Почему химиотерапия перестаёт действовать: как раковые клетки становятся устойчивыми к лечению

Когда химиотерапия перестаёт действовать после месяцев или лет успеха, может показаться, что рак внезапно изменил правила игры. На клеточном уровне действительно происходит нечто подобное, но обычно не одномоментно. Сегодня устойчивость к химиотерапии рассматривают как динамический процесс, который постепенно развивается по мере того, как клеточная популяция опухоли меняется и адаптируется под воздействием лечения. Это не единственное фиксированное свойство, которое опухоль либо имеет, либо не имеет. Устойчивость — результат действия нескольких биологических стратегий, которые могут работать по отдельности или в сочетании и меняться в ходе лечения.

Не одна опухоль, а множество конкурирующих клеточных линий

Ещё до начала лечения опухоль редко состоит из одинаковых клеток. По мере роста опухоли накапливаются генетические и функциональные различия, формируя смесь клеточных линий, некоторые из которых более уязвимы к определённому препарату, чем другие. Исследователи называют это внутриопухолевой гетерогенностью. Когда начинается химиотерапия, чувствительные к препарату клетки погибают, но небольшие группы клеток, которым случайно удалось лучше переносить препарат, могут выжить и размножиться, заняв освободившееся пространство.

Эта идея имеет давнюю историю. В 1976 году патологоанатом Peter Nowell предположил, что опухоли эволюционируют примерно так же, как виды, — посредством изменчивости и отбора. Сегодня эта концепция известна как клональная эволюция. С этой точки зрения химиотерапия действует как фактор отбора. Она не столько создаёт устойчивые клетки, сколько выявляет и «вознаграждает» те, которые уже существовали или возникли по мере расхождения клеточных линий опухоли со временем. Рецидивировавшая опухоль часто не совсем та же самая опухоль, которая уменьшилась на предыдущем снимке. Это дочерняя популяция, сформированная тем, какие клетки случайно выжили.

Выведение препарата наружу до того, как он успеет подействовать

Некоторые раковые клетки противостоят препарату не за счёт переносимости уже проникшего внутрь вещества, а за счёт того, что не позволяют ему накапливаться. Для этого они используют белки наружной мембраны, работающие подобно небольшим насосам: эти белки непрерывно выбрасывают молекулы препарата из клетки. Наиболее изученный пример — насос, называемый P-гликопротеином. Клетки, вырабатывающие его в больших количествах, могут выводить сразу несколько химически не связанных между собой химиотерапевтических препаратов. Поэтому такой механизм часто называют множественной лекарственной устойчивостью.

Увеличение количества этого насоса не требует никаких изменений в мишени препарата внутри клетки. Оно лишь меняет количество препарата, которое вообще достигает этой мишени. Представьте ведро с отверстием в дне: сколько бы воды вы ни наливали, уровень внутри не поднимается достаточно высоко, потому что вода вытекает почти так же быстро, как поступает.

Отказ от сигнала к гибели

Большинство химиотерапевтических препаратов не убивает раковые клетки напрямую, как это сделал бы яд. Вместо этого они повреждают клетки настолько сильно, что те должны запустить собственную программу самоуничтожения — процесс, называемый апоптозом. Устойчивость может развиться, если сама система самоуничтожения оказывается отключена.

Ген TP53 обычно распознаёт серьёзные повреждения и помогает запустить эту последовательность событий. Когда TP53 утрачивает функцию, клетки могут сохранять повреждения, не запуская собственную гибель. Кроме того, клетки зависят от равновесия между белками, способствующими гибели, и белками, блокирующими её. Когда равновесие смещается в сторону выживания, клетки, которые в противном случае погибли бы после химиотерапии, могут сохраняться, несмотря на значительные внутренние повреждения. Любое из этих изменений позволяет клетке переносить повреждения, не прекращая собственную жизнь так, как предполагал механизм действия препарата.

Когда восстановление ДНК работает слишком хорошо или не работает вовсе

Многие химиотерапевтические препараты действуют, непосредственно повреждая ДНК. Однако у клеток есть системы репарации, чья обычная задача — исправлять разрывы ДНК и сохранять её функциональность. В некоторых опухолях эти пути репарации становятся необычно эффективными и устраняют повреждения от химиотерапии почти так же быстро, как препарат их наносит.

