CC BY
32
УДК 576.5+615.277.3 DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2022.2(127).47-50
РОЛЬ ОПУХОЛЬ-АССОЦИИРОВАННЫХ ФИБРОБЛАСТОВ В ФОРМИРОВАНИИ ТКАНЕВОГО МИКРООКРУЖЕНИЯ И ЛЕКАРСТВЕННОЙ РЕЗИСТЕНТНОСТИ НЕМЕЛКОКЛЕТОЧНОГО РАКА ЛЁГКОГО
Е.Е.Румянцев
CANCER-ASSOCIATED FIBROBLASTS FORMING TISSUE MICROENVIRONMENT AND DRUG RESISTANCE OF NON-SMALL CELL LUNG CANCER
Ye.Ye.Rumyantsev
Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, [email protected]
Статья посвящена роли опухоль-ассоциированных фибробластов в развитии немелкоклеточного рака лёгкого. Под воздействием раковых клеток фибробласты тканевого микроокружения опухоли приобретают способность не только поддерживать и стимулировать раковые клетки, но и осуществлять иммуносупрессию. Рассмотрены их основные свойства в сравнении с нормальными фибробластами. Приведены характерные маркеры, по которым можно судить о принадлежности опухоль-ассоциированных фибробластов к разным источникам происхождения (резидентные и рекрутируемые). Описаны закономерности трансформации и активации, про- и анти-опухолевое взаимодействие в тканевом микроокружении опухоли. Раскрыты основные известные механизмы влияния опухоль-ассоциированных фибробластов на формирование лекарственной резистентности немелкоклеточного рака легкого: стимуляция эпителиально-мезенхимальной трансформации, уплотнение белков внеклеточного матрикса, гипоксическая сигнализация, стимуляция перехода раковых клеток к низкодифференцированному, «стволовому» фенотипу.
Ключевые слова: опухолевое микроокружение, опухоль-ассоциированные фибробласты, немелкоклеточный рак лёгкого, НМРЛ, противоопухолевая терапия
Для цитирования: Румянцев Е.Е. Роль опухоль-ассоциированных фибробластов в формировании тканевого микроокружения и лекарственной резистентности немелкоклеточного рака лёгкого // Вестник НовГУ. Сер.: Медицинские науки. 2022. №2(127). С.47-50. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2022.2(127).47-50
The article is devoted to the role of tumor-associated fibroblasts in the development of non-small cell lung cancer. Their main properties are considered in comparison with normal fibroblasts. Characteristic markers are given, which can be used to judge whether tumor-associated fibroblasts belong to different sources of origin (resident and recruited). The patterns of transformation and activation, pro-and anti-tumor interactions in the tissue microenvironment of the tumor are ызусшашув. The main known mechanisms of the influence of tumor-associated fibroblasts on the formation of drug resistance in non-small cell lung cancer are described: stimulation of epithelialmesenchymal transformation, compaction of extracellular matrix proteins, hypoxic signaling, maintaining stemness of cancer cells. Keywords: tumor microenvironment, tumor-associated fibroblasts, non-small cell lung cancer, NSCLC, antitumor treatment
For citation: Rumyantsev Ye.Ye. Cancer-associated fibroblasts forming tissue microenvironment and drug resistance of non-small cell lung cancer // Vestnik NovSU. Issue: Medical Sciences. 2022. №2(127). P.47-50. DOI: https://doi.org/10.34680/2076-8052.2022.2(127).47-50
Введение
Немелкоклеточный рак легкого (НМРЛ) — злокачественная опухоль с высокими показателями заболеваемости и смертности, представляющая серьезную опасность для здоровья человека. Опухоль при НМРЛ состоит не только из раковых клеток, но и из стромы, включающей различные типы клеток с внеклеточным матриксом (ВКМ). Тканевое микроокружение опухоли (ТМО) стимулирует рост и защищает опухолевые клетки от воздействия иммунной системы и химиоте-рапевтических препаратов, что может привести к значительной лекарственной устойчивости.
