Риск развития опухолей после применения рекомбинантных человеческих костных морфогенетических белков

Костные морфогенетические белки (BMPs) пред- чем с 20-ю разновидностями, которые принадлежат ставляют собой разнообразный класс молекул более к семейству трансформирующих факторов роста- β

(TGF- β ) и тесно связаны с формированием костей и развитием заболеваний [1]. Сообщалось об аберрантной экспрессии различных BMPs и их рецепторов в различных опухолевых тканях [2, 3]. Роль BMPs тесно связана с различными аспектами онкогенеза, такими как ангиогенез, эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП) и опухолевые стволовые клетки [4]. Кроме того, существует множество работ, демонстрирующих основу сигнальных путей BMPs в опухолевых клетках [4, 5]. Таким образом, лиганды BMPs связываются со своими рецепторами, включая тип I и тип II, с образованием гетеротетрамерного комплекса, который затем активирует фосфорилирование, рекрутирование, транслокацию и экспрессию Smad в клетках [1]. Эти взаимодействия между BMPs и их антагонистами или рецепторами устанавливают агрессивность первичных опухолей и механизм метастазирования [4].

В последние десятилетия многие исследователи пытались разработать серьезные остеогенные гидрогелевые имплантаты путем включения биоактивных агентов, стволовых клеток и остеогенных факторов роста, включая BMPs [6]. Известно, что для создания рекомбинантных человеческих костных морфогенетических белков (rhBMPs) с целью клинического применения используют технологии рекомбинантной

МАТЕРИАЛЫ

Мы провели всесторонний поиск литературы, демонстрирующей роль BMPs в качестве онкогенов и опухолевых супрессоров в развитии опухолей, а также возможную причинно-следственную связь между применением rhBMPs в терапевтических целях и онкогенезом. Базы данных, включая PubMed, Embase, базу данных Кокрановской библиотеки (Cochrane Database) и Google Scholar, были использованы для получения всех соответствующих исследований. Ключевые слова:

РЕЗУЛЬТАТЫ И

ДНК человека [6]. RhBMP-2 и rhBMP-7 были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и клинически признаны для использования при открытых переломах большеберцовой кости, дефектах кости критических размеров, спондилодезах поясничного отдела позвоночника и остеонекрозе в зоне переломов бедренной кости [7–9]. В дополнение к их влиянию на формирование костной ткани, BMPs также играют роль в детерминации клеточных линий, дифференцировке, пролиферации и апоптозе [10]. Хотя частота использования rhBMP-2 и rhBMP-7 неуклонно растет с момента их утверждения, существуют разногласия относительно их безопасности. В частности, существует опасение, что rhBMPs могут способствовать онкогенезу. Тем не менее, принимая во внимание влияние BMPs на развитие костей и их потенциальную роль в связанных процессах образования и распространения опухолей, роль rhBMPs на стимулирование первичного онкогенеза и метастазирования остается неопределенной.

Цель работы – выяснить причинно-следственную связь между применением rhBMPs и онкогенезом, предоставив результаты существующих на сегодняшний день доклинических и клинических исследований.

И МЕТОДЫ

«костные морфогенетические белки», «рекомбинантные костные морфогенетические белки», «факторы роста», «семейство TGF- β », «опухоль» и «онкогенез», «онкоген», «опухолевый супресс», «осложнения», «клинические исследования», «доклинические исследования», «терапия», «регуляция», «побочный эффект». Кроме того, выполнялся поиск в списке литературы каждого соответствующего исследования для получения других актуальных работ.

