1. Введение
Поэтапное накопление генетических изменений от здоровой ткани до злокачественной опухоли сопровождается взаимодействием соседних нормальных клеток в поддержке развития и прогрессирования опухоли. Эти «нормальные» клетки, которые включают иммунные и неиммунные популяции, вместе называются стромой. Стромальные и раковые клетки вместе образуют микросреду опухоли.
Хотя большая часть работы была сосредоточена на характеристике онкогенных мутаций в эпителиальных клетках с точки зрения инициации рака, приобретения одних мутаций не всегда достаточно, чтобы вызвать рак, поскольку большинство мутагенных клеток умирают или стареют. Действительно, многие предраковые поражения уже несут значительную мутационную нагрузку. Однако, лишь немногие разовьются в рак и должно пройти значительное время от этих начальных мутаций до развития опухоли.
Это подразумевает роль окружающей стромальной среды с точки инициации рака, где не-клеточно-автономные сигналы обеспечивают нишу, разрешающую злокачественный переход.
По мере того, как мы все больше понимаем сложность микросреды опухоли, концепция использования стромы для терапевтических целей становится все более актуальной. Ключевыми вопросами, которые необходимо решить, остается возможность использования характеристик развивающейся микросреды для ранней диагностики и стратификации пациентов на ранних стадиях канцерогенеза. В этом обзоре мы исследуем состояние нашего понимания компонентов в микросреде и их вклада в злокачественный переход. Иммунные компоненты были предметом наиболее интенсивных исследований, неиммунные компоненты теперь становятся критически важными, и мы пытаемся подчеркнуть их роль, выделяя новые направления для облегчения раннего обнаружения.
2 Популяции иммунных клеток развивающейся микросреды опухоли: потеря контроля
Распознавание и уничтожение генетически трансформированных клеток иммунной системой (иммунный надзор) составляют главный барьер на пути прогрессирования ранних форм рака. Это видно из многочисленных исследований, сообщающих более высокий уровень заболеваемости раком у ослабленных лиц и у мышей не хватает ключевых цитотоксических компонентов иммунной системы, такие как IFN-gamma, перфорин и естественных клеток - киллеров (NK - клетки). Потенциал иммунной системы по устранению сформировавшихся опухолей у людей был хорошо продемонстрирован эффективностью ингибиторов иммунных контрольных точек (ICPI). Таким образом, роль иммунной системы во взаимодействии практически со всеми неиммунными компонентами TME, а также в передаче сигналов за пределы физических границ TME в макросреду опухоли вызвала большой интерес к роли иммунной системы в раннем онкогенезе.
Присутствие иммунных клеток в опухолях, способных распознавать мутировавшие раковые клетки, поднимает несколько важных вопросов, которые до сих пор остаются серьезной проблемой для онкологии: как раковые клетки избегают разрушения иммунной системой? Как теряется иммунный контроль? И когда при онкогенезе этот контроль теряется?
2.1 Адаптивный иммунитет при злокачественной трансформации
Т-лимфоциты являются ключевыми детерминантами опухоли. Повышенная инфильтрация CD8 и высокое соотношение CD8: T reg в установленных опухолях связаны с благоприятным долгосрочным прогнозом. В ранних поражениях, подвергающихся активному иммунному ответу, опухолевые неоантигены, образовавшиеся в результате генетической нестабильности, представлены на MHC, предупреждая Т-клетки о присутствии раковых клеток, что приводит к их быстрой элиминации. Исследования с использованием канцерогенных моделей мышей показали, что предраковое микроокружение значительнее иммуностимулирует, чем устоявшееся микроокружение опухоли, поддерживая мощную активацию Т-клеток. В генно-инженерных моделях мышей продемонстрировано, что накопление антиген-зависимых Т-клеток было достаточным, чтобы легко задержать прогрессирование злокачественной опухоли. В предраковых поражениях наблюдается повышенное количество Т-клеток по сравнению с развитыми инвазивными поражениями, а при более низком уровне инфильтрации наблюдается более высокая частота развития рака, что указывает на ключевую взаимосвязь между Т-клетками и эпителием в этом поэтапном процессе.
Однако это резко контрастирует с установленными опухолями, которые часто представлены небольшим количеством инфильтрирующих опухоль лимфоцитов, демонстрирующих нарушенную цитотоксическую способность. Сформировавшиеся опухоли избегают иммунной атаки с помощью четырех основных механизмов. Во-первых, мутация компонентов пути презентации антигена снижает презентацию неоантигена, делая раковые клетки «невидимыми» для Т-клеток. Действительно, в 40% случаев немелкоклеточного рака легких человека обнаруживаются дефекты лейкоцитарных антигенов человека (HLA), снижающие презентацию антигена и способствующие ускользанию от иммунной системы. Во-вторых, функциональные Т-клетки устраняют иммуногенные клоны, способствуя развитию менее гетерогенных, менее иммуногенных опухолей в процессе, называемом иммуноредактированием. При саркоме мышей антиген-специфические Т-клетки, присутствующие в ранних очагах поражения, имеют решающее значение для иммуноредактирования, чтобы позволить вырасти менее иммуногенным клона. В-третьих, опухоли вызывают состояние дисфункции проникающих Т-клеток, часто называемое «иммунным истощением», показали, что, несмотря на первоначально эффективный Т-клеточный ответ, замедляющий прогрессирование опухоли легкого, Т-клетки не сохраняются и проявляют пониженную цитотоксичность, несмотря на продолжающееся воздействие антигена. В самом деле, было показано, что стойкое воздействие антигена является критическим триггером для инициации сигнатуры истощения Т-клеток, которая все больше оценивается как дифференцированный спектр неактивности, берущий свое начало в ранних TME. В других моделях, исследующих потерю функции Т-клеток В предраковых поражениях, увеличение экспрессии PD-1 / PD-L1, разнообразие T reg и количество циркулирующих T regs указывало на дисфункцию Т-клеток. В-четвертых, сформировавшиеся опухоли развивают иммуносупрессивное микроокружение, которое защищает их от опосредованного Т-клетками иммунитета. Исторически это было продемонстрировано феноменом «сопутствующего иммунитета». У мышей индуцируется опухолевое образование. После удаления опухоли та же мышь демонстрирует иммуноопосредованную устойчивость к повторному заражению клетками своей собственной опухоли. Это элегантная демонстрация того, что иммунная система может уничтожать изолированные опухолевые клетки, но как только микросреда сформирована, опухоль защищена от циркулирующего иммунитета. В развивающемся TME трансформирующий фактор роста бета (TGF-β), эпителиальный или полученный из иммунной системы, может дополнительно усиливать потерю иммунного надзора, опосредованного Т-клетками. T regs подавляют эффекторные функции T-клеток, подавляя гены, участвующие в цитотоксической функции CD8 T-клеток, включая гранзим B и IFN-γ, в конечном итоге изменяя иммунный баланс в сторону толерантности и облегчая уклонение от иммунитета. TGF-β играет ключевую роль в инициации регуляторных программ и дифференцировки CD4 Тклеток в Т - регуляров . Интересно, что во время злокачественного перехода TGF-β действует контекстно-специфическим образом, играя противоположные роли, первоначально действуя как супрессор опухолей, способный вызывать апоптоз в предраковых клетках, а затем действовать как мощный иммунный супрессор, что широко рассматривается в других работах. Более широкие иммунные функции других компонентов микросреды обсуждаются более подробно позже в этом обзоре. Таким образом, нарушение функциональности Т-клеток при предраковых поражениях происходит не изолированно, а через перекрестные помехи с другими составляющими иммунной среды.
В совокупности эти отчеты добавляют к растущему количеству доказательств, предполагающих, что, хотя Т-клетки необходимы для иммунного контроля предраковых поражений, потеря Т-клетками иммунного опосредованного надзора может произойти до злокачественного перехода и что вовлечение иммунной системы активно способствует прогрессированию рака.
2.2 Врожденная модуляция трансформирующей микросреды опухоли
Критические детерминанты Т-клетк не действуют изолированно, участвуя в обширных перекрестных взаимодействиях с другими иммунными клетками в развивающемся микроокружении. Врожденная иммунная система, включающая нейтрофилы, NK-клетки, врожденные лимфоидные клетки, дендритные клетки и макрофаги, функционируют в первую очередь как быстрый ответ на патогены. В контексте опухоли первоначально защитный ответ переключается на канцерогенез. Непосредственно участвуя в онкогенезе путем отбора иммуногенных клонов, компартмент врожденного иммунитета в конечном итоге формирует формирование микроокружения опухоли, обеспечивая воспалительные реакции, способные контролировать дейстивияТ-клеток, воздействовать на сами мутировавшие раковые клетки и изменять окружающие ткани.