В тканевом микроокружении опухолей могут присутствовать стромальные клетки различных типов и происхождения. Фибробласты являются одними из основных стромальных клеток ТМО немелкоклеточно-го рака лёгких [1]. Сигналы опухолевых клеток приво-
дят к активации фибробластов и формированию фенотипа, который принято называть опухоль-ассоцииро-ванными фибробластами (ОАФ). Процесс активации и образующиеся клетки схожи с миофибробластами в неопухолевом патологическом фиброзе [2]. Морфологически ОАФ представляют собой веретенообразные клетки различного размера и со способностью к пролиферации с сохранением текущего фенотипа. Более того, ОАФ весьма гетерогенны по происхождению экспрессируемым белкам и резидентным органам, что влияет на их роль в опухолевой прогрессии [1,3]. Фиб-робласты в любой ткани поддерживают паренхиматозные клетки, поэтому на ранних этапах развития опухоли могут содействовать восстановлению нормальной ткани и работе противоопухолевых иммунных клеток. Однако по мере прогрессирования опухоли ОАФ активно способствуют росту, метастазированию и формированию лекарственной устойчивости [1].
Особенности ОАФ в сравнении с нормальными фибробластами
Фибробласты в нормальных, неповреждённых и нерастущих тканях не проявляют значительной транскрипционной, метаболической и пролифератив-ной активности, занимаясь преимущественно «фоновым» поддержанием баланса ВКМ, в частности продуцируя коллаген, матриксные металлопротеиназы и тканевые ингибиторы металлопротеиназ [4]. Активируются нормальные фибробласты в случае необходимости: во время заживления ран, воспаления и стимуляции фиброза. Соответствующие процессы возникают и при развитии опухолей (концепция «опухоль — рана, которая никогда не заживает»): опу-холь-стимулирующее воспаление и опухолевый фиброз [5,6]. По сравнению с покоящимися фибробластами ОАФ обычно крупнее, с неровными краями ядер и большим количеством отростков цитоплазмы при световой микроскопии. В отличие от своих нормальных аналогов активированные ОАФ обладают усиленными пролиферативными и миграционными свойствами [6,7]. Кроме того, ОАФ более метаболически активны, в большом количестве продуцируют компоненты ВКМ (синтетический фенотип) [5]. Вместе с тем, ОАФ также могут выделять многие факторы роста и провоспалительные цитокины, в частности трансформирующий фактор роста-Р (TGF-P), фактор роста эндотелия сосудов (VEGF), интерлейкин-6 (ГЬ-6) и лиганд СХС-хемокинов (СХСЬ12), способствуя таким образом ангиогенезу и рекрутированию иммуно-супрессивных клетки в ТМО, что помогает опухоли ускользать от нормального иммунного ответа [3].
Происхождение ОАФ
ОАФ представляют собой гетерогенную по происхождению популяцию клеток [5]. ОАФ могут как активироваться из нормальных резидентных фиб-робластов ткани, так и рекрутироваться из других источников. Подобно фибробластам, связанным с заживлением ран [5,6], эта активация в значительной степени зависит от стимулов ТМО, таких как локальная гипоксия, окислительный стресс и факторы роста, высвобождаемые из соседних опухолевых клеток и инфильтрирующих опухоль иммунных клеток. Ключевыми регуляторами рекрутирования и активации фибробластов являются TGF-P, эпидермальный фактор роста (EGF), фактор роста тромбоцитов (PDGF) и фактор роста фибробластов 2 (FGF2). Кроме того, интерлейкин-1р (ГЬ-1Р) иммунных клеток запускает активацию ядерного фактора-кВ (№-кВ) в фибробла-стах, участвующего в их образовании и провоспали-тельной активации [3].
В дополнение к резидентным фибробластам часть ОАФ может трансдифференцироваться из других источников: эпителиальные клетки, эндотелиоци-ты, адипоциты, перициты и гладкомышечные клетки. Как правило, эпителиальные и эндотелиальные клетки подвергаются эпителиально-мезенхимальной (ЭМТ) и эндотелиально-мезенхимальной трансформации (Эн-доМТ) соответственно, с экспрессией специфического для фибробластов белка-1 ^Р-1) и принимают фиб-
робластический фенотип. Кроме того, фиброциты, циркулирующая популяция мезенхимальных клеток, происходящая из предшественников моноцитов, могут вносить вклад в пул ОАФ. Наконец, клетки с фенотипом ОАФ могут возникать из типичных мезенхимальных стволовых клеток костного мозга [3,7].
Активация и трансформация клеток в фенотип ОАФ
При росте опухоли иммунные клетки рекрутируются в место повреждения и посредством высвобождения специфических медиаторов активируют резидентные фибробласты в ОАФ. Затем сами ОАФ начинают выделять ауто- и паракринные сигналы, в частности TGF-ß и стромальный фактор роста-1 (SDF-1). TGF-ß1 является основным фактором, стимулирующим превращение резидентных фибробла-стов в ОАФ. Более того, гипоксия также способствует этому процессу за счет накопления активных форм кислорода (АФК) и активации сигнального пути, опосредованного фактором, индуцируемым гипоксией (HIF)-la. Кроме того, в ОАФ способны дифференцироваться гладкомышечные клетки сосудов и перициты. Эндотелиально-мезенхимальная трансформация также способствует образованию ОАФ. Более того, SDF-1+ фибробласты могут возникать из местных эпителиальных клеток в результате ЭМТ [1].
