Современные представления о роли гипоксии в развитии радиорезистентности злокачественных опухолей

Более половины пациентов со злокачественными новообразованиями получают лучевую терапию (ЛТ) в монорежиме, в сочетании с хирургическим вмешательством и/или химиотерапией. Облучение и химиотерапия широко используются как один из этапов комбинированного лечения, а также как методы паллиативной терапии при первично неоперабельных или диссеминированных злокачественных новообразованиях (ЗНО) [1–3]. При ряде локализаций ЛТ, не уступая хирургическому методу в эффективности, является более функциональным и косметически щадящим методом.

Установлено, что эффективность ЛТ непосредственно связана с радиочувствительностью опухоли. Термин «радиочувствительность» означает относительную восприимчивость клеток к необратимым повреждениям, индуцированным ЛТ, таким как хромосомная нестабильность и гибель клеток [4]. При этом важно понимать, что эффективность ЛТ определяется не только степенью повреждения опухолевых клеток, но и активацией под влиянием облучения иммунного ответа, получившего название «вакцинация in situ » [5]. Вызывая повреждение опухолевых клеток, ЛТ приводит к высвобождению и презентации антигенов, примированию и активации Т-лимфоцитов, рекрутированию и накоплению Т-клеток в опухоли, распознаванию и уничтожению опухолевых клеток Т-лимфоцитами [6].

Следует отметить, что радиочувствительность опухоли зависит от многих факторов, таких как фаза клеточного цикла, кислородное насыщение клетки, ее способность к восстановлению, гистогенез и степень дифференцировки опухоли, ее размер, особенности метаболизма, а также экспрессия генов, регулирующих митохондриальные функции, аутофагию и лизосомальную деградацию [7, 8]. В настоящее время определен ряд маркеров, которые могут быть использованы для оценки чувствительности опухоли к проводимой ЛТ [9].

К таким маркерам можно отнести наличие аберрации р53 [10], уровни галектин-1 [11], кавеолин 1 [12], P16, PD-L1, сурвивин и c-Met [13] и другие. Однако следует отметить, что в настоящее время в клинической практике ЛТ назначается с учетом гистологии, стадии заболевания и локализации процесса. При этом у части пациентов ЛТ оказывается не только неэффективной, но и приводит к развитию тяжелых постлучевых осложнений [14]. Все вышесказанное свидетельствует об актуальности исследований, направленных на поиск индивидуальных предикторов ответа опухоли на проводимое лечение и изучение механизмов радиорезистентности, что позволило бы избегать назначения неэффективных схем, корректировать индивидуальные планы терапии пациентов и тем самым способствовать улучшению результатов лечения.

Согласно современным представлениям, одним из ключевых факторов, связанных с формированием радиорезистентности ЗНО, является гипоксия [15, 16]. Установлено, что реакция опухолевых клеток на ЛТ в условиях нормоксии и гипоксии различна. При нормоксии кислород реагирует со свободными радикалами, образовавшимися под влиянием ЛТ, с формированием новых радикальных групп, которые усиливают лучевые повреждения. Однако в условиях гипоксии радиационные повреждения ДНК быстро восстанавливаются за счет сульфгидрильных групп, что предупреждает гибель опухолевых клеток [17]. Более того, образование под влиянием гипоксии активных форм кислорода повышает активность пути синтеза серина и путей пентозофосфата и запускает по механизму обратной связи выработку антиоксидантов, которые их нейтрализуют, усиливая радиорезистентность [18, 19].

Установлено, что развитие химио- и радиорезистентности под влиянием гипоксии опосредуется через следующие механизмы:

– индукцию остановки клеточного цикла в фазе покоя, что защищает клетки от внешнего стресса [20, 21];

– ингибирование апоптоза и старения клеток. В опухолевых клетках гипоксия увеличивает экспрессию изоформы гексокиназы 2, которая транслоцируется в митохондрии, способствуя производству глюкозо-6-фосфата для гликолиза и предотвращению высвобождения цитохрома С из митохондрий, тем самым ингибируя апоптоз [22];

• – активацию аутофагии и митохондриальной активности [20, 21];

  – индукцию механизмов иммунологической толерантности, способствующей выживанию опухолевых клеток после ЛТ [23, 24].

Так, гипоксия ингибирует пролиферацию, дифференцировку и созревание дендритных клеток и цитотоксичных натуральных киллеров (NK-клеток), участвующих в противоопухолевом иммунном ответе, нарушает презентацию антигена и рецепторную передачу сигналов T-клеток [25], подавляет экспрессию молекул гистосовместимости 1-го класса [26], активирует программный рецептор смерти-1 (PD-1) и его лиганд (PDL-1) [27], способствует рекрутированию Tregs и М2 макрофагов в опухоль [28], индуцирует выработку иммуносупрессивных цитокинов IL-10 и TGF-β [23, 29]. Кроме того, аномальные сосуды и повышенное интерстициальное давление блокируют инфильтрацию опухоли CD8+Т-лимфоцитами, что также способствует выживанию опухолевых клеток после ЛТ [5].