2.2.1 Макрофаги
Из всех иммунных клеток макрофаги являются наиболее многочисленными и обладают, возможно, самой высокой пластичностью, быстро реагируя на разнообразные раздражители окружающей среды. Активированные провоспалительные (M1) и противовоспалительные (заживление ран, M2) популяции были подробно описаны. НО, в контексте опухоли, M1 и M2 номенклатура является сильно упрощенной классификацией, с существующими макрофагами всего спектра фенотипов от про- к противовоспалительному. Действительно, отражая широту разнообразия сигналов, полученных из опухоли, исследования описали макрофаги, экспрессирующие как маркеры, типичные для фенотипов M1 и M2, так и признаки, пересекающиеся с клетками-супрессорами миелоидного происхождения (MDSC). Неоднородность в микросреде развивающейся опухоли дополнительно усиливает внутриопухолевое разнообразие макрофагов и разнообразие типов рака.
На самых ранних стадиях развития опухоли наблюдается увеличение количества макрофагов проявляющих провоспалительный фенотип, активируемый факторами хозяина, такими как DAMPs и ДНК опухолевых клеток. Такие инфильтраты помогают иммунному надзору и способны напрямую устранять клоны иммуногенных опухолевых клеток посредством высвобождения токсичных медиаторов, таких как TNF, интерлейкин-2 (IL-2), реактивации форм азота и кислорода. Такое поведение напоминает их роль при инфицировании, фагоцитозе и представлении антигена опухолевого происхождения поступающим CD8 Т-клеткам. Более того, усиливая эти эффекты, ИЛ-1, полученный из макрофагов, активирует врожденные факторы и адаптивных иммуннымх клеток для подавления опухолевой прогрессии. Как и при надзоре Т-клеток, опухоли развивают способности, позволяющие уклоняться от иммунного ответа. Недавняя работа определила механизм, используемый опухолевыми клетками, позволяющий избежать опосредованного макрофагами иммунного надзора на ранних стадиях онкогенеза. GDF-15, происходящий из эпителия, подавлял цитотоксическую активность макрофагов, ингибируя продукцию TNF и NO NF-κB-зависимым образом. Следовательно, в ответ на быстро адаптирующуюся цитокиновую среду в развивающихся очагах поражения, включая TGF, IL-10, IL-4 и M-CSF, макрофаги приобретают стимулирующий опухоль, иммуносупрессивный фенотип, в процессе ремоделируя микроокружение.
Однако эти противоопухолевые эффекты очень ранних поражений сменяются фенотипом, способствующим развитию опухоли, на ранней стадии канцерогенеза. Эта потребность в макрофагах при злокачественном прогрессировании была продемонстрирована путем скрещивания мышей MMTV-PyMT, у которых спонтанно развиваются опухоли молочной железы, с остеопорозными мышами, лишенными CSF-1, цитокина, критически важного для функции макрофагов. В то время как они наблюдали незначительное влияние на развитие предраковых поражений, прогрессирование инвазивной карциномы была значительно нарушена.
Ключевой особенностью некогда противоопухолевых воспалительных макрофагов является приобретение иммуносупрессивных свойств, способствующих злокачественному прогрессированию. Для поддержки подавления иммунитета и, таким образом, уклонения от раннего иммунного надзора макрофаги используют как прямые, так и косвенные механизмы. Экспрессия иммунных контрольных точек, таких как PD-L1, подавляет функцию Т-клеток, а высвобождение подавляющих цитокинов, метаболитов и протеаз имеет далеко идущие эффекты на иммунный компартмент. Провоспалительные цитокины, такие как IL-12, заменяются секрецией IL-10, Индолеаминдиоксигеназа (IDO) ] и TGF-β, которые вместе ухудшают эффекторную активность Т-клеток и способствуют индукции фенотипов T reg . CCL22 рекрутирует T regs и вместе с CCL5 и CCL17 может ингибировать пролиферацию T-клеток. Точно так же IL-10 и TGF-β ингибируют созревание DC, снижая антигенпрезентирующую способность и нижестоящие Т-клеточные ответы.
Макрофаги в предзлокачественном микроокружении могут также вызывать опухолевую активность, помимо влияния на иммунные клетки, либо посредством прямого воздействия на эпителиальные клетки, либо посредством косвенного воздействия на другие неиммунные популяции стромы. Есть несколько прямых эпителиальных механизмов. Во-первых, такие факторы, как ROS и NOS, также вызывают повреждение ДНК, что способствует нестабильности генома и мутационному бремени. Во-вторых, высвобождение цитокинов и факторов роста, таких как EGF, стимулирует пролиферацию эпителия. Как в моделях хронического воспаления, так и в моделях рака поджелудочной железы, основанных на Kras, макрофаги вызывают метаплазию ацинарных клеток в протоковые клетки. Ацинарные клетки поджелудочной железы с онкогенным KRASG12D активировали экспрессию ICAM-1 для рекрутирования макрофагов, которые посредством матриксной металлопротеиназы-9 (MMP9) и продукции TNF-α индуцировали метаплазию, самое раннее патологическое поражение поджелудочной железы. Также при раке поджелудочной железы изменение формы предракового микроокружения до фенотипа PDAC требует раннего рекрутирования макрофагов через CCL9 и CCL2. Произведенный из макрофагов Gas6 также недавно был описан как важный регулятор перехода от предракового рака груди к инвазивному раку груди. Передача сигналов через Axl на предраковые эпителиальные клетки, вступившие в контакт с полученным из макрофагов Gas6, индуцировала нисходящие сигналы выживания и одновременную потерю E-кадгерина.
Помимо их непосредственного влияния на эпителиальные клетки, как и для любого органа, должен быть создан для поддержки расширяющегося эпителиального отделения в гиперпластических поражениях источника кислорода. Макрофаги, в том числе подмножество, экспрессирующей TIE - 2, вносят свой вклад в развитие кровеносных сосудов переключателя и функции в качестве индукторов ангиогенеза с помощью производства различных про-ангиогенных факторов VEGF, ФНО-альфа, IL-8, ММР9 и FGF-2. Эти особенности были продемонстрированы на моделях трансгенных мышей, которые воспроизводят очень ранние неопластические поражения. В индуцибельной мышиной модели пренеопластических изменений в эпителии молочных желез рекрутирование макрофагов было необходимо для пролиферации эпителия и индукции ангиогенеза. Сходным образом у мышей, у которых отсутствует CSF1, отсроченное прогрессирование от предраковых к инвазивным повреждениям происходит из-за неспособности индуцировать ангиогенез с помощью макрофагов, процесс зависит от MMP9. Это было верно также для онкогенеза кишечника. Более того, происходящее из макрофагов MMP9 играет ключевую роль в ангиогенезе опухоли, регулируя биодоступность VEGF.
Макрофаги также участвуют в ремоделировании подлежащих тканей. Внеклеточный матрикс (ЕСМ), трехмерная сеть, состоящая из полисахаридов, белков, включая коллагены и гликопротеины, обеспечивает биохимические и биомеханические сигналы, критически важные для прогрессирования опухоли. Макрофаги часто наблюдаются в богатых коллагеном областях развивающихся опухолей, где они участвуют в отложении матрикса, организации фибрилл, перекрестное связывание (укрепление ECM) и деградация с высвобождением факторов роста и поддержкой подвижности клеток. Здесь было показано, что они повышают экспрессию матрично-клеточных гликопротеинов, остеопонтина, остеоактивина, фибронектина, коллагена типов I, VI и XIV, а также секретируемого белка, кислого и богатого цистеином (SPARC), необходимого для сборки и организации коллагенового матрикса. Макрофаги вырабатывают ферменты для модификации сборки коллагена, такие как изоформа 1-субъединицы a пролил-4-гидроксилазы (P4HA1) и проколлаген-лизин 2-оксоглутарат 5-диоксигеназы 1 и 3 (PLOD-1, PLOD-3) и модифицируют секретируемую структуру посредством экспрессии лизилоксидазы (LOX) и лизилоксидазоподобных (LOXL) белков, поддерживая укрепление матрикса, необходимое для изменений морфологии эпителия (подробно обсуждается позже).
