CC BY
133
поволжский онкологический
ВЕСТНИК
© А.В. Панов, И.С. Рагинов, М.В. Бурмистров, А.В. Бердников, Э.Ю. Миндубаев, П.М. Манненков, С.Е. Габитова, 2013
УДК 576.385.5
гипоксия опухолей
А.В. панов, и.с. рагинов, М.В. Бурмистров, А.В. Бердников, Э.Ю. Миндубаев, п.М. Манненков, с.Е. Габитова
hypoxia of tumors
A.V. Panov, I.S. Raginov, M.V. Burmistrov, A.V. Berdnikov, E.Yu. Mindubaev, P.M. Mannenkov, S.E. Gabitova
ГАУЗ «Республиканский клинический онкологический диспансер МЗ РТ», Казань, Россия
реферат. Опухоли содержат гипоксические области, которые появляются в результате высокого уровня пролиферации и формирования патологического кровоснабжения. Вследствие этого развивается устойчивость опухолевых клеток к лечению, что стимулирует поиск препаратов, повышаюших их чувствительность. Ключевые слова: гипоксия, рак.
Abstract. Cancers contain hypoxic regions due to high rates of cell proliferation coupled with the formation of vasculature that is structurally and functionally abnormal. Tumors develop resistance to cancer treatments has stimulated the pursuit of agents that can sensitize tumor cells to the treatment. Key words: hypoxia, cancer.
На всех стадиях развития неопластического процесса опухолевые клетки находятся в условиях гипоксии, при этом гипоксические и аноксические участки располагаются в опухоли гетерогенно [1]. Клетки опухоли и мигрирующие в очаги некроза макрофаги выделяют факторы, стимулирующие ангиогенез — сосудоэндотелиальный фактор роста (УЕСБ), факторы роста фибробластов ^Рз), тромбо-цитарный фактор роста (РРСБ), трансформирующий фактор роста в (ТСБ-Р), фактор некроза опухоли а (ТЫБ-а), эпидермальный фактор роста (БСБ) [2, 3]. Ангиогенные факторы стимулируют пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток, которые формируют сосудистую сеть опухоли. При этом врастающие сосуды имеют многочисленные дефекты: негерметичные посткапиллярные вены, слабый ток крови вследствие неправильного хода сосудов, которые слабо справляются с обеспечением опухоли кислородом [4].
В условиях гипоксии основные клетки стромы — фибробласты и макрофаги начинают секретировать факторы, стимулирующие опухолевый процесс. Так, макрофаги утрачивают цитотоксические функции, а увеличение их количества в опухолях сопровождается усилением ангиогенеза и низкими показателями безрецидивной и общей выживаемости [5].
Под влиянием гипоксии в опухолевых клетках происходит селекция генотипа, поддерживающего выживание клеток в условиях гипоксии (например, мутация р53) [6]; изменение экспрессии генов, подавляющих апоптоз [7] и поддерживающих ауто-фагию [8]; преобладание анаболических процессов [9]; снижение восстановления ДНК [10]; увеличение опосредованного тирозин-киназного каскада реакций [11], эпителиально-мезенхимальный переход [12], инвазивность [13]; метастазирование [14] и подавление иммунных реакций [15]. При гипоксии в клетках повышается уровень р53, что индуцирует остановку клеточного цикла и апоптоз, что может объяснять задержку развития рецидива, наличие «дремлющих» микрометастазов и остановку роста больших по объему опухолей [16]. Однако повышение образования свободных радикалов и, как следствие, увеличение количества мутаций ведет к нарушению этого механизма [17]. При гипоксии тканей в клетках активируется фактор индуцированный гипоксией (И!Р), который стимулирует экспрессию сотен генов
[18]. Одним из ключевых эффектов является переход от окислительного к гликолитическому метаболизму
[19], а также стимулируется метастазирование [20] и устойчивость к радиации [21]. В условиях гипоксии опухолевые клетки для образования АТФ переклю-
поволжский
ОНКОЛОГИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК
чаются с использования глюкозы на глютамин. При культивировании клеток саркомы или лимфомы отсутствие глютамина полностью прекращало их пролиферацию [22, 23]. Для рака мочевого пузыря, матки, мозга, ободочной кишки, легкого, яичника, простаты и желудка показана корреляция между увеличением экспрессии HIF и уменьшением продолжительности жизни [24].