ОБСУЖДЕНИЕ

BMPs и онкогенез

BMPs – онкогены или опухолевые супрессоры

На сегодняшний день существуют доказательства того, что BMPs могут участвовать в онкогенезе различных типов опухолей [4, 5]. Сообщалось, что BMP-4 стимулирует инвазию клеток рака молочной железы (РМЖ) и способствует ремоделированию костей [11]. Paez-Peda и др. в своей работе описали роль BMP-4 в онкогенезе пролактиномы через Smad/эстроген рецепторный сигнальный путь [12]. Напротив, в других, более недавних исследованиях, было показано, что BMPs обладают опухолесупрессивной функцией. Ye L. с соавт. предположили, что BMP-10 подавляет рост и агрессивность клеток рака предстательной железы (РПЖ), индуцируя апоптоз через Smad-независимый путь, который коррелирует с модуляцией экспрессии киназы, регулируемой внеклеточным сигналом (ERK) 1/2 и X-связанным ингибитором белка апоптоза (XIAP) [13]. Cao Y. с соавт. также сообщили, что BMP-4 подавляет метастазирование РМЖ путем ингибиро- вания активности супрессорных клеток миелоидного происхождения у мышей [14]. Они также предположили, что BMP-4 снижает секрецию гранулоцитарного колониестимулирующего фактора (G-CSF) через подавление активности ядерного фактора-каппа B (NF-kB). Кроме того, один и тот же лиганд BMP в пределах одного и того же типа опухоли, вероятно, будет работать по-разному, в зависимости от вида исследования. Следовательно, выводы, основанные только на одной клеточной линии, могут быть слишком простыми, поэтому следует использовать разные линии опухолевых клеток или разные типы опухолей. Подходящим консенсусом является то, что BMPs могут участвовать как промоторы опухоли, так и как онкогены (табл. 1) [15–19]. Хотя нет окончательной корреляции между BMPs и онкогенезом, большое количество исследований указывает на положительное влияние BMP на развитие опухоли. Поэтому при лечении онкологических больных следует уделять особое внимание роли BMPs, а при введении BMP – учитывать онкологический анамнез.

Таблица 1

Онкогены	Опухолевые супрессоры
BMP-2 стимулирует ЭМП и дифференцировку стволовых клеток рака молочной железы через Rb и CD44	Активация BMP-9 приводит к подавлению роста остеосаркомы in vivo
BMP-4 приводит к глубокой иммуносупрессии, опосредованной CD8 Т-клеток, что приводит к развитию опухоли и метастазированию in vivo	Активация BMP-7 приводит к подавлению роста рака молочной железы in vivo
BMP-6 стимулирует миграцию и инвазию клеток рака предстательной железы путем активации ID-1 и MMP	BMP-2 подавляет рост и развитие почечно-клеточного рака
BMP-6 стимулирует экспрессию VEGF в клетках рака предстательной железы, что вызывает повышенную про-остеобластную активность в опухоли	BMP-2 подавляет рост рака молочной железы через регулирование miR-192
BMP-9 и BMP-10 стимулируют рост опухоли за счет активации ангиогенеза	BMP-4 является мощным супрессором метастазирования рака молочной железы путем подавления активности NF-kB in vitro и in vivo

Двойная роль костных морфогенетических белков (BMPs) в опухолях

Аберрантная экспрессия BMPs и их влияние на онкогенез

Роль BMPs в биологии опухолей, особенно при РМЖ и РПЖ, широко изучается. Сегодня известно, что эти белки широко участвуют в регуляции функций опухолевых клеток, которые варьируют от роста, гибели, миграции и инвазии опухолевых клеток до ЭМП (табл. 2) [14–23]. Кроме того, среди различных видов опухолей, где BMPs участвует в их прогрессировании, широко изучается роль передачи сигналов BMPs в метастазировании в костные ткани. Horvath LG с соавт. предположили, что BMP-2 может действовать как маркер плохого прогноза из-за значительного снижения его экспрессии при РПЖ по сравнению с доброкачественной тканью предстательной железы [24]. Кроме того, Morrissey C.