2.2.2 ILC и NK-клетки
На ранних стадиях рака ILC чрезвычайно эффективны в уничтожении злокачественных клеток за счет экспрессии перфорина и гранзима, а также лигандов смерти, таких как регулируемый TNF лиганд, индуцирующий апоптоз (TRAIL) и лиганд Fas ILC включают цитотоксические NK-клетки и недавно обнаруженные «вспомогательные» подмножества ILC. NK-клетки являются ключевыми участниками иммунного надзора за ранними поражениями, «распознавая» злокачественные клетки по отсутствию MHC I на раковых клетках, избегающих цитотоксических Т-клеток, и, следовательно, их присутствие связано с хорошим прогнозом. Доказательства, подтверждающие эту противоопухолевую роль, получены из исследований, показывающих повышенную заболеваемость раком у мышей и людей, лишенных NK-клеток и повышенный риск рака у пациентов с низкой активностью NK.
Колеблющийся баланс активирующих и ингибирующих взаимодействий рецептор-лиганд на NK-клетках контролирует их активность. Наиболее интересным из них с точки зрения иммунологии опухолей был естественный киллер группы 2, член D (NKG2D) рецептор, который может распознавать MHC класса I-родственные белки A и B (MICA и MICB), эктопически экспрессируемые антигены, такие как Rae1 или H60, а также лиганды клеточной поверхности, вызванные повреждением ДНК, способствующие элиминации опухолевых клеток. Цитокины, включая IFN-γ, IL-12, IL-18 и IL-15, и молекула адгезии на клеточной поверхности LFA-1 в TME также сильно активируют NK-клетки. Активированные NK-клетки продуцируют TNF, IFN-γ или CSF-2, модулируя функцию лейкоцитов для усиления противоопухолевой активности, а также экспрессируют хемокины, такие как CCL5 и XCL1, для набора DC. Однако по мере установления TME NK-клетки становятся гораздо менее эффективными в уничтожении своих мишеней, демонстрируя снижение цитотоксичности и выработку воспалительных цитокинов. Чтобы избежать разрушения NK-клетками, опухоли используют как прямые, так и косвенные механизмы, включая покрытие коллагеном и тромбоцитами, чтобы защитить себя от обнаружения NK. Цитокины также добавляют к их недавно приобретенному супрессивному фенотипу, ослабляя цитотоксическую способность и останавливая пролиферацию Т-клеток.
Роль других популяций ILC плохо изучена и варьируется в зависимости от местного микроокружения, причем как иммунопротекторные, так и опухолевые эффекты продемонстрированы при раке легких, кожи и толстой кишки. ILC в основном резидентны в тканях и делятся на подмножества ILC1, ILC2 и ILC3, функционально соответствующие подмножествам TH1, TH2 и TH17 CD4 + Т-клеток - однако это значительное упрощение, и полный характер функций этих подмножеств все еще не определена и не изучена. Аналогично NK-клеткам, ILC1 и ILC3 также активируются IL-15 и способствуют иммунному надзору за счет высвобождения TNF, IL-8 и IL-2, способствуя привлечению и пролиферации лейкоцитов . Однако во время злокачественного прогрессирования во все более богатой TGF-β среде, NKs, как сообщается, превращаются в ILC1-подобные клетки с пониженной способностью контролировать рост опухоли. Также было показано, что ILC3s управляют пролиферацией эпителия IL-22-зависимым образом.
Еще одна популяция Т-клеток с врожденными свойствами - это естественные Т-клетки-киллеры (NKT). Это уникальная популяция Т-клеток, которые распознают липидные антигены, представленные на молекуле типа I класса C1d. NKT типа I используют полуинвариантный TCR, состоящий из определенной альфа-цепи с небольшим количеством бета-цепей, и реагируют in vitro на липид альфа Gal-Cer. У мышей, лишенных NKT типа I, обычно обнаруживаются дефекты в иммунном надзоре за опухолью, и есть интерес к использованию альфа-Gal-Cer для стимуляции противоопухолевого иммунитета, хотя результаты у пациентов были ограниченными. Однако в трансгенной модели кишечных полипов (мышь APC min) было обнаружено, что NKT типа I способствуют образованию полипов путем привлечения T regs.. NKT «типа II» (или «неклассические» NKT) используют различные альфа- и бета-цепи TCR; в отличие от типа I, эксперименты на мышах предполагают, что они обладают иммунорегуляторной функцией, способствующей развитию опухолей. Как и ILC, важность NKT в раннем онкогенезе не совсем понятна.
2.2.3 Нейтрофилы
Нейтрофилы действуют перовой линией ответа во время инфекции. Учитывая эту раннюю роль в развитии инфекции, следует, что нейтрофилы также вносят значительный вклад в ранний онкогенез, сообщая о противоопухолевой и проопухолевой активности. Что касается макрофагов, то отчасти это может быть следствием их функциональной активности. Действительно, фенотип нейтрофилов в TME зависит от типа и стадии опухоли. В раннем туморогенезе нейтрофилы рекрутируются хемокинами, происходящими из эпителия и стромы, такими как G-CSF, CXCL8, CXCL1, CXCL2, CXCL3 и CXCL5. Здесь они вызывают противоопухолевую активность за счет высвобождения цитотоксических гранул, продукции TNF-α, NO, H 2 O 2., TRAIL и IFN-γ и экспрессия костимулирующих молекул. На этой стадии, искаженные IFN-β, нейтрофилы, ассоциированные с опухолью (TAN), привлекают и способствуют активации наблюдающих Т-клеток.
Однако, прямо противореча этой противоопухолевой активности, сообщалось также, что TAN вносят вклад в канцерогенез с момента инициации опухоли. Локальный TGF-β подталкивает нейтрофилы к опухолевому фенотипу, вызывая генетическую нестабильность и MAPK-зависимую пролиферацию пренеопластических клеток, а также высвобождая провоспалительные цитокины. В частности, было показано, что полученные из нейтрофилов ИЛ-6 и ИЛ-11 способствуют пролиферации раковых клеток и ингибируют апоптоз посредством STAT3. Теперь, преимущественно набирать TAN - кодов Т - регистры , непосредственно подавления CD8 Т - клеток через PD-L1 и косвенно IL-8 с приводом аргиназы производства. Будучи установленными, TANs вносят вклад в формирование микросреды, индуцирующей ангиогенез, ремоделирование ECM посредством отложения нейтрофильной эластазы и высвобождения MMP. Еще одна особенность нейтрофилов - образование внеклеточных ловушек нейтрофилов (NET). Эти внеклеточные структуры ДНК декорированы цитотоксическими гранулами, ММП и эластазой нейтрофилов, и, несмотря на все возрастающее количество доказательств, описывающих роль в циркуляции опухоли, метастатическая колонизация и покой опухоли существуют, их роль на ранних стадиях развития первичной опухоли остается незначительной.
2.2.4 Дендритные клетки
Дендритные клетки - это антигенпрезентирующие клетки, которые соединяют в себе компартменты врожденного и адаптивного иммунитета, стимулируя Т-клетки антиген-специфическим образом. В все еще воспалительной ранней TME опытные DC эффективно представляют опухолевый антиген Т-клеткам наряду с костимулирующими молекулами CD40, CD80 и CD86, тем самым играя центральную роль в иммунном надзоре. Здесь их наличие ассоциируется с хорошим прогнозом. Однако воздействие супрессивных модуляторов, таких как VEGF, IL-10, TGF-β и простагландин E2 (PGE2), а также сигналов микросреды, таких как накопление липидов и снижение pH, ингибирует созревание DC, снижая экспрессию костимулирующих модулей и, следовательно, снижая способность презентации антигена . Это делает DC менее способными к праймированию Т-клеток, в то время как более склонными к стимулированию ответов TH2 и T reg . Экспрессия PD-L1 с помощью DC напрямую подавляет инфильтрацию Т-лимфоцитов CD8. Вызванные цитокинами изменения в путях транскрипции и метаболизма дополнительно способствуют толерогенному фенотипу, стимулируя экспрессию таких факторов, как IDO, Arg1, iNOS и STAT3. Что еще больше усложняет ситуацию, с сообщениями о противоопухолевой и проопухолевой активности в зависимости от исследуемого участка, наше понимание ДК может быть искажено тканевой специфичностью в дополнение к стадии развития.
Таким образом, роль иммунного инфильтрата в предраковых тканях и баланс защиты против опухолевой прогрессии остается неясным (рис. 1). При большом объеме корреляционных данных требуется подробный фенотипический и функциональный анализ. Кроме того, выбор модели для изучения микросреды в канцерогенезе имеет решающее значение. Следует отметить, что корреляция между воспалением и прогрессированием предраковых состояний в рак сильнее в желудочно-кишечном тракте, чем в других местах. К ним относятся пищевод Барретта, болезнь Крона и язвенный колит. Это поднимает вопрос о том, проявляют ли разные анатомические участки различную иммунную инфильтрацию, существуют ли тканеспецифические реакции на воспаление и как они могут способствовать прогрессированию предраковых поражений на разных участках. Особенно хорошо изучены проопухолевые функции врожденной иммунной системы при установленных опухолях.