При гипоксии образуются радикалы [реактивные формы кислорода и оксид азота (NO)], которые реагируют с клеточными молекулами и изменяют их биохимические и физические свойства, что приводит к гибели клетки [17]. Оксид азота образуется при участии синтазы оксида азота (NOS), и в опухолях идентифицированы все три изоформы этого фермента: нейрональная (nNOS), эндотелиальная (eNOS) и индуцибельная (iNOS). При хронической гипоксии в эндотелиальных и опухолевых клетках усиливается экспрессия iNOS. N0, образуемый эндотелиальными клетками, выполняет по крайней мере две важные функции: поддерживает соответствующий уровень кровотока путем вазодилатации и антитромбическую активность эндотелия. Конечный продукт взаимодействия радикалов NO и 02--нитротирозина является маркером, свидетельствующим об уровне оксида-тивного стресса [25]. У онкологических больных было показано, что уровень нитротирозина коррелирует с прогнозом выживания при раке мочевого пузыря [26] и не является прогностическим маркером при раке яичников [27].
Рак шейки матки является одним из самых распространенных онкологических заболеваний, при этом гипоксия опухоли находится на одном из самых высоких уровней [28, 29]. Парциальное давление кислорода в шейке матки нерожавших более чем в 4 раза выше, чем в карциномах шейки матки [30, 31]. Степень гипоксии опухолевой ткани не зависит от стадии, гистологического типа опухоли и степени диф-ференцировки [32]. Не выявлена также корреляция между уровнем оксигенации и детородной функцией, менопаузальным статусом и курением. При повышении содержания гемоглобина выше 140 г/л уровень гипоксии опухоли возрастает, что объясняется увеличением вязкости крови и замедлением внутриопу-холевого кровотока [33, 34]. Нами показано, что при раке шейки матки количество нитротирозин+-клеток сильно отличается и колеблется от 30 до 80%. При этом количество нитротирозин+-клеток не коррелирует со степенью выраженности опухолевого процесса, что соответствует данным литературы [26, 27].
Около 60% местно-распространенных карцином шейки матки (Ib—III стадии) характеризовались ги-поксическими и/или аноксическими зонами, которые гетерогенно распределены внутри опухоли [31, 35]. Отмечено, что аденокарциномы шейки матки значительно лучше оксигенированы, чем плоскоклеточные карциномы [36]. Измерения внутриопухолевой оксигенации при рецидивах в малом тазу при карциномах шейки матки показали более выраженную гипоксию в рецидивных опухолях по сравнению с первичными [31]. Анализ уровня оксигенации опухоли показал, что чем больше степень гипоксии в первичных опухолях шейки матки, тем выше вероятность развития местного рецидива. Однако анализ биопсий плоскоклеточных опухолей шейки матки не выявил корреляции участков гипоксии с экспрессией VEGF [31].
За счет активации внутриклеточных механизмов опухоли приобретают устойчивость к повреждающему действию ионизирующего излучения и противоопухолевых препаратов [7]. Так, за счет остановки клеточного цикла в стадии G1 или G2 снижается эффективность фторурацила; увеличение расстояния от сосудов увеличивает резистентность к таксанам, а закисление внеклеточного матрикса снижает чувствительность к доксорубицину, но увеличивает эффект хлорамбуцила [37]. Также при гипоксии в результате повреждения механизмов репарации ДНК возрастает эффективность препаратов платины [38].
Учитывая, что гипоксия является главным условием, поддерживающим устойчивость опухолевых клеток к лечению, мы использовали трансректальную инсуфляцию озонокислородной смеси в качестве метода оксигенации при терапии рака шейки матки. У больных, которым была проведена озонотерапия, количество нитротирозин+-клеток в забранном материале существенно снижалось и колебалось от 2 до 23%. Уменьшение количества нитротирозин+-клеток в опухолях у больных с проведенной оксигенацией, вероятно, связано с преимущественной гибелью этих клеток при химиолучевой терапии. Так, в эксперименте было показано, что при введении доксиру-бицина на фоне терморадиотерапии пик количества нитротирозин+-клеток в опухоли определяется через 4 ч, их количество значительно уменьшается к 8 ч с увеличением количества гибнущих апоптозом клеток [17].
Полученные нами данные указывают на увеличение чувствительности опухолевых клеток к химиолу-чевой терапии в условиях оксигенации под влиянием озонотерапии, что, вероятно, произошло в результате
поволжский онкологический
ВЕСТНИК
1'2013
подавления всех вышеперечисленных негативных
последствий гипоксии.