Определение выраженности тканевой гипоксии имеет значение для прогноза эффективности проводимой ЛТ. Первые попытки ее определения были связаны с оценкой кровоснабжения опухоли. Для этих целей определяли плотность сосудов в опухоли, расстояние от опухолевых клеток до ближайшего кровеносного сосуда, исследовали насыщение крови оксигемоглобином. Позднее были разработаны методы оценки кровоснабжения опухоли с использованием МРТ, КТ или позитронно-эмиссионной томографии [15, 30], определения уровня гипоксии в тканях с помощью фосфоресцентного нанозонда [31]. Учитывая, что гипоксия усиливает экспрессию ряда генов/белков, их определение также используют для оценки выраженности тканевой гипоксии. К наиболее значимым эндогенным маркерам гипоксии относят индуцируемый гипоксией фактор-1 (HIF-1), карбоангидразу IX, транспортеры глюкозы GLUT-1 и GLUT-3, остеопонтин и др. [15, 32].

Как было отмечено выше, одним из ключевых транскрипционных факторов, отвечающих за регуляцию экспрессии генов при гипоксии и ишемии, является индуцируемый гипоксией фактор-1 (HIF-1). Этот белок состоит из 2 субъединиц: альфа и бета. Экспрессия HIF-1α регулируется уровнем кислорода в тканях, HIF-1ß – экспрессируется постоянно. При нормальной концентрации кислорода субъединица HIF-1α подвергается протеасомной деградации, тогда как при гипоксии остается стабильной и накапливается [33]. Повышение уровня экспрессии HIF-1α приводит к метаболическому перепрограммированию опухолевых клеток, к появлению у них способности избегать гипоксические состояния, т. е. к инвазии и метастазированию, а также к способности улучшить доступность кислорода, т. е. к ангиогенезу и неоваскуляризации [33, 34]. В частности, установлено, что HIF-1α активирует экспрессию целого ряда кислородчувствительных генов, участвующих в регуляции ангиогенеза, эпителиально-мезенхимальной трансформации (ЭМТ) и иммунологической толерантности [22, 35], а также генов, отвечающих за пролиферацию, выживание и миграцию опухолевых клеток [36–38]. Однако важно отметить, что уровень HIF-α может повышаться не только при гипоксии, но и в ответ на повышение уровня цитокинов, липополисахаридов и факторов роста, опосредованное путями PI3K/AKT/mTOR, MAPK, NFĸB и оксида азота [20].

Один из механизмов, связанных с развитием радиорезистентности в условиях гипоксии, обусловлен тем, что при гипоксии опухолевые клетки начинают экспрессировать маркеры ЭМТ (Snail, E-кадгерин и Виментин) и демонстрируют характеристики, подобные раковым стволовым клеткам [39, 40]. Последние представляют основной пул химио- и радиорезистентных клеток, и их высокий уровень в опухоли ассоциирован с неблагоприятным исходом лечения [41]. Показано, что под воздействием ЛТ популяция стволовых раковых клеток может резко возрастать, и, вероятнее всего, именно эта популяция клеток обеспечивает не только радиорезистентность опухоли, но и высокий риск рецидива заболевания [40, 42].

В прогнозе эффективности ЛТ важно учитывать тот факт, что радиорезистентность может формироваться в процессе облучения. В связи с этим различают первичную и вторичную радиорезистентность, которая формируется в ходе ЛТ в результате следующих процессов [23, 43]:

– в процессе ЛТ происходит повреждение эндотелиальных клеток, что приводит к формированию микротромбов, повышению сосудистой проницаемости и пропотеванию жидкости в межклеточное пространство; отек увеличивает внутритканевое давление и еще в большей степени усиливает гипоксию;

– гипоксия увеличивает выработку VEGF-A, способствуя образованию аномальных сосудов, также усиливающих гипоксию, которая, в свою очередь, приводит к гиперэкспрессии HIF-1α и TGF-β, вызывающих активацию экспрессии PD-1 и PDL-1, рекрутирование миелоидных супрессорных клеток костного мозга (BMDC) и увеличение попу- ляции T-reg лимфоцитов, которые ассоциируются с развитием иммунологической толерантности, выживанием опухолевых клеток после ЛТ и рецидивом заболевания;

– повреждение эндотелиальных клеток также приводит к увеличению экспрессии молекул адгезии: молекул межклеточной адгезии 1-го типа (ICAM-1) и молекул адгезии сосудистого эндотелия 1-го типа (VCAM-1), а также к повышению экспрессии и аффинности интегринов, которые являются их лигандами. Повышение экспрессии интегринов приводит к потере способности опухоль-ассоциированных фибробластов к инвазии за счет стабилизации фокальных контактов [44], а гиперэкспрессия HIF-1α и TGF-β способствует развитию постлучевого фиброза за счет активации механизмов ЭМТ. Полагают, что опухоли с выраженной десмопластической реакцией благодаря интегрин-опосредованным взаимодействиям между раковыми клетками, стромальными клетками и окружающим экстрацеллюлярным матриксом являются по своей природе радиорезистентными и подавление лучевого фиброза может способствовать повышению радиочувствительности злокачественных новообразований.

Таким образом, ключевым фактором развития вторичной радиорезистентности также является гипоксия. Экспериментально показано, что острая гипоксия, развивающаяся при ЛТ крупными фракциями, вызывает формирование пула наиболее устойчивых опухолевых клеток, а большие промежутки времени между сеансами способствуют восстановлению опухолевых сосудов и предупреждают вторичную гибель клеток [45]. Предполагается, что решение данной проблемы лежит в плоскости подбора оптимального режима фракционирования дозы облучения [46].

При изучении причин опухолевой гипоксии важно учитывать два момента: основной, хотя и не