелудочной железы | Дефицит DPD связан с более высоким риском токсичности |
УГТ1А1 | Иринотекан | Колоректальный рак | Снижение активности UGT1A1 может увеличить риск токсичности |
CYP2D6 | Тамоксифен | Рак молочной железы | Пациенты с недостаточной активностью CYP2D6 подвержены большему риску рецидива |
ЭФР | Анти-EGFR терапия | Колоректальный рак , рак легких | Активация путей EGFR усиливает рост опухоли, прогрессирование и устойчивость к терапии |
КРАС | Анти-EGFR терапия | Колоректальный рак , рак легких | Мутация KRAS связана с резистентностью к анти-EGFR терапии |
FCGR3A | Ритуксимаб | Неходжкинская лимфома | Генотип FCRG3A 158Val/Val может быть связан с лучшим ответом |
BRCA1 / BRCA2 | Платина | Рак груди , яичников | Раковые клетки с мутацией BRCA1/2 более чувствительны к повреждению ДНК. Вторичные внутригенные мутации обеспечивают приобретенную устойчивость |
Известно, что белки MDR являются генами лекарственной устойчивости и высоко экспрессируются при различных видах рака. Ингибирование генов MDR может привести к сенсибилизации клеток к терапевтическим средствам и снижению противоопухолевой устойчивости. Реверсин 121 (R121) является высокоаффинным пептидом для MDR, и использование R121 в качестве лечения клеток рака поджелудочной железы приводит к повышению химиочувствительности и снижению пролиферации. [36]
Аберрантная экспрессия NF-κB обнаружена во многих видах рака, и было обнаружено, что NF-κB участвует в резистентности к химиотерапии на основе платины, такой как цисплатин. Ингибирование NF-κB генистеином в различных линиях раковых клеток (простаты, молочной железы, легких и поджелудочной железы) показало повышенное ингибирование роста и увеличение химиочувствительности, рассматриваемое как увеличение апоптоза, вызванного терапевтическими агентами. [37] Однако нацеливание на путь NF-κB может быть затруднено, поскольку может быть много нецелевых и неспецифических эффектов.
Экспрессия мутировавшего TP53 вызывает дефекты в апоптотическом пути, позволяя раковым клеткам избегать смерти. Было показано, что повторная экспрессия гена дикого типа в раковых клетках in vitro подавляет пролиферацию клеток, вызывает остановку клеточного цикла и апоптоз. [38]
При раке яичников ген ATP7B кодирует транспортер оттока меди, который, как было обнаружено, активируется в резистентных к цисплатину клеточных линиях и опухолях. Разработка антисмысловых дезоксинуклеотидов против мРНК ATP7B и лечение клеточной линии рака яичников показывает, что ингибирование ATP7B повышает чувствительность клеток к цисплатину. [39]