Литература
1. Svensson, R. Tumour friend or foe / R. Svensson, R. Shaw // Nature. — 2012. — Vol. 485. — P.590—591.
2. Impact of hypoxic and acidic extracellular conditions on cytotoxicity of chemotherapeutic drugs / O. Thews, В. Gassner, D. Kelleher [et al.] // Adv. Exp. Med. Biol. — 2007. — Vol. 599. — P.155—161.
3. Cairns, R. Overcoming physiologic barriers to cancer treatment by molecularly targeting the tumor microenvironment / R. Cairns, I. Papandreou, N. Denko // Mol. Cancer Res. — 2006. — Vol. 4. — P.61—70.
4. Semenza, G. Hypoxia-Inducible Factors in Physiology and Medicine / G. Semenza // Cell. — 2012. — Vol. 148. — Р.399—408.
5. Direct visualization of macrophage-assisted tumor cell intravasation in mammary tumors / J. Wyckoff, Y. Wang, E. Lin [et al.] //Cancer Res. — 2007. — Vol. 67(6). — Р.2649—2656.
6. Hypoxia-mediated selection of cells with diminished apoptotic potential in solid tumours / T. Graeber [et al.] // Nature. — 1996. — Vol. 379. — P.88—91.
7. Hypoxia-mediated down-regulation of Bid and Bax in tumors occurs via hypoxia-inducible factor 1-dependent and -independent mechanisms and contributes to drug resistance / J.T. Erler [et al.] // Mol. Cell. Biol. — 2004. — Vol. 24. — P.2875—2889.
8. The unfolded protein response protects human tumor cells during hypoxia through regulation of the autophagy genes MAP1LC3B and ATG5 / K. Rouschop [et al.] // J. Clin. Invest. — 2010. — Vol. 120. — P.127—141.
9. Cairns, R. Regulation of cancer cell metabolism / R. Cairns, I. Harris, T. Mak //Nature Rev. Cancer. — 2011. — Vol. 11. — P.85—95.
10. Bristow, R. Hypoxia, DNA repair and genetic instability / R. Bristow, R. Hill // Nature Rev. Cancer. — 2008. — Vol. 8. — P.180—192.
11. Wang, Y. Oxygen-mediated endocytosis in cancer / Y. Wang, M. Ohh //J. Cell. Mol. Med. — 2010. — Vol. 14. — P.496— 503.
12. Hill, R. Cancer stem cells, hypoxia and metastasis / R. Hill, D. Marie-Egyptienne, D. Hedley // Semin. Radiat. Oncol. — 2009. — Vol. 19. — Р.106—111.
13. Hypoxia promotes invasive growth by transcriptional activation of the met protooncogene / S. Pennacchietti [et al.] / Cancer Cell. — 2003. — Vol. 3. — Р.347—361.
14. Hypoxia predicts aggressive growth and spontaneous metastasis formation from orthotopically grown primary xenografts of human pancreatic cancer / Q. Chang, J. Iurisica, T. Do, D. Hedley // Cancer Res. — 2011. — Vol. 78. — Р.3110—3120.
15. Yotnda, P. Hypoxic tumours and their effect on immune cells and cancer therapy / P. Yotnda, D. Wu, A. Swanson // Methods Mol. Biol. — 2010. — Vol. 651. — Р.1—29.
16. Harrison, L. Hypoxia and anemia: factors in decreased sensitivity to radiation therapy and chemotherapy /
L. Harrison, K. Blackwell // Oncologist. — 2004. — Vol. 9 (suppl. 5). — P.31—40.
17. Mitochondrial complex III is required for hypoxia-induced ROS production and cellular oxygen sensing / R.D. Guzy [et al.] //Cell. Metab. —2005. — Vol. 1. — P.401—408.
18. Genome-wide association of hypoxia-inducible factor (HIF)-1a and HIF-2a DNA binding with expression profiling of hypoxiainducible transcripts / D. Mole, C. Blancher, R. Copley [et al.] // J. Biol. Chem. — 2009. — Vol. 284. — P.16767—16775.
19. Pyruvate kinase M2 is a PHD3- stimulated coactivator for hypoxia-inducible factor 1 / W. Luo, H. Hu, R. Chang [et al.] // Cell. — 2011. — Vol. 145. — P.732—744.
20. Chan, D. Hypoxia, gene expression, and metastasis / D. Chan, A. Giaccia // Cancer Metastasis Rev. — 2007. — Vol. 26. — P.333—339.