с соавт. обнаружили, что BMP-7 сверхэкспрессирован при метастазах РПЖ в кости и мягкие ткани по сравнению с первичным РПЖ [25]. Они также предположили, что передача сигналов BMP-7 может быть связана с клиническим прогрессированием заболевания. Ye L. с соавт. ранее сообщали, что активация BMP-7 в тканях РПЖ может быть связана с фактором роста гепатоцитов (HGF) in vivo [26]. Ma Y. с соавт. показали, что экспрессия BMP-2 и рецепторов костных морфогенетических белков типа I B и типа II (BMPRIB и BMPRII) снижена в тканях эпителиального рака яичников, и предположили, что их низкая экспрессия связана с плохим прогнозом для данного типа пациентов [27]. Тем самым, аберрантная экспрессия BMPs была связана с развитием различных солидных опухолей и метастазами в кости.

Таблица 2

Роль костных морфогенетических белков (BMPs) и задействованных их генов-мишеней или сигнальных путей при опухолях

Тип опухоли	Тип BMPs	Модель исследования	Экспрессия	Гены-мишени или сигнальный путь	Функция	Литература
Рак легкого	BMP-7		Повышена	Smad1	Высокая экспрессия BMP-7 может быть показателем вероятности метастазирования в костную ткань и поражения региональных лимфатических узлов	[1, 2]
Рак легкого	BMP-4	Опухолевая ткань ( ex vivo , человек), in vitro (A549 клеточная линия) и in vivo	Понижена, повышена	p-ERK, VEGF, Smad1, miR-200 и JAG2	BMP-4 ингибируют рост опухоли in vivo . Высокая экспрессия BMP-4 стимулирует онкогенез и метастазирование	[3, 4]
РПЖ	BMP-4	I n vivo	Повышена	Цитокины: IL-8, GRO- α / β и CCL2	Высокая экспрессия BMP-4 стимулирует онкогенез и метастазирование в костную ткань	[5]
РПЖ	BMP-7	Опухолевая ткань ( ex vivo , человек)	Понижена	Smad1/4/5, E-кадгерин и виментин	Действует как потенциальный ингибитор метастазирования РПЖ в кости in vivo	[6]
РПЖ	BMP-6	Опухолевая ткань ( ex vivo , человек)	Понижена	ID-1 и MMP	Связан с повышенным уровнем белка ID-1 и более инвазивным фенотипом	[7]
РМЖ	BMP-9	In vitro (MDA-MB-231 клеточная линия, преадипоциты и адипоциты) и in vivo	Понижена	Преобразователь сигнала и активатор транскрипции STAT3, ERK-1, 2/Akt сигнальный путь	Подавляет рост и метастазирование опухолевых клеток. Подавляет рост опухоли и снижает экспрессию лептина в преадипоцитах/адипоцитах	[8]
РМЖ	BMP-4	In vivo (BALB/c)	Понижена	NF-kB	Подавляет лейкоцитоз, спленомегалию и метастазирование. Снижает секрецию G-CSF за счет подавления активности NF-kB	[9]
Колоректальный рак	BMP-4	Опухолевая ткань ( ex vivo , человек)	Понижена	PI3K/Akt сигнальный путь	RhBMP-4 индуцирует апоптоз и дифференцировку химиорезистентных стволовых клеток колоректального рака. Активирует канонические и неканонические сигнальные пути BMPs	[10]

Аббревиатуры : РПЖ – рак предстательной железы; РМЖ – рак молочной железы; Smad1/4/5 – матери против гомолога декапентаплегии 1/4/5; p-ERK – p-киназа, связанная с внеклеточным сигналом; VEGF – фактор роста эндотелия сосудов; miR-200 – микроРНК-200; JAG2 – зазубренный канонический лиганд Notch 2; IL-8 – интерлейкин 8; GRO- α / β – онкогенный белок, связанный с ростом хемокинов CXC; CCL2 – моноцитарный хемоаттрактантный белок-1; ID-1 – ингибитор ДНК-связывающего белка; MMP – матриксные металлопротеиназы; STAT3 – преобразователь сигнала и активатор транскрипции 3; ERK-1, 2 – киназа, связанная с внеклеточным сигналом 1, 2; NF-kB – ядерный фактор-каппа B; PI3K – фосфоинозитид-3-киназа; rhBMP-4 – рекомбинантный человеческий костный морфогенетический белок-4

Факторы регуляции BMPs

Изменение экспрессии (повышение или понижение) BMPs и передачи их сигналов, происходящее при злокачественных опухолях во время их развития и прогрессирования, отражает сложность как механизма регуляции BMPs, так и их взаимодействия с другими факторами. Известно, что ряд гормонов и других факторов роста были указаны в регуляторной сети BMPs.