Различные фенотипы ОАФ и их специфические маркеры
Различные источники активированных фиб-робластов приводят к фенотипической гетерогенности ОАФ, что может проявляться многообразными биологическими маркерами у разных пациентов или даже в пределах конкретной опухоли. Несколько маркеров, слабо либо вовсе не экспрессируемые нормальными аналогами, могут быть использованы для обнаружения ОАФ: a-SMA, S100A4, FAP, PDGFRa/ß, тенасцин-C, нейроглиальный антиген (NG2), десмин, CD90/THY1 и подопланин (PDPN) [6]. Однако ни один из этих маркеров не экспрессируется исключительно ОАФ, что подчеркивает их гетерогенность. Более того, a-SMA характерен не только для не ОАФ и миофибробластов, но также используется в качестве общего маркера для гладкомышечных клеток сосудистой стенки и перицитов. S100A4, другой хорошо известный маркер, относительно специфично обнаруживается на фибробластах, но может присутствовать на лимфоцитах, моноцитах и адипоцитах. FAP к тому же обнаружен в субпопуляции CD45+ иммунных клеток. PDPN также идентифицирует лимфатические и эндотелиальные клетки. Недавнее исследование выявило новую подгруппу ОАФ (CD10+GRP77+), присутствие которых связано с «стволовостью» раковых клеток и химиорезистентностью [3].
Ни один маркер не специфичен исключительно для ОАФ, и не все ОАФ экспрессируют все потенциальные маркерные белки. Таким образом, все еще существует потребность в выявлении специфичных для ОАФ маркеров. В настоящее время наиболее надежным методом идентификации ОАФ является комбинация маркеров, а также клеточный фенотип [1].
Функциональные взаимодействия ОАФ с ТМО опухоли
Пул ОАФ состоит из разнообразных функционально гетерогенных субпопуляций, которые способны оказывать как про-опухолевое, так и антиопухолевое воздействие [5-7]. ОАФ во многом направляют иммуносупрессивное микроокружение опухоли, участвуют в онкогенезе, ангиогенезе, мета-стазировании, иммуносупрессии, лекарственной устойчивости, поддержании «стволовости» рака, ремо-делировании внеклеточного матрикса и метаболическом перепрограммировании [5]. Различные подтипы ОАФ секретируют многочисленные хемокины и ци-токины, такие как трансформирующий фактор роста-ß (TGF-ß), интерлейкин-6 (IL-6), интерлейкин-8 (IL-8), интерлейкин-13 (IL-13), CX-хемокиновый лиганд 12 (CXCL12), СХ-хемокиновый лиганд 14 (CXCL14) и фактор роста эндотелия сосудов А (VEGF), тем самым ингибируя как неспецифический, так и специфический противоопухолевый иммунный ответ. Следует отметить, что некоторые субпопуляции экспрес-сируют лиганд 1/2 запрограммированной гибели клеток 1 (PD-L1/2). Эти специфические сигналы, а также метаболиты и метаболические ферменты, такие как индоламин-2,3-диоксигеназа (IDO), аргиназа (Arg), аденозин и триоптаза, продуцируемые некоторыми подтипами ОАФ, способствуют активации и диффе-ренцировке подавляющих противоопухолевый иммунитет регуляторных Т-клеток (Treg), тучных клеток и опухоль-ассоциированных макрофагов (ОАМ) [3].
Другой про-опухолевый механизм, в котором участвуют ОАФ, включает метаболическое перепрограммирование. Известно, что из-за митохондриаль-ных дефектов метаболизм раковых клеток изменяется, способность аэробно окислять глюкозу до CO2 подавляется, а склонность к анаэробному превращению глюкозы в молочную кислоту увеличивается. Эти явления описывают как часть «эффекта Варбурга», опосредованную пируваткиназой M2 (PKM2). В микроокружении опухоли экзосомы, секретируемые раковыми клетками, доставляют PKM2 к ОАФ, и метаболически перепрограммированные ОАФ начинают активно выделять пируват и лактат. Кроме того, аутофагия ОАФ также насыщает ТМО лактатом, кетоновыми телами и глута-мином, создавая богатую питательными веществами микросреду, которая поддерживает рост опухоли [8].