Любопытно, что противоположный дефект также может иметь значение — но в обратном направлении. Некоторые виды рака, включая связанные с наследственными изменениями генов BRCA, действительно обладают сниженной способностью к репарации. Это обычно делает их более уязвимыми к определённым препаратам, повреждающим ДНК, а не более устойчивыми. Одна и та же система репарации может определять чувствительность в любом направлении — в зависимости от того, какая её часть поражена и какой препарат используется. Механизм, защищающий одну опухоль от одного препарата, может быть именно тем, что делает другую опухоль более уязвимой.

Выживание без изменений: персистирующие клетки и раковые стволовые клетки

Не каждая устойчивая клетка приобрела такое свойство вследствие мутации. В исследованиях описана субпопуляция раковых клеток, способная после воздействия препарата переходить во временное обратимое состояние покоя: фактически клетки приостанавливают деление, пока лечение проходит мимо них, не приобретая новых изменений ДНК. Работа под руководством Sreenath Sharma и его коллег показала, что эти персистирующие клетки, толерантные к препаратам, выживают благодаря изменениям в том, какие гены включены или выключены, а не вследствие изменений самого генетического кода. В принципе, после отмены препарата они могут вновь стать нормально чувствительными к нему. Это может объяснять, почему опухоль во время лечения сокращается почти полностью, а затем снова начинает расти из небольшого резервуара находившихся в покое выживших клеток.

Связанная с этим, но более дискуссионная идея касается раковых стволовых клеток — предполагаемой субпопуляции внутри некоторых опухолей, обладающей особой способностью к самообновлению и восстановлению всей опухоли. Предполагается, что эти клетки обладают внутренней устойчивостью к химиотерапии, способствуя повторному росту опухоли даже после того, как лечение, по-видимому, подействовало. Некоторые раковые клетки также могут становиться более гибкими и подвижными вследствие изменения своей идентичности. Такое изменение связывают и с большей инвазивностью, и с более высокой лекарственной устойчивостью, хотя вопрос о том, насколько непосредственно этот процесс влияет на исходы у пациентов, остаётся предметом активных исследований.

Окружение опухоли тоже имеет значение

Не каждый механизм устойчивости находится внутри самой раковой клетки. Ткани, окружающие опухоль, её кровеносные сосуды, соединительная ткань и иммунные клетки могут влиять на то, сколько препарата вообще достигает раковых клеток и как эти клетки ведут себя после этого. Плотные окружающие ткани могут физически ограничивать проникновение препарата, а сигналы от соседних клеток могут направлять раковые клетки к более устойчивому поведению независимо от каких-либо мутаций внутри самих раковых клеток. Две биологически похожие опухоли, расположенные в разном тканевом окружении, могут совершенно по-разному реагировать на один и тот же препарат в одинаковой дозе.

Почему устойчивость редко имеет одну причину

В совокупности эти механизмы описывают не один биологический трюк, а целый набор взаимосвязанных возможностей, которыми располагают опухоли. Эта картина соответствует более широкой концепции, описывающей общие свойства, которые обычно приобретают раковые заболевания по мере прогрессирования. Это помогает понять, почему некоторые виды рака перестают отвечать на химиотерапию в течение нескольких недель, тогда как другие реагируют на неё годами, прежде чем возникнет устойчивость. Набор действующих механизмов и скорость, с которой клеточная популяция опухоли может перейти к их использованию, различаются в зависимости от типа рака, препарата и конкретного пациента.

Всё это не означает, что устойчивость неизбежна или что в каждом случае она развивается одинаково. Однако это означает, что устойчивость редко представляет собой одну мутацию, которая словно переключатель меняет всё сразу. Она скорее напоминает экосистему, приспосабливающуюся к новому давлению и использующую любую доступную стратегию, которая помогает клетке пережить следующие несколько недель. Определить, какая именно стратегия или сочетание стратегий действует в конкретной опухоли, остаётся одной из главных задач, которые исследователи пытаются решить.