Половые гормоны

При РПЖ андрогены играют важную роль в онкогенезе, прогрессировании и метастазировании опухоли, и контроль уровня циркулирующих андрогенов представляет собой единственный способ контроля эффективности терапии. Андрогены могут индуцировать экспрессию некоторых BMPs, рецепторов BMPs и внутриклеточной передачи сигналов [28]. Что касается рецепторов, то андрогены индуцируют экспрессию мРНК BMPRIB, но не экспрессию мРНК BMPRIA и BMPRII в андрогенчув-ствительной линии клеток РПЖ человека LNCaP [30]. Было выявлено, что rhBMP-4 индуцирует двухфазный эффект на пролиферацию LNCaP [29]. В присутствии андрогена наблюдается снижение клеточной пролиферации в ответ на применение rhBMP-4. Считается, что это результат высокой экспрессии BMPRIB. Таким образом, индукция экспрессии BMPRIB андрогеном, по-видимому, ингибирует клеточную пролиферацию в ответ на активацию BMPs [30]. Что касается самих BMPs, орхидэктомия приводит к снижению экспрессии BMP-7 in vivo , а введение тестостерона или дигидротестостерона вызывало увеличение уровня экспрессии BMP-7 [30]. Однако лишение андрогенов, по-видимому, не влияет на продукцию BMP-6 в нормальной ткани простаты у крыс, что указывает на альтернативную и независимую от андрогенов генную регуляцию BMP-6 [31].

Эпигенетическая регуляция BMPs и их рецепторов при РМЖ связана с рецептором эстрогена (ER). Эстроген может подавлять экспрессию некоторых рецепторов BMP, таких как BMPRIA, BMPRIB, активиновый рецептор типа 2А и типа 2B (ACVR2A и ACVR2B), но не влияет на экспрессию рецептора активина А типа I (ACVR1) и BMPRII [32]. Было обнаружено, что экспрессия BMP-7 коррелирует с уровнем экспрессии как ER, так и рецептора прогестерона [33]. Антиэстроген-ный реагент ралоксифен может повышать активность BMP-4 в остеобластоподобных линиях клеток U-2 OS [34]. Считается, что ER- α , но не ER- β , необходим для активации BMP-4. Однако ER- β может синергетически усиливать активацию BMP-4 ралоксифеном [34]. Роль, которую играет ER- β в регуляции BMPs и передаче сигналов BMPs эстрогеном в клетках РМЖ, остается еще мало изученной. Кроме того, эстроген и BMP могут влиять на функцию друг друга посредством взаимодействия между их рецепторами и нижестоящими сигнальными путями, такими как ER и Smads. Тем не менее, взаимодействие между эстрогеном и сигнальными путями, активируемыми после применения rhBMPs, а также их роль в развитии и прогрессировании РМЖ все еще нуждаются в дальнейшем изучении.

Факторы роста

Было указано несколько других факторов роста и сигнальных путей в регуляции экспрессии и функции