Подобно нормальным фибробластам, ОАФ синтезируют компоненты внеклеточного матрикса (ВКМ), такие как коллаген, фибронектин, а также матриксные металлопротеиназы и их тканевые ингибиторы. Таким образом, ОАФ могут также косвенно затруднять иммунный ответ, увеличивая плотность ВКМ. Плотная белковая сеть ВКМ служит физическим барьером, блокирующим доступ иммунных эф-фекторных клеток к раковым клеткам [9,10]. Отмечено, например, что увеличенное содержание фибро-нектина и коллагена, присутствие a-SMA+ ОАФ связаны с замедленной инфильтрацией опухоли цито-токсическими Т-клетками. Более того, накопление гиалуроновой кислоты и коллагена I типа, (активно продуцируемых a-SMA+ ОАФ) связано с увеличением содержания в опухоли ОАМ [10].
Отмечены и антиопухолевые эффекты ОАФ. К примеру, выключение a-SMA+ миофибробластов в опухоли приводит к подавлению иммунного ответа за счет увеличения числа CD4+Foxp3+ регуляторных Т-клеток [3]. CD200+ ОАФ повышают чувствительность рака легких к гефитинибу. Кроме того, экспрессия недавно открытого маркера ОАФ CD99 может быть связана с замедленным прогрессированием опухоли [1].
Роль ОАФ в формировании резистентности
НМРЛ к противоопухолевому лечению
Некоторые изученные механизмы участия ОАФ в терапевтической резистентности НМРЛ включают участие ОАФ в стимуляции ЭМТ [11], поддержании «стволовости» раковых клеток [12], ремоделировании ВКМ [13] и гипоксической сигнализации [14].
При ЭМТ происходит кардинальное изменение фенотипа, экспрессия маркеров эпителиальных клеток, таких как N- и E-кадгерин, подавляется, в то время как маркеры мезенхимальных клеток, такие как виментин и фибронектин, появляются в заметном количестве. Показано, что при непрямом совместном культивировании опухолевых клеток с ОАФ, по сравнению с контрольной группой, экспрессия E-кадгерина была снижена, экспрессия виментина повышена, а способность к миграции и инвазии раковых клеток соответственно увеличена. Следовательно, ОАФ являются одним из факторов, опосредующих ЭМТ. Исследования показали, что ОАФ регулируют ЭМТ и способствуют лекарственной устойчивости НМРЛ к паклитакселу и цисплатину, также сек-ретируя IL-6 и фактор роста гепатоцитов (HGF) [1].
«Стволовость» раковых клеток также может стимулироваться ОАФ, приводя к усилению лекарственной резистентности НМРЛ. При совместном культивировании с ОАФ, выделяющими инсулиноподоб-ный фактор роста-II (IGF-II) отмечено увеличение числа низкодифференциированных раковых клеток (высокорезистентных к противоопухолевому лечению) как in vivo, так и in vitro. В свою очередь, «стволовые» раковые клетки сами стимулируют секрецию IGF-II опухоль-ассоциированными фибробластами посредством FGF2. Кроме того, CD10+/GPR77+ ОАФ могут поддерживать «стволовость» раковых клеток путем секреции IL-6 и IL-8 [1,12].
Ремоделирование ВКМ также вносит свой вклад в лекарственную резистентность НМРЛ. В физиологических условиях внеклеточный матрикс поддерживает жизнедеятельность, пролиферацию и миграцию клеток ткани. Ткань опухоли обычно более механически жесткая, чем нормальная. Жесткость ВКМ в первую очередь связана с накоплением гиалу-роновой кислоты (ГК) в его сердцевине, которая может противостоять сжимающему стрессу опухоли, в то время как накопление коллагена и фибронектина на периферии способствует устойчивости к растяжению. Жесткость внеклеточного матрикса действует как барьер, препятствующий проникновению в опухоль не только эффекторных иммуноцитов, но и лекарственных средств [1]. ОАФ, усиленно производя-
щие компоненты ВКМ, таким образом способствуют «изоляции» опухоли. Интегрин alipi представляет собой специфический рецептор коллагена, обеспечивающий повышенную жесткость структур ВКМ. Показано, что ОАФ, экспрессируя высокие уровни ин-тегрина all, способствуют уплотнению ВКМ опухоли и ускоренному прогрессированию НМРЛ [13].