Рисунок 1. Функции раннего микроокружения опухоли. Привлечение и активация цитотоксических CD8 T-клеток, NK-клеток, нейтрофилов и макрофагов приводит к уничтожению мутировавших эпителиальных клеток. Эти начальные противоопухолевые эффекты, вызванные иммунным надзором, уступают место среде с функциями подавления, способствующими развитию опухоли. Обширные перекрестные помехи между популяциями стромы и раковыми клетками вызывают и усиливают проопухолевые функции. К ним относятся активация фибробластов и ремоделирование ECM; индукция ангиогенного переключателя; высвобождение факторов роста и промежуточных продуктов для поддержки геномной нестабильности и пролиферации; иммунное исключение; сотрудничество между иммунными клетками для предотвращения противоопухолевых ответов, включая нарушение презентации антигена, снижение цитотоксической способности; высвобождение подавляющих цитокинов; и удаление / индукция анергии Т-клеток. CD8, цитотоксические Т-клетки; Трег , регуляторные Т-клетки; MP1, воспалительный макрофаг; MP2, супрессивный макрофаг; DC, дендритная клетка; NP, нейтрофилы; NK, естественные киллеры.
Механизмы, лежащие в основе перехода от раннего иммунного надзора со стороны врожденных иммунных клеток к опухолевым фенотипам макрофагов, NK-клеток, нейтрофилов и DCs, позднее в процессе опухолегенеза, изучены недостаточно. Частично это связано с техническими проблемами изучения очень ранних поражений в «истинных» эпителиальных условиях, что требует моделей трансгенных мышей. Большая часть доказательств раннего надзора за врожденным иммунитетом исходит из макроскопических наблюдений за увеличением заболеваемости раком при иммуносупрессивных состояниях, а не прямого наблюдения за предраковым эпителием. Можно предположить две основные причины этого сдвига. Согласно точке зрения, ориентированной на раковые клетки, предраковые поражения, приобретают способность включать про-опухолегенный врожденный иммунитет, и могут переродится в опухоли.
Примечательно, что рак представляет собой парадокс для стандартных ответов на сигналы тревоги иммунной системы: хотя опухоли генетически различны и, способны стимулировать антигенную стимуляцию Т-клеток, они также испускают эндогенные сигналы опасности, известные как молекулярные паттерны, связанные с повреждением (DAMPs), чтобы предупредить врожденную иммунную систему. DAMPs имеют тенденцию генерировать врожденный ответ, совместимый с иммунной регуляцией, подавлением и исцелением Т-клеток. Последний включает секрецию факторов роста эпителия и ангиогенных сигналов, которые поддерживают рост опухоли. Действительно, опухоли называют «неизлечимыми ранами». С более широкой точки зрения, врожденная система эволюционировала для защиты поврежденных эпителиальных клеток в нормальных условиях. Важно отметить, что воспалительное повреждение часто предшествует предраковой трансформации. Хорошо известно, что хронически воспаленные незлокачественные патологии, такие как язвенный колит, подвержены высокому риску возникновения злокачественных новообразований, поскольку воспалительная микросреда обеспечивает идеальные условия для того, чтобы предраковые поражения «перерастали» в инвазивный рак.
3 Строма в злокачественной трансформации: пейзаж микросреды опухоли
Взаимодействия между злокачественными клетками и иммунной системой играют ключевую роль в создании микроокружения опухоли в период злокачественного перехода, другие компоненты ткани хозяина играют важную и исторически упускаемую из вида роль. Накопление стромальных компонентов, включая фибробласты и сосуды, также наблюдается при предраковых поражениях, включая рак пищевода, поджелудочной железы и кожи. Здесь мы кратко обсудим возникающие роли и наше понимание этих популяций в отношении канцерогенеза (рис. 2). Связанные с раком фибробласты (CAF) являются одними из наиболее распространенных стромальных компонентов в развивающихся TME и распознаются многочисленными маркерами, такими как фибробласт-специфический белок 1 (FSP1 / S100A4), виментин, α-гладкомышечный актин (αSMA), белок активации фибробластов (FAP), рецептор PDGF-α (PDGFR-α) и подпланин. CAFs в значительной степени возникают в результате хронической реакции заживления ран, присутствующей в ранних TME, и демонстрируют геномный, эпигеномный и секретомный профиль, отличный от нетрансформированных фибробластов.
Рисунок 2. Адаптация фибробластов в раннем микроокружении опухоли. В быстро меняющейся среде локальные сигналы, биохимические или биофизические, способствуют накоплению и дальнейшим изменениям в уже гетерогенном компартменте. Несмотря на небольшое количество сообщений о противоопухолевой активности, большинство признаков CAF, описанных в известных подгруппах, являются проопухолевыми. К ним относятся высвобождение факторов для поддержки пролиферации раковых клеток и ангиогенного переключения, цитокинов для модуляции активации иммунной системы, поляризации, подавления и ремоделирования ECM. Ремоделирование матрикса, индуцированное CAF, действует на нескольких уровнях, связывая и высвобождая приемники цитокинов, исключая иммунные клетки и изменяя функциональность, поддерживая миграцию клеток и дополнительно активируя CAF в петле с прямой связью
Связанные с раком фибробласты обладают разнообразными проопухолевыми функциями, включая секрецию фактора роста, ангиогенез, иммунорегуляцию, ремоделирование внеклеточного матрикса и содействие телу рака, инвазию и химиорезистентность . Чтобы обеспечить такое разнообразие, компартмент CAF очень неоднороден, состоит из нескольких субпопуляций, демонстрирующих функциональную специализацию потенциально разного происхождения.
Однако наблюдения за накоплением и размножением фибробластов вокруг предраковых поражений до злокачественной трансформации показывают, что на начальных стадиях фибробласты преимущественно резидентны в тканях. Хотя в большинстве исследований упоминались про-опухолевые эффекты CAF, исследования рака поджелудочной железы с использованием модели KPC дали более противоречивые результаты, подчеркивая специфические роли подмножеств CAF. Истощенные CAF на основе экспрессии FAP, снижая опухолевую нагрузку. Напротив, исследования, устраняющие CAF для αSMA, привели к плохо дифференцированным опухолям и сокращению выживаемости, подразумевая, что CAF, экспрессирующие αSMA, по крайней мере, при ранних поражениях поджелудочной железы, проявляют активность по подавлению опухоли, опосредованную активацией иммунной системы и физическими ограничениями. Вместе с наблюдениями за накоплением CAF в ранних очагах поражения эти данные показывают, что первоначальный ответ фибробластов на мутировавшие клетки может быть опухолевым до преобразования в опухолевый фенотип. Тем не менее, фибробласты, развивающиеся с предраковыми поражениями, могут значительно влиять на соседние эпителиальные клетки посредством паракринной передачи сигналов. Факторы, происходящие из фибробластов, включая HGF, IGF, EGF, TGF-β, IL-6, LIF, онкостатин M, FGF и метаболиты, вызывают как трансформирующие, так и пролиферативные эффекты на свои мишени. Ранее в in vitro исследованиях ксенотрансплантатов при раке простаты показали, что опухолевые фибробласты, но не нормальные аналоги, могут стимулировать пролиферацию и трансформацию эпителиальных клеток из доброкачественной гиперплазии простаты. Интересно, что сами по себе CAF неспособны индуцировать рост нормального эпителия, что дает ранние признаки необходимости реципрокной коммуникации между двумя компартментами для возникновения злокачественной трансформации. Действительно, эпителиальные клетки в предраковых состояниях, как было показано, используют TGF-β, PDGF-D и FGF-2 для набора, активации и трансформации резидентных в ткани фибробластов в направлении фенотипа CAF. И, будучи генетически стабильными, эпигенетические изменения и изменения в экспрессии некодирующей РНК лежат в основе многих изменений экспрессии генов развития признаков CAF. Напр., Изменения в miR-31, miR-214 и miR-155 способствуют превращению нормальных фибробластов в CAF, тогда как повышенная регуляция miR-21 влияет на передачу сигналов TGF-β, поддерживая приобретение фенотипа CAF.