21. Moeller, B. Hypoxia and radiotherapy: opportunities for improved outcomes in cancer treatment / B. Moeller, R. Richardson, M. Dewhirst // Cancer Metastasis Rev. — 2007. — Vol. 26. — P.241 —248.
22. Preferential cytotoxicity of bortezomib toward hypoxic tumor cells via overactivation of endoplasmic reticulum stress pathways / A. Mullen [et al.] // Nature. — 2011. — Vol. 481. — P.385—358.
23. The antiepidermal growth factor receptor monoclonal antibody cetuximab/C225 reduces hypoxiainducible factor-1 alpha, leading to transcriptional inhibition of vascular endothelial growth factor expression / R. Wang, [et al.] // Immunity. — 2011. — Vol. 35. —P.871 — 882.
24. Semenza, G. Defining the role of hypoxia-inducible factor 1 in cancer biology and therapeutics / G. Semenza // Oncogene. — 2010. — Vol. 29. — P.625—634.
25. Karihtala, P. Reactive oxygen species and antioxidant mechanisms in human tissues and their relation to malignancies / P. Karihtala, Y. Soini // APMIS. — 2007. — Vol. 115. — P.81—103.
26. 8-hydroxydeguanosine and nitrotyrosine are prognostic factors in urinary bladder carcinoma / Y. Soini, K. Haapasaari, M. Vaarala [et al.] // Int. J. Clin. Exp. Pathol. — 2011. — Vol. 4(3). — P.267—275.
27. DNA adduct 8-hydroxydeoxyguanosine, a novel putative marker of prognostic significance in ovarian carcinoma / P. Karihtala, Y. Soini, L. Vaskivuo [et al.] // Int. J. Gynecol. Cancer. — 2009. — Vol. 19(6). — P.1047—1051.
28. Global Cancer Statistics 2002 / D. Parkin, F. Bray, J. Ferlay, P. Pisani // Cancer J. Clin. — 2005. — Vol. 55. — P.74— 108.
29. Vaupel, P. Abnormal microvasculature and defective microcirculatory function in solid tumors / P. Vaupel // Vascular-Targeted Therapies in Oncology / Ed. by D.W. Siemann. — Chichester, UK: Wiley&Sons, 2006. — P.9—29.
30. Vaupel, P. Detection and characterization of tumor hypoxia using p02 histography / P. Vaupel, M. Hoeckel, A. Mayer // Antioxid. Redox. Signal. — 2007. — Vol. 9. — P.1221 — 1235.
31. Hoeckel, M. Prognostic significance of tissue hypoxia in cervical cancer / M. Hoeckel, P. Vaupel // C.M.E. J. Gynecol. Oncol. — 2001. — Vol. 6. — P.216—225.
поволжский
ОНКОЛОГИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК
32. Vaupel, P. Effects of anemia and hypoxia on tumor biology. Anemia in Cancer / P. Vaupel; Eds. C. Bokemeyer, H. Ludwig. — 2nd ed. — Edinburgh; London; Elsevier, 2005. — P.47—66.
33. Vaupel, P. Impact of hemoglobin levels on tumor oxygenation: the higher, the better? / P. Vaupel, A. Mayer, M. Hoeckel // Strahlenther. Onkol. — 2006. — Vol. 182. — P.63—71.
34. Vaupel, P. Oxygenation status of gynecologic tumors: What is the optimal hemoglobin level? / P. Vaupel, O. Thews, A. Mayer [et al.] // Strahlenther. Onkol. — 2002. — Vol. 178. — P.727—731.
35. Hoeckel, M. Association between tumor hypoxia and malignant progression: the clinical evidence in cancer
of the uterine cervix / M. Hoeckel; Eds. by P. Vaupel, D.K. Kelleher // Tumor Hypoxia. — Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 1999. — P.65—74.
36. Sundfor, K. Oxygen tension and vascular density in adenocarcinoma and squamous cell carcinoma of the uterine cervix / K. Sundfor, H. Lyng, E. Rofstad // Acta oncol. — 1998. — Vol. 37. — P.665—670.
37. Wilson, W. Mechanisms of resistance (and sensitivity) of hypoxic cells to cytotoxic therapy / W. Wilson, M. Hay // Nature Reviews Cancer. — 2011. —Vol. 11. — P.393—410.
38. Chronic hypoxia decreases synthesis of homologous recombination proteins to offset chemoresistance and radioresistance / N. Chan [et al.] // Cancer Res. — 2008. — Vol. 68. — P.605—614.