Будучи в числе определяющих черт ТМО, гипоксия считается одним из ключевых факторов лекарственной устойчивости опухолей. В быстрорастущих опухолях увеличивается расстояние между клетками и кровеносными сосудами, что, в свою очередь, препятствует доставке действующего вещества в опухоль, особенно в условиях гипоксии. Кроме того, повышение экспрессии инсулиноподобного фактора роста (IGF1) за счёт эффектов фактора, индуцируемого гипоксией (HIF1), в свою очередь активирует IGF1R на раковых клетках, что приводит к формированию большого количества низкодифференцированных («стволовых») клеток НМРЛ, устойчивых к гефитини-бу [1]. Уровень экспрессии HIF-la значительно увеличен в ОАФ [14], что указывает на их активное участие в гипоксическом микроокружении опухоли и влиянии на лекарственную устойчивость НМРЛ.
Заключение
Опухоль-ассоциированные фибробласты в тканевом микроокружении немелкоклеточного рака легкого вносят значительный вклад в прогрессирование опухоли, взаимодействуя с раковыми клетками посредством прямого контакта, выделения цитокинов и формирования внеклеточного матрикса. ОАФ также взаимодействуют с различными другими компонентами стромы, формируя про-опухолевое, иммуносу-прессивное микроокружение, за счёт которого опухоль продолжает развиваться и ускользает от иммунного ответа организма. Кроме того, ОАФ тесно связаны с лекарственной устойчивостью. Дальнейшее изучение стромального микроокружения, включая ОАФ, может оказаться решающим в разработке эффективного персонализованного прогнозирования и лечения НМРЛ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Россий-
ской Федерации по программе создания и развития центра мирового уровня «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение» в рамках проекта № 075-15-2020-917.
1. Chen C., et al. Role of cancer-associated fibroblasts in the resistance to antitumor therapy, and their potential therapeutic mechanisms in non-small cell lung cancer. Oncology Letters, 2021, vol. 21, no. 5, pp. 1-12.
2. Ballester B., Milara J., Cortijo J. Idiopathic pulmonary fibrosis and lung cancer: mechanisms and molecular targets. International journal of molecular sciences, 2019, vol. 20, no. 3, p. 593.
3. Liu T., et al. Cancer-associated fibroblasts: an emerging target of anti-cancer immunotherapy. Journal of Hematology & Oncology, 2019, vol. 12, no. 1, pp. 1-15.
4. Cabral-Pacheco G. A., et al. The roles of matrix metalloproteinases and their inhibitors in human diseases. International Journal of Molecular Sciences, 2020, vol. 21, no. 24, p. 9739.
5. Kalluri R. The biology and function of fibroblasts in cancer. Nature Reviews Cancer, 2016, vol. 16, vol. 9, pp. 582-598.
6. Chen X., Song E. Turning foes to friends: targeting cancer-associated fibroblasts. Nature reviews. Drug discovery, 2019, vol. 18, no. 2, pp. 99-115.
7. Kobayashi H. et al. Cancer-associated fibroblasts in gastrointestinal cancer. Nature reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019, vol. 16, no. 5, pp. 282-295.
8. Mitchell M. I., Engelbrecht A. M. Metabolic hijacking: A survival strategy cancer cells exploit? Critical reviews in Oncology/Hematology, 2017, vol. 109, pp. 1-8.
9. Joyce J. A., Fearon D. T. T cell exclusion, immune privilege, and the tumor microenvironment. Science, 2015, vol. 348, no. 6230, pp. 74-80.
10. Acerbi I. et al. Human breast cancer invasion and aggression correlates with ECM stiffening and immune cell infiltration. Integrative Biology, 2015, vol. 7, no. 10, pp. 1120-1134.
11. Ying L., et al. Cancer associated fibroblast-derived hepatocyte growth factor inhibits the paclitaxel-induced apoptosis of lung cancer A549 cells by up-regulating the PI3K/Akt and GRP78 signaling on a microfluidic platform. PloS one, 2015, vol. 10, no. 6, p. e0129593.
12. Su S., et al. CD10+ GPR77+ cancer-associated fibroblasts promote cancer formation and chemoresistance by sustaining cancer stemness. Cell, 2018, vol. 172, no. 4, pp. 841-856. e16.
13. Navab R., et al. Integrin a11p1 regulates cancer stromal stiffness and promotes tumorigenicity and metastasis in non-small cell lung cancer. Oncogene, 2016, vol. 35, no. 15, pp. 1899-1908.
14. Petrova V., et al. The hypoxic tumour microenvironment. Oncogenesis, 2018, vol. 7, no. 1, pp. 1-13.