Усиление геномного стресса может способствовать выработке активина и TGF-β, поддерживая активацию CAF. Точно так же высвобождение «опасных» сигналов, таких как IL-1α или DAMPs, эпителиальными клетками достаточно для стимуляции активации CAF и усиления провоспалительных генов, например, IL-1β высвобождается для стимуляции пролиферации эпителия. Физические нагрузки, создаваемые в быстро меняющейся среде, также способствуют формированию и расширению CAFs. Например, сообщалось, что реакция на жесткость окружающей среды посредством передачи сигналов YAP-TAZ и фактора теплового шока 1 репрограммирует фибробласты в направлении фенотипа, в большей степени способствующего развитию опухоли. В ответ на факторы, происходящие из эпителия, CAF могут пролиферировать, «активироваться» или становиться стареющими, процесс, который сам по себе может оказывать значительное влияние на соседние клетки через секреторный фенотип, связанный со старением (SASP; подробно рассмотрен в Ref.
Связанные с раком фибробласты обладают способностью модулировать лимфатические сосуды, их присутствие коррелирует с плотностью лимфатических сосудов и метастазированием. Здесь факторы, секретируемые CAF, такие как гиалуронан, FGF, HGF и VEGF-C, непосредственно индуцируют лимфангиогенез , в то время как производный от опухоли лизилоксидазоподобный белок 2 (LOXL2) и «sonic hedgehog» сообщалось, что они стимулируют CAF для активации VEGF-C и SDF-1α для поддержки лимфопролиферации . Компоненты ЕСМ, полученные из CAF, такие как гиалуронан, фибронектин, коллаген, ламинин и остеопонтин, были дополнительно идентифицированы как лимфангиогенные факторы, как и производные CAF микровезикулы, которые, как сообщается, оказывают пролимфангиогенное действие через ангиопоэтин и Tie2. управляя экспрессией VEGFR3 в лимфатических сосудах. Устанавливаются ли аналогичные коммуникации в раннем TME для поддержки злокачественного перехода, еще предстоит определить.
3.1 Перекрестное взаимодействие CAF с иммунными клетками
Связанные с раком фибробласты становятся ключевыми иммуномодуляторами в контексте опухоли, и появляется все больше доказательств того, что перекрестные помехи между неиммунной стромой и лейкоцитами важны для выхода из-под раннего иммунного контроля и прогрессирования опухоли. CAF вносят вклад в начальный рост опухоли через стимулирование начального местного воспалительного микроокружения за счет активации путей, контролируемых NF-κB, в ответ на IL-1β, продуцируемый резидентными иммунными клетками кожи. Эта генная сигнатура наблюдалась на предопухолевой «гиперпластической» стадии, предполагая, что ранняя трансформация CAF имеет решающее значение как для индукции, так и для поддержания опухолевого воспаления в коже. Интересно, что когда были исследованы CAF при раке шейки матки, такая генная сигнатура не была обнаружена, что намекает на важность тканевой специфичности как фибробластического происхождения, так и резидентного иммунного микроокружения при запуске ранней стадии прогрессирования опухоли.
Иммуномодулирующие фибробласты в развивающейся микросреде опухоли могут влиять на набор, удержание и поляризацию компартмента врожденного иммунитета. Мы показали, что на ранних стадиях рака иммунорегуляторные CAF рекрутируют макрофаги с помощью различных сигналов, включая C3 комплемента, CSF и CXCL12, а другие показали сходство с CXCL12 и CXCL16, а также через ось CCL2 – CCR2. Действуя как мощные модуляторы поведения макрофагов, происходящий из фибробластов хитиназа-3-подобный белок 1 (Chi3L1) также движет макрофагами к супрессивному фенотипу при поражении молочной железы как и CXCL12 при раке простаты. Точно так же звездчатые клетки поджелудочной железы (PSC), выделенные из опухолей поджелудочной железы человека, но не из здоровой ткани, были способны индуцировать фенотип MDSC в мононуклеарных клетках периферической крови (PBMC) IL-6-зависимым образом. CAFs также активируют TLR, позволяя им реагировать на триггеры окружающей среды, такие как DAMPs и высвобождающие растворимые медиаторы, которые поддерживают как пролиферацию опухолей, так и подавление иммунитета во время туморогенеза. Это воздействие, однако, оказывается тканеспецифичным и TLR-специфичным, при этом TLR7 и TLR9 вместо этого способствуют эффективному иммунному ответу, необходимому для иммунного надзора.
Примечательно, что все больше данных подтверждают роль CAF в модуляции адаптивных иммунных компонентов, формируя дисфункцию Т-клеток, связанную с потерей иммунного надзора. Производство растворимых факторов, таких как IL-10 и TGF-β, и метаболических медиаторов простагландина E2 (PGE2), индоламин-2,3-диоксигеназы (IDO) и аргиназы может ухудшать активацию и цитотоксичность или подталкивать ответы на стимулирующие опухоль TH2 и TH17. ответы. CAF, экспрессирующие FAP, могут модулировать Т-клетки NO-зависимым образом, их истощение приводит к увеличению инфильтрации Т-лимфоцитами CD8 опухолью, и подпланин, экспрессирующий CAFs, перекрестно презентовал опухолевый антиген в MHC I, чтобы напрямую индуцировать антиген-специфические антиген-зависимые делеции Т-клеток и анергию посредством взаимодействий PD-L2 и Fas. Недавно была идентифицирована популяция, экспрессирующая MHC II и CD74, что подразумевает аналогичную способность модулировать CD4 Т-клетки. Однако, что свидетельствует о том, что это подавляющее поведение развивается по мере того, как микросреда становится более устойчивой, и CAF могут первоначально вызывать стимулирующие эффекты T-клеток, отчеты также предполагают роль производного CAF IL-6-активирующего T-клеточного производства IFN-γ и ИЛ-17. Более того, набор и дифференциация T reg на основе CAF способствуют возникновению иммуносупрессивной среды. При раке груди и яичников у человека субпопуляции CAF были способны рекрутировать T regs через CXCL12, опосредовать удержание посредством взаимодействий OX40L, PD-L2 и JAM2 и поддерживать выживаемость. CAF также обладают способностью нарушать функцию NK либо путем прекращения производства цитотоксических гранул, гранзима B и перфорина PGE2 и IDO, либо путем секреции MMP для расщепления лигандов NKG2D на опухолевых клетках-мишенях. Хотя эти исследования проводились при метастатических поражениях, такое поведение также может относиться к потере противоопухолевой активности, способствующей уклонению от иммунитета во время злокачественного перехода.
Как упоминалось ранее, между CAF и иммунными клетками существует сложное взаимодействие, создание микроокружения опухоли зависит от реципрокных сигналов. Например, в то время как CAF воздействуют на макрофаги и нейтрофилы, нейтрофилы также выделяют ROS и NET для передачи профиброзных сигналов. Сходным образом CAFs управляют рекрутированием и поляризацией макрофагов, тогда как IL-4-поляризованные супрессивные макрофаги индуцируют экспрессию фермента сшивающего коллагена лизилгидроксилазы 2 в соседних фибробластах, чтобы способствовать усилению ECM.
3.2 CAF и внеклеточный матрикс
После повреждения ткани фибробласты здоровых тканей быстро синтезируют и откладывают ЕСМ как часть реакции заживления ран. Однако при раке эти механизмы нарушаются, чтобы создать фиброзную пермиссивную нишу. Здесь фибробласты служат в качестве доминирующего источника ECM и ферментов ремоделирования, продуцируя, среди прочего, члены семейства коллагена, ламинины, тенасцин C, фибронектин, версикан, гиалуроновую кислоту, члены семейства лизилоксидазы (LOX) и MMP. Отложение ЕСМ даже на очень ранних стадиях онкогенеза изменяет механику ткани, способствуя переходу от предракового заболевания к раку. Например, при раке груди плотное коллагеновое микроокружение, часто представляющее собой высокую маммографическую плотность, представляет собой значительный фактор риска. Это было подтверждено, когда фибробласты, полученные от здоровых женщин с высокой маммографической плотностью (но без рака груди), демонстрировали значительно более высокие десмопластические и про-туморогенные фенотипы по сравнению с аналогами, выделенными от женщин с низкой маммографической плотностью.
Также при раке молочной железы резидентные в ткани фибробласты, подвергающиеся местной секреции гранулина, увеличивают экспрессию различных компонентов внеклеточного матрикса, способствуя десмопластической реакции и злокачественному прогрессированию в противном случае вялотекущих опухолей. Усиление реорганизации ECM катализируется производными CAF MMP и LOX белками, которые перекрестно связывают коллагены и опосредуют удлинение волокон и перестройку волокон, способствуя более жесткой среде, способствующей развитию злокачественных новообразований. Важно отметить, что изменения ECM в развивающемся TME, вызванные CAF, не происходят изолированно. Вместо этого существует взаимное, динамическое общение. После ремоделирования окружающей среды для создания плотного, более жесткого матрикса фибробласты улавливают модифицированные механические сигналы, в свою очередь стимулируя выработку перекрестных линкеров LOX для дальнейшего усиления ECM, распространения сигнала или содействия приобретению фенотипа CAF через SRC-YAP. -MYL9 / MYL2.
