Провоспалительные цитокины в ферроптозе при раке

Полный текст

СОКРАЩЕНИЯ

Tf – трансферрин; TfR1 – рецептор трансферрина; FPN – ферропортин; GРХ4 – глутатионпероксидаза-4; GSH – глутатион; xC-система – цистин–глутаматный антипортер; DAMP – (Damage-associated molecular patterns) молекулярные паттерны, ассоциированные с повреждениями; PARP – поли(ADP-рибозa)-полимераза; CAF – (cancer-activated fibroblasts) активируемые опухолью фибробласты; MDSC – (myeloid-derived suppressor cells) миелоидные супрессорные клетки; Treg – регуляторные Т-лимфоциты; FDA – (Food and Drug Administration) Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами; IFN – интерферон; TNF – фактор некроза опухоли; ПНЖК – полиненасыщенные жирные кислоты; IL-6 – интерлейкин-6.

ВВЕДЕНИЕ

Концепция, согласно которой изменения в геноме опухолевой клетки вносят лишь небольшой вклад в прогрессию злокачественной опухоли, является общепринятой [1]. Поведение опухолевой клетки – выживание, пролиферацию и переход в метастатическую фазу роста – определяет микроокружение (внеклеточный матрикс, соседние нетрансформированные клетки, клетки иммунной системы, кровь). Микроокружение опухоли регулирует также резистентность к терапии [2].

Первое сообщение о ферроптозе, железозависимой форме гибели клетки, появилось в 2012 году [3]. При ферроптозе избыток ионов Fe2+, находящихся в несвязанном с белками состоянии, запускает реакцию Фентона:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH– + •OH.

Реакционная способность гидроксил-радикала, генерируемого в ходе реакции Фентона, чрезвычайно высока, он способен окислять практически любой компонент клетки. Центральным медиатором ферроптоза является накопление в клетке продуктов перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот [4]. Следует отметить, что активация ферроптоза не требует процессинга эффекторов клеточной смерти, например каспаз или газдерминов: ферроптоз энергетически менее затратная система гибели клетки. Интерес к ферроптозу заметно возрос после появления данных о чувствительности к нему опухолевых клеток, резистентных к химио-, радио- и таргетной терапии [5].

Переход опухоли в фазу агрессивного роста происходит в условиях неполного контроля иммунной системой. Установлена дисфункция как инфильтрирующих опухоль, так и циркулирующих Т-лимфоцитов (cм. обзор [6]). Под влиянием опухоли значительным изменениям подвергаются и макрофаги: наблюдается поляризация макрофагов в М2-фенотип [7]. Цитокины, секретируемые опухолевыми клетками, привлекают в опухоль Тreg. Увеличение количества Treg в опухоли происходит на всех стадиях болезни, они подавляют пролиферацию и функциональную активность CD4+ и CD8+ Т-клеток [8]. В супрессии иммунного ответа важную роль играют и MDSC [9]. Перепрограммирование противоопухолевого иммунитета, в результате которого иммунокомпетентные клетки микроокружения стимулируют рост первичных опухолей, и нестабильность генома опухолевой клетки сегодня рассматриваются как факторы, обеспечивающие защиту опухоли от иммунной системы и ее прогрессию.

В данном обзоре кратко обсуждаются особенности метаболизма железа при раке, основные характеристики ферроптоза, а также вовлечение хронической продукции провоспалительных цитокинов в прогрессию опухоли. Особое внимание уделено становлению резистентности опухоли к ферроптозу.

ЖЕЛЕЗО В МИКРООКРУЖЕНИИ ОПУХОЛИ

До недавнего времени прогрессию опухоли изучали с точки зрения зависимости выживания опухолевых клеток от таких важнейших метаболитов, как глюкоза и глутамин. Сегодня, пожалуй, не осталось сомнений, что железо в микроокружении опухоли является не менее важной составляющей выживаемости опухолевых клеток. И это вполне понятно, поскольку железо в клетке выполняет ряд метаболически важных функций, доставляя кислород в ткани (в составе гема) или выступая кофактором ряда ферментов, например, рибонуклеотидредуктазы, участвующей в биосинтезе ДНК или ферментов цикла Кребса [10]. Регулируя запасы железа в опухоли, можно существенно влиять на пролиферацию опухолевых клеток. И конечно же, не стоит забывать, что железо используют не только опухолевые клетки, но и клетки микроокружения опухоли.

Клетки получают железо, в основном, с помощью рецептор-опосредованного эндоцитоза комплекса Tf /железо. Связывание комплекса Tf/железо со своим рецептором, TfR1 (CD71), приводит к интернализации комплекса Tf /железо/ CD71 в клетку. В клетке железо диссоциирует из комплекса в эндосомах, встраивается в железозависимые белки, а рецептор и Tf возвращаются на поверхность клетки [11]. Не связанное с белками железо депонируется в клетке благодаря формированию комплекса с ферритином [12]. Свободное, не связанное с белками и ферритином, железо экспортируется из клетки через мембраносвязанный белок, FPN, или становится частью лабильного пула железа [13]. Уровень железа в организме регулирует пептидный гормон гепсидин. В ответ на повышение концентрации железа в крови в гепатоцитах активируются экспрессия гепсидина и его секреция в кровоток. Связывание гепсидина с FPN способствует интернализации обоих белков в клетку и их деградации в лизосомах. В результате блокируется выход железа из клеток-депо, что ведет к снижению содержания железа в плазме крови. В случае недостатка железа происходит подавление транскрипции гепсидина [14]. Связывание железа белками не только поддерживает жизнеспособность клетки, но и защищает клетки от высокореакционноспособного гидроксильного радикала, генерируемого в реакции Фентона. Следует отметить, что наш организм для защиты от изменений в метаболизме железа выработал достаточно жесткие механизмы контроля. Это означает, что наши клетки не могут контролировать запасы железа только в экстремальных случаях, в число которых входят и онкологические заболевания.

На поддержание высокого индекса пролиферации опухолевым клеткам требуется значительно больше железа, поэтому для компенсации недостатка железа в опухолевых клетках повышается экспрессия ТfR1. Опухолевые клетки накапливают также ферритин, депонируя железо. Изменяется и экспрессия FPN, экспортирующего железо из клетки. В большинстве злокачественных новообразований наблюдается снижение экспрессии FPN (см. обзор [15]). Следствием этих последовательных процессов является снижение уровня железа в крови и, соответственно, катастрофически низкий уровень гемоглобина у онкологических больных. Внутривенные инъекции легко усвояемых форм железа, нормализирующие уровень гемоглобина при анемии, как правило, не повышают уровень гемоглобина у онкологических больных. Вскрытие показывает, что основная часть железа депонируется в печени [16]. Перепрограммирование метаболизма железа, способствующее его накоплению в опухолевой клетке, характерно для всех видов опухолей.

С агрессивным течением болезни сегодня связывают и мутации в опухолевой клетке. Важно отметить, что мутации во многих онкогенах (c-myc, KRAS, BRAF, РI3K), делеция в PTEN способствуют повышению уровня железа внутри клетки, а мутации в опухолевых генах-супрессорах (р53) – снижают лабильный пул железа [17, 18]. Для агрессивного течения опухолевого процесса необходимо также накопление в опухоли М2-макрофагов, секретирующих железо. Таким образом, для увеличения поступления железа и уменьшения его потери недостаточно инициировать изменения в экспрессии белков, контролирующих уровень железа в опухолевых клетках. Необходим также диалог между опухолевыми клетками и клетками микроокружения. И не стоит забывать, что микроокружение опухоли – это постоянно меняющаяся среда.

ФЕРРОПТОЗ – ЖЕЛЕЗОЗАВИСИМАЯ РЕГУЛИРУЕМАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТКИ

В 2018 году Nomenclature Committee on Cell Death официально определил ферроптоз как регулируемую гибель клетки, вызванную аномальным окислением полиненасыщенных жирных кислот фосфолипидов мембран и контролируемую GPX4.

Эта форма гибели клетки связана с генерацией гидроксильного радикала в реакции Фентона. При ферроптозе НО• атакует ПНЖК фосфолипидов мембран. Чаще остальных перекисному окислению подвергается фосфатидилэтаноламин, содержащий в качестве полиненасыщенной жирной кислоты арахидоновую (C20H32O2) или адреновую (C22H36O2) кислоты. Продукты перекисного окисления фосфолипидов мембран в опухолевой клетке накапливаются не только в результате активации реакции Фентона, но и при снижении активности антиоксидантной системы защиты клетки. Система антиоксидантной защиты включает селенопротеин GPX4 и GSH [19]. Используя GSH в качестве донора электронов, GPX4 восстанавливает потенциально опасные гидроперекиси липидов в нетоксичные спирты. Окисленный глутатион восстанавливается глутатионредуктазой, конститутивно активированной