BMPs. Nacamuli R.P. с соавт. продемонстрировали, что экспрессию BMP-3 можно контролировать с помощью рекомбинантного фактора роста фибробластов человека (rhFGF) в остеобластах, полученных из свода черепа in vivo [35]. Было показано, что экспрессия BMP-6 снижена в тканях РМЖ, что сопровождается одновременным снижением экспрессии рецептора EGF. Связь между BMP-6 и EGF была дополнительно подтверждена активацией BMP-6 в клеточной линии РМЖ MCF-7 посредством активации рецептора EGF [36]. Имеются данные о том, что ретиноид индуцирует экспрессию BMP-2 в чувствительных к ретиноидам клеточных линиях, а рапамицин индуцирует экспрессию BMP-4 и снижает экспрессию фоллистатина в клеточной линии РПЖ PC3, что в итоге способствует его противоопухолевому эффекту [37]. Недавние исследования показали, что фактор роста гепатоцитов (HGF), ключевой регулятор метастазирования и ангиогенеза, может усиливать экспрессию BMP-7 и его рецепторов в клетках РПЖ [14]. Этот эффект может быть заблокирован NK4, антагонистом HGF и ингибитором ангиогенеза. Это предполагает, что HGF участвует в изменении профиля экспрессии BMP при прогрессировании и метастазировании опухоли. Эти исследования в совокупности показывают, что BMPs вместе с другими факторами роста могут играть потенциальную роль во время развития и прогрессирования опухолей, особенно при метастазах в кости.

Ангиогенез

Клинические исследования

Учитывая высокую заболеваемость и смертность при некоторых видах опухолей, очевидно, что риск потенциального послеоперационного образования опухоли после использования rhBMPs критически важен для изучения. Установление случаев формирования опухоли посредством анализа данных клинических испытаний ограничено проблемами мощности и размера выборки, а также относительно короткой продолжительностью наблюдения. RhBMP-2, представленный в 2002 году, стал одним из наиболее часто используемых заменителей костного трансплантата [46]. Несмотря на то, что rhBMP-2 одобрен для использования при переднем поясничном спондилодезе, применение его расширилось, и использование пошло не по назначению, как в отношении местоположения, так и дозировки. В 2012 году DeVine JG с соавт. провели независимый обзор риска онкологии при использовании rhBMP-2 при спондилодезе по материалам, опубликованным в литературе на сегодняшний день и в общедоступных сводках данных FDA, и сделали вывод, что риск развития опухоли может зависеть от дозы. Это заключение основано на данных по применению rhBMP-2 не по прямому назначению для заднелатерального (заднебоковой) спондилодеза в трех рандомизированных контролируемых исследованиях и одном ретроспективном когортном исследовании [46].

Были предприняты попытки ретроспективно изучить более крупные популяции пациентов с более длительными периодами наблюдения. Несмотря на то, что для ретроспективного исследования существует несколько ограничений, возможность изучения больших популяций пациентов с более длительным наблюдением и ис- пользованием rhBMPs не по назначению, как в применении (передний и задний шейный, задний поясничный спондилодез), так и в дозировке, может дать некоторое представление о потенциальном риске формирования опухоли. В документе об одобрении FDA сообщалось об одном случае рака поджелудочной железы во время 12-месячного наблюдения [47]. Однако этот случай кажется случайным, поскольку крупное ретроспективное когортное исследование, проведенное у пожилых пациентов, не выявило какого-либо повышенного риска рака поджелудочной железы, связанного с воздействием rhBMP-2. Carragee E.J. с соавт. сообщили о своих результатах в исследовании по спондилодезу, включавшем 239 пациентов с применением rhBMP-2 и 224 пациентов из контрольной группы (без применения rhBMP-2) [48]. Через 24 месяца наблюдения риск развития онкологии увеличился у пациентов с использованием rhBMP-2 (соотношение рисков 3,45; 95 % доверительный интервал (ДИ): 1,98–6,00), но частота событий была низкой, а опухоли были гетерогенными, 37 % пациентов были потеряны через пять лет наблюдения, что значительно уменьшило мощность статистического анализа. Совсем недавно Kelly M.P. с соавт. сообщили о ретроспективном исследовании, анализирующем заболеваемость онкологией у 467 916 пациентов Medicare, перенесших операцию спондилодеза с 2005 по 2010 год [49]. Относительный риск развития опухоли после воздействия rhBMPs составил 0,938 (95 % ДИ: 0,913–0,964), что является низким значением. Частота развития опухоли была одинаковой в исследуемой группе с применением rhBMP и контрольной группе без rhBMP (5,9 % против 6,5 %). Был сделан вывод о том, что использование rhBMP не было связано с повышенным риском развития опухоли в течение среднего времени наблюдения, а именно – 2,9 года. В таблице 3 представлены клинические исследования, в которых изучался возможный риск развития онкологии после применения rhBMPs [47–52].

Таблица 3

Клинические исследования, проводимые по изучению возможного риска развития опухолей после применения рекомбинантных человеческих костных морфогенетических белков (rhBMPs)

Авторы	Тип исследования	BMP/ торговая марка	Направление	Предполагаемая опухоль	Кол-во пациентов, n	Дозировка BMP	Риск онкологии, n (%)	Длительность наблюдения
Sayama и др. [49]	РКИ	rhBMP-2/ Infuse™	Задний спондилодез затылочно-шейного, шейного, грудного, поясничного или поясничнокрестцового отделов позвоночника	–	57	2.8, 5.6 и 8.0	0 (0)	48,4 месяца средний (диапазон 24–70 месяцев)
Dettori и др. [51]	База данных	rhBMP-2 и rhBMP-7	Спондилодез шейного и поясничного отделов позвоночника	Чаще всего регистрировались РПЖ, РМЖ, рак легких, меланома и рак толстой кишки	4246	–	117 (2,76 )	8 лет
Carragee и др. [48]	МПРИ	rhBMP-2/ Amplify™	Спондилодез поясничного отдела позвоночника	Чаще всего регистрировались РПЖ, плоскоклеточная карцинома, меланома и рак щитовидной железы	239	40	15 (6,3)	60 месяцев
Cooper и др. [50, 52]	База данных	rhBMP-2 и rhBMP-7		Чаще всего регистрировались РПЖ, РМЖ, меланома и неходжкинские лимфомы	2345	–	49 (2)	4,87 года
Mines и др. [47]	РКИ			Рак поджелудочной железы	15453	–	8 (0,05)	1,4 года

Аббревиатуры : РКИ – ретроспективное когортное исследование; МПРИ – мультицентровое проспективное рандомизированное исследование; РПЖ – рак предстательной железы; РМЖ – рак молочной железы; rhBMP-2 – рекомбинантный человеческий костный морфогенетический белок-4; rhBMP-7 – рекомбинантный человеческий костный морфогенетический белок-4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день известно о том, что BMPs проявляют двоякую функцию по отношению к развитию и прогрессированию опухолей. Они могут служить опухолевыми супрессорами или промоторами в зависимости от типа клетки или ткани в микроокружении и эпигенетического фона пациента. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы четко оценить возможную связь между онкогенезом и использованием rhBMPs. Предполагаемая канцерогенность rhBMP-2, о которой подозревали еще в 2011 г., окончательно не подтверждается крупнейшим ретроспективным исследованием, опубликованным Kelly M.P. с соавт. [53] и проведенном на почти полумиллионе пациентов, прошедших лечение по поводу поясничного спондилодеза с применением rhBMP-2 и без него. Хотя некоторые клинические исследования предполагают, что имеется ряд осложнений после применения rhBMPs в спинальной хирургии, и не только (например, воспаление или гетеротопическая оссификация), имеется доку- мент FDA, подтверждающий безопасность применения rhBMP-2 или rhBMP-7 (показания, хирургический метод и имплантат, доза BMPs). Следующий постулат можно найти в соответствующем документе FDA: "Безопасность и эффективность компонента BMP при использовании с другими спинальными имплантатами, имплантированными в места, отличные от нижнего поясничного отдела позвоночника, или используемыми в хирургических методах, отличных от переднего открытого или переднего лапароскопического доступов, не установлены".

Таким образом, на сегодняшний день результаты клинических исследований доказывают, что использование rhBMPs в терапевтических целях не увеличивает риск последующего возникновения злокачественных новообразований. Тем не менее, требуется дальнейшее проведение клинических исследований с возможностью изучения больших популяций пациентов с более длительным сроком наблюдения.