Таким образом, внутри развивающегося TME CAFs развиваются, чтобы изменить клеточные, структурные и химические аспекты тканей, но физические изменения, которые они вызывают посредством отложения и ремоделирования ECM сами по себе, также играют ключевую роль в злокачественном переходе.
3.3 Механические сигналы в микросреде развивающейся опухоли
Постепенное изменение жесткости ECM от жесткости нормальной ткани вовлечено в злокачественное прогрессирование из-за его далеко идущего воздействия на морфологию клеток, миграцию, выравнивание, ангиогенез и иммунные ответы. Помимо разнообразных паракринных стимулов, эпителиальные клетки реагируют на физические стимулы, способствуя пролиферации и морфологической адаптации, способствующей приобретению раковых признаков. Влияние увеличения жесткости ECM на поведение эпителия было элегантно показано Paszek et al . в 2005 г. концепция, которая была основана недавно на использовании гидрогелей метакрилированной гиалуроновой кислоты. ECM Здесь Ondeck et al. Динамически настраивали гели с нормальной (<150 Паскалей) на злокачественную (> 3000 Паскалей) жесткости, чтобы продемонстрировать совпадающее механическое зондирование и потерю морфологии эпителия молочных желез через передачу сигналов TGF-β и YAP. Изменения жесткости вместе со все более выровненными волокнами способствуют миграции опухолевых клеток, усиливая сцепление с ремоделированным матриксом. В самом деле, механическое соединение ECM с эпителиальными клетками и цитоскелетом CAF критично для подвижности клеток в трансформирующихся тканях, при этом доброкачественные и злокачественные клетки проявляют очень разные механические свойства.
Внеклеточный матрикс связывает и иммобилизует множество растворимых медиаторов, служа ценным резервуаром для проопухолевых, активирующих CAF и иммуносупрессивных факторов, таких как EGF, FGF, PDGF и критически TGF-β. Многие из них дают тонкие подсказки при привязке, но становятся полностью биологически активными, когда высвобождаются из протеогликанов при протеолитической деградации. Более того, ремоделирование матрикса и результирующее увеличение жесткости, происходящее по мере прогрессирования десмоплазии в развивающихся опухолях, может поддерживать ангиогенное переключение. Это может быть прямым следствием механического сжатия сосудов, вызывающего гипоксический ответ, посредством механочувствительных свойств эндотелиальных клеток или посредством MMP-опосредованного ремоделирования посредством высвобождения связанных с матриксом факторов, таких как VEGF, периостин и тенасцин C. Нарушение структуры матрикса, например, ингибирование модифицирующих ферментов, таких как члены семейства LOXL, и уменьшение поперечно-сшитого коллагенового матрикса ЕСМ, как сообщается, нарушает как туморогенез, так и ангиогенез.
Ремоделирование ЕСМ модулирует транспорт иммунных клеток и функциональный статус. Это может происходить через прямые сигналы от компонентов TME, а также вследствие возраста. Большинство раковых заболеваний возникает у лиц старше 60 лет, а в старых тканях как фибробласты, так и иммунные популяции претерпевают значительные изменения. Измененные секретомы, метаболические профили и профили ECM могут объединяться, вызывая проопухолевые дисфункциональные состояния. Все более жесткий матрикс может побуждать CAF продуцировать хемоаттрактанты, такие как CCL2 и CSF-1, привлекая врожденные иммунные клетки, которые могут откладывать дополнительный коллаген. Этот ECM также служит источником DAMP. Протеолитическое расщепление компонентов матрикса, таких как фибриноген, домены фибронектина, версикан и декорин, создает фрагменты, распознаваемые TLR2 и TLR4 на иммунных клетках. Взаимодействия могут способствовать как дифференциации, так и дисфункции; однако остается менее ясным, опосредуют ли такие взаимодействия поведение против опухоли или против опухоли. При меланоме, раке легких, толстой кишки и печени версикан, как сообщается, стимулирует иммуносупрессивный фенотип ДК через TLR2, но также сообщается, что он направляет ДК в воспалительный фенотип, имеющий решающее значение для инфильтрации Т-клеток и противоопухолевого иммунитета.
Физические свойства реконструированного ECM оказывают разнообразное воздействие на эпителиальные, стромальные и иммунные клетки, которые он окружает. ECM может определять форму и поляризацию макрофагов , а богатые коллагеном матрицы смещают в сторону про-онкогенных фенотипов, тогда как ECM, богатые фибронектином, способствуют противоопухолевым фенотипам . Действительно, было показано, что повышенное отложение коллагена типа I напрямую стимулирует ингибирующие рецепторы, такие как LAIR-1, на иммунных клетках. Более того, активация YAP в клетках, воспринимающих сигналы напряжения, индуцирует экспрессию цитокинов для рекрутирования MDSC и ТАМ. Модифицированный ЕСМ, богатый фибриллярным коллагеном, дополнительно способствует подавлению иммунитета, действуя как физический барьер. Т-клетки часто более многочисленны в богатых ECM областях, окружающих эпителиальные клетки, и такое физическое исключение связано с плохим прогнозом. Более жесткие субстраты связаны с нарушением эффекторной функции ; в плотных матрицах Т-клетки менее подвижны, поскольку миграция, которая не зависит от протеазы, зависит от быстрой способности деформироваться и продавливаться через поры и вдоль волокон. И пока им мешают, они могут испытывать длительное воздействие иммуносупрессивных цитокинов.
Помимо какого-либо прямого воздействия на поведение клеток в развивающемся TME, накопление коллагенов, повышенное сшивание и жесткость, а также быстро расширяющиеся кровеносные сосуды ведут к постепенному увеличению давления интерстициальной жидкости. Это само по себе может способствовать преобразованию местной среды. Увеличения движения жидкости через ткань, называемого интерстициальным потоком, достаточно, чтобы привести изменения в фибробластных и коллагеновых волокнах в сторону более выровненной ориентации, связанной с увеличением жесткости. Точно так же движение жидкости стимулирует выработку TGF-β фибробластами, способствуя изменениям в статусе активации CAF и постоянной иммуносупрессивной активности. Интерстициальный поток поддерживает образование тонких трансцеллюлярных градиентов хемокинов, выводящих клетки из физического контакта с развивающейся опухолью и к дренирующим лимфатическим сосудам, которые также воспринимают поток жидкости, активируя при этом иммунные хемокины и молекулы клеточной адгезии. Такие сигналы являются ключевыми для эффективного переноса иммунной системы, особенно антигенпрезентирующих клеток, в местную среду и из нее во время туморогенеза.
Существует множество механизмов, с помощью которых CAF могут влиять на развивающийся TME и находиться под его влиянием. С растущими доказательствами и технической точностью это приписывают растущему числу уникальных субпопуляций CAF, определяемых тканеспецифическими маркерами. Эту огромную сложность можно отнести к повторяющимся функциональным наблюдениям этих CAF, выполняющих либо иммуномодулирующую роль, отложение ECM, либо роль механического ремоделирования. Присутствуют ли эти специализированные субпопуляции с самого начала злокачественного новообразования в виде резидентных в ткани фибробластов или они пластичны и взаимопревращаются с развивающимися сигналами в TME, остается открытым вопросом в этой области.
4 Аутрич-мероприятия: системные эффекты микросреды опухоли
В этом обзоре основное внимание уделяется реципрокным изменениям микросреды, которые способствуют раннему росту опухоли. Однако, как известно практикующим онкологам, рак проявляется как системное заболевание. Молекулярные детали того, как рак «протягивает руку», влияя на физиологию всего тела, начинают пониматься. Опять же, большое внимание уделяется иммунитету. Системный иммунитет нарушен у пациентов с распространенным раком, и это имеет клиническое значение как для успеха иммунотерапии, так и для смертности от интеркуррентных инфекций. Несколько недавних исследований на мышах описали широко распространенные иммунные изменения, присутствующие при раке. Микроокружение лимфатического узла, дренирующего опухоль, изменяется параллельно с развитием опухоли, что может нарушить возникновение иммунного ответа или способствовать метастазированию.
Иммунные цитокины могут также влиять на функцию костного мозга, высвобождая незрелые миелоидные клетки, которые направляются в TME, чтобы стать MDSC. Интерес к этим эффектам как к прогностическим или прогностическим маркерам, в частности к соотношению нейтрофилы: лимфоциты, которое связано с исходами пациентов и может быть приблизительной мерой системной иммунной дисфункции. Помимо иммунологических эффектов, рак вызывает системные метаболические изменения, которые проявляются в виде кахексии. Интересно, что это может быть опосредовано реципрокными системными стромальными изменениями: Roberts et al. продемонстрировали, что истощение популяций CAF-подобных фибробластов из мышц и жира отвечает за потерю массы в этих органах при раке. Также существует частичное совпадение иммунного и метаболического перепрограммирования: медиаторы воспаления, вызывающие кахексию, в свою очередь, повышают иммуносупрессивные факторы, такие как кортизол, что еще больше снижает противоопухолевый иммунитет. Будет интересно увидеть, насколько эти системные изменения можно проследить до раннего развития опухоли.
5 Захват меняющейся микросреды опухоли - от мышей до людей
Исторические мышиные модели рака часто используют инъекции человеческих клеточных линии иммунодефицитным мышам. Хотя эти модели были ключом к прогрессу в разработке методов лечения рака за последние полвека, они не моделируют раннюю микросреду или адаптивный иммунный компонент TME. В настоящее время иммунное лечение занимает центральное место в онкологической практике, поэтому важно использовать иммунокомпетентные модели, которые отражают весь TME. Достижения за последнее десятилетие в области генной инженерии увеличили возможность создания моделей спонтанных опухолей, которые имеют неоантигенный профиль и местный иммунный инфильтрат, более характерный для случаев заболевания людей, чем модели инъекционных опухолей. Однако 65 миллионов лет эволюции привели к ряду значительных механистических различий между мышами и людьми, например, экспрессия Ly49 и киллерных рецепторов иммуноглобулина на NK-клетках, различных изотипов антител и различные программы транскрипции для развития В-клеток и Т-клеток.
Существуют также геномные различия между мышами и людьми, которые затрудняют разработку спонтанных моделей.
В настоящее время предпринимаются согласованные усилия по «очеловечиванию» моделей мышей, насколько это возможно. Ксенотрансплантаты, полученные от пациентов (PDX), в сочетании с иммунной системой, восстановленной из аутологичных гемопоэтических стволовых клеток, все чаще используются в иммунологии опухолей, особенно для прогнозирования ответа пациента на терапию. Однако инъекция большого количества клеток поздней стадии для создания жизнеспособного ксенотрансплантата ограничивает их использование для изучения ранних TME. В то же время органоидная технология сохраняет многие преимущества PDX, включая поддержание гетерогенности и взаимодействия опухоль-строма, а также позволяет проводить высокопроизводительное исследование самых ранних стадий развития опухоли. Например, было показано, что расширенная обработка TNF-α органоидов, происходящих из поверхностных эпителиальных клеток яичников человека, приводила к потере нормальной структурной организации и развитию раннего легиона рака, таким образом предполагая связь между провоспалительным микроокружением и инициацией туморогенез. Точно так же была создана библиотека органоидов CRC человека, начиная с различных стадий опухоли, включая нормальный эпителий и кончая метастатическим раком. Секвенирование каждого органоида выявило высокую зависимость от культурных «факторов ниши», присутствовавших в ранних органоидах, и последующая мутационная потеря этого требования была критическим этапом в развитии аденокарциномы. Затем авторы подтвердили это предположение о том, что переход от раннего рака к инвазивному раку требует повышенной автономии факторов роста, путем ксенотрансплантации органоидов мышам. Таким образом, становится все более очевидным, что для лучшего понимания ранних TME потребуется использование и расширение набора инструментов как in vivo, так и in vitro (Таблица 1 ).
Таблица 1. Преимущества и недостатки моделей мышей в раннем TME.
| Модель системы | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|
| Подкожный ксенотрансплантат (клеточная линия или полученный от пациента) | Быстрое выполнение экспериментов, высокая производительность Раковые клетки человека Поддается лечению: генетические манипуляции с клеточными линиями для изучения доступных путей |
Не захватывает органоспецифические или ранние TME Требуются мыши с ослабленным иммунитетом Замена стромы хозяином |
| Подкожные клеточные линии мыши | Быстрое выполнение экспериментов, высокая производительность Поддается лечению: генетические манипуляции с клеточными линиями для изучения доступных путей Неповрежденная иммунная система |
Не захватывает органоспецифические или ранние TME Видовые различия в иммунитете Высокотрансформированные клетки, не являющиеся репрезентативными для ранних стадий или неоднородности |
| Ортотопические инъекционные модели | Моделирует органо-специфическое микроокружение опухоли. Если использовались мышиные клетки, неповрежденный иммунитет |
Инъекция большого количества высокотрансформированных клеток не моделирует раннюю TME. |
| Генно-инженерные модели мышей | Моделирует полное развитие поражений, включая предзлокачественные стадии Неповрежденная иммунная система Точное моделирование органоспецифического и раннего микроокружени |
Дорого и требует много времени Необходимы специализированные методы для мониторинга опухоли "Чистые" - определенные онкогенные драйверы уменьшают мутационный спектр Геномные различия мыши означают, что мутирование гомологов человеческих онкогенов не обязательно приводит к раку одного и того же органа Иммунные различия мышей могут быть значительными Временные рамки в несколько месяцев все еще не соответствуют многим годам опухолеобразования у людей Пока не все виды рака доступны |
| Гуманизированные мышиные модели | Позволяет изучать взаимодействие рака и иммунитета человека в системе животных Может преодолеть видовые различия в иммунитете |
Дорого и требует много времени Трансплантация трансформированной ткани, которая может не отражать ранние поражения Стромальные элементы получены от мыши Трансплантация костного мозга может привести к нецелевым эффектам трансплантат против хозяина. |
6 Раннее выявление и терапевтическое терапия
Для многих видов рака раннее выявление и лечение значительно повышают выживаемость. При раке пищевода выявление предракового состояния пищевода Барретта может резко увеличить 5-летнюю выживаемость менее чем на 20%. Однако в случае болезни Барретта эндоскопическое наблюдение составляет значительную стоимость и негативно влияет на жизнь пациентов. Изучение основной микросреды может помочь определить и разделить пациентов на группы повышенного риска. Действительно, молекулярная визуализация использовалась, чтобы использовать изменения в гликозилировании тканей для идентификации диспластических тканей. Раннее обнаружение рака также требует открытия и использования надежных биомаркеров для выявления поражений, которые могут прогрессировать. Таким образом, стратегии минимально инвазивного скрининга групп риска все больше фокусируются на анализе предраковых поражений. Хотя мы сосредоточены на обнаружении ранних изменений в эпителиальном компартменте, наше растущее понимание сложных взаимодействий, происходящих в тканях, подвергающихся злокачественной трансформации, дает возможность использовать изменения в окружающей строме для раннего выявления и стратификации пациентов ( Таблица 2 ). Изменения иммунного состава и локализации характеристики ECM и функциональные сигнатуры генов - все они обладают потенциалом. Действительно, подходы к секвенированию сделали возможным крупномасштабную одноклеточную характеристику иммунного окружения более 30 различных типов опухолей.
Таблица 2. Про- и противоопухолевые отличительные черты раннего TME. SHH - sonic hedgehog; TKI - ингибиторы тирозинкиназы.
| Функция | Стромальный механизм | Лечебные стратегии |
|---|---|---|
| Ранние противоопухолевые функции | ||
| Иммунный надзор за трансформированными эпителиальными клетками | Т-клетки - цитокины: TNF, IFN-γ, гранзим B, рецепторы: FasL, контакт с клетками: перфорин, гранзим B. NK - цитокины: TNF, IFN-γ, CSF-2, гранзим B, рецепторы: NKG2D, KIRs, KKp44, контакт с клеткой: перфорин. ИЛК - цитокины: TNF, IL-2, IL-8. Нейтрофилы - цитокины: IFNs TNF-, NO, H 2 O 2 , рецепторы: TRAIL, костимулирующие молекулы |
|
| Привлечение опухолевых неоантиген-специфических Т-клеток | CAF - цитокины: TNF-, IL-1β, хемокины: CXCL9, CXCL10, CXCL11, DAMPs, ремоделирование матрикса . Т-клетки - цитокины: IFN-g, TNF. Макрофаги - хемокины: CXCL9, CXCL10, CXCL11, DAMPs, ремоделирование матрикса . ДК - хемокины : CCL2, CCL3, CCL17, CCL21, XCL1, рецепторы: костимулирующие рецепторы, MHC |
|
| Продвижение макрофагов M1 | CAFs - цитокины: VEGF, рецепторы: ICAM-1, хемокины - CCL2, CCL9, DAMPs. T КЛЕТКИ – цитокины: TNF-⍺, IFN-γ,цитокины: NO, ROS, IL-2, DAMPs. макрофаги – цитокиныs: IFN-γ, DAMPs. нейтрофилыs – цитокины: MIPs, IFN-γ, DAMPs |
|
| Про-опухолевые ранние воздействия на раковые клетки | ||
| Системная пролиферативная сигнализация и трансформация | CAFs – цитокины: TGF-β, IL-1b, IL-6, growth factors: HGF, IGF, EGF, LIF, oncostatin M, FGF, exosomes, MMPs. ECM – факторы роста: после деградации матрикса, увеличение жесткости. мутагены: ROS, NOS. TAMs – факторы роста: TGF-β, EGFs, VEGF, PDGF, MMPs. TANs –цитокиныs: TGF-β, MMPs ILCs – цитокины: IL-22 |
|
| Противостояние гибели клеток | CAFs - цитокины: TGF-β, IL-6, IL-10, IL-11, рецепторы: PD-L1, FasL, отложение матрикса. Т-клетки - рецепторы: сниженный TRAIL, FasL. TAMs - цитокины: IL-6, IL-11, TNF-⍺, отложение в матриксе. TANs - цитокины: IL-6, IL-11. КМП - рецепторы: сниженное количество TRAIL, FasL. |
|
| Проопухолевые ранние функции: влияние на стромальные клетки | ||
| Метаболическая поддержка растущей опухоли | AFs - цитокины: TGF-β метаболиты: аланин, глутамин, лактат. Эндотелиальные клетки - ангиогенный переключатель. TAMs - метаболиты: IDO, Arg1, лактат, ангиогенный переключатель. |
|
| Привлечение иммуносупрессивных клеток | CAFs - цитокины: C3, CSF, IL-6, IL-10, TGF-β, GDF-15, хемокины: CXCL12 и CXCL16. Эндотелиальные клетки - рецепторы: CLEVER-1. -клетки - преобразование в Tregs. TAMs - преобразование в MDSC, цитокины: IL-6, IL-10 и TGF-β, хемокины: CCL5, CCL17, CCL22, метаболиты: IDO, аргиназа. ILCs - преобразование в ILC2 и ILC3 |
|
| Снижение активности Т-клеток | CAFs - цитокины: TGF-β и IL-6, метаболиты: PGE2 и IDO, рецепторы: PD-L1, PD-L2 и FasL, индуцирующие фиброз. Т-клетки - цитокины: TGF-β, снижение уровня провоспалительных цитокинов, рецепторы: PD-L1, CTLA-4, Fas, LAG3, TIGIT, преобразование в Tregs. Макрофаги - цитокины: IL-10, хемокины: CCL22, метаболиты: IDO, Arg1, лактат, рецепторы: PD-L1, индуцируют фиброз. DCs - цитокины: TGF-β, IL-10, метаболиты: IDO, Arg1, рецепторы: PD-L1, PD-L2, снижение костимуляции. ILCs - цитокины: IL-12, IL-22, рецепторы: NKp46 |
|
| Функция фибробластов | Фибробласты - цитокины: TGF-β, IL-1a, факторы роста: PDGF-2, FGF-2, микроРНК ECM - увеличение жесткости, сигнализация: YAP-TAZ, HSF-1 Т-клетки - цитокины: IL-1, IL-6 и TNF. TAMs - цитокины: TGF-β, IL-6, факторы роста: PDGFs, FGF2, мутаген: ROS |
|
Развитие нашего понимания того, как иммунные и фибробластические компоненты способствуют переходу от предракового состояния к раку, дает ряд клинических подходов для раннего вмешательства. Понимание кинетики ответов хозяина при злокачественном переходе, например, при потере иммунного надзора, может обеспечить уникальное терапевтическое окно. На доклинических моделях были изучены стратегии предотвращения или обратного переключения в врожденных клетках для поддержания или восстановления противоопухолевого фенотипа. Однако, несмотря на привлекательность, многие пути, нарушенные во время подавления иммунитета, являются ключевыми для поддержания иммунной толерантности и защиты от аутоиммунитета, поэтому глобальные подходы к подавлению врожденной иммунной системы на ранних стадиях рака могут быть контрпродуктивными. Вместо этого, из-за их разнообразного набора функций, нацеливание на фибробласты может предоставить альтернативный метод остановки злокачественного перехода. Хотя стратегии искоренения были исследованы, такой подход на практике может быть затруднен из-за отсутствия конкретных маркеров и сложностей, связанных с гетерогенными противоопухолевыми подгруппами.
Методы перепрограммирования или «нормализации» оказываются более привлекательными. На фоне исследований по выявлению новых стромальных мишеней, методов вмешательства в статус активации CAF и улучшения характеристик, таких как механические свойства, путем ингибирования факторов, включая FGFR, hedgehog, NOX, TGF-β, LOX, гиалуроновую кислоту и полностью транс-ретиноевую кислоту (ATRA) прошли путь от доклинических моделей до клинических испытаний. Использование повторной нормализации TME для усиления существующей терапии хорошо продемонстрировано в недавнем отчете о раке молочной железы у мышей. Изменяя блокатор ангиотензина на pH-зависимый, лекарство было активным в более кислой микросреде развивающейся опухоли, но не в ткани с нормальным нейтральным pH. Следовательно, только CAF в TME были перепрограммированы в нормализованное состояние, а не активировали фибробласты в прилегающей ткани. Эта нормализация повысила эффективность ICPI. Аналогичным образом, перепрофилирование существующих агентов, которые, как было показано, оказывают влияние на строму и более широкий TME, находится на стадии испытаний. Например, при PDAC было показано, что лекарство ATRA (которое широко используется для лечения острого промиелоцитарного лейкоза) восстанавливает звездчатые клетки поджелудочной железы до состояния покоя, наблюдаемого только на очень ранних стадиях инициации опухоли, и эти обработанные клетки показали значительно сниженную активность клеток. -опухолевые функции. Однако способность мышиных моделей предсказывать терапевтический эффект непроста.
Доклинические модели предполагают, что ингибиторы хэджхог могут быть полезны для лечения рака поджелудочной железы путем ограничения роста стромы и улучшения проникновения лекарственного средства. Однако последующие клинические испытания не принесли результатов. Дальнейшие доклинические исследования показали, что, хотя ингибирование hedgehog снижает десмоплазию, оно также может усиливать рост эпителия. Непредсказуемый баланс этих факторов у людей может затем определить, имеет ли лечение положительный или отрицательный эффект.
Помимо создания новых терапевтических мишеней, глубокое понимание состава и ролей стромы ранней опухоли микроокружения может информировать прогноз пациента или предсказать реакцию на лечение. Например, было показано, что сигнатура стромального гена предсказывает плохую выживаемость и метастазирование при тяжелом серозном раке яичников. Таким образом, хотя ранняя строма предлагает множество возможностей для вмешательства на благо пациента, ключевыми препятствиями на пути к достижению этого являются раннее обнаружение этих поражений и более глубокое понимание взаимосвязи между моделями на животных и различными опухолями человека на ранних стадиях развития.
7 Перспективы и выводы
Ткани, окружающие мутировавшие клетки, играют ключевую роль в канцерогенезе, от начальных реакций элиминации до поддержки роста и развития. Последние технические достижения повысили наше понимание сложных сетей, двойственности нашей иммунной системы, растущего разнообразия и функциональной специализации фибробластов, а также влияния изменения механики тканей. Несмотря на это, остаются нерешенными проблемы. Мы относительно мало знаем о пластичности, неоднородности и взаимозависимостях, которые определяют эволюционирующий стромальный ландшафт. Вполне вероятно, что эти сложные взаимодействия опухоль-строма дополняют хорошо задокументированную гетерогенность опухоли и в совокупности вносят вклад в повышение устойчивости ранних опухолей, и теперь мы сталкиваемся с проблемой анализа этих ролей, изучения влияния тканевой специфичности и ранее упускаемых из виду черт, таких как старение микросреды. Лучшее понимание, которому способствуют разработка моделей, которые более точно воспроизводят ранние стадии рака, установка обширных репозиториев образцов пациентов и включение стромальных параметров в испытания помогут раскрыть основные механизмы , что будут способствовать появлению новых подходов в выявлении и лечении пациентов на ранних стадиях.
Microenvironmental modulation of the developing tumour: an immune‐stromal dialogue - Jones - 2021 - Molecular Oncology - Wiley Online Library
Jones, J.O., Moody, W.M. and Shields, J.D. (2021), Microenvironmental modulation of the developing tumour: an immune-stromal dialogue. Mol Oncol, 15: 2600-2633. https://doi.org/10.1002/1878-0261.12773
Комментарии (0)
Зарегистрируйтесь, чтобы добавить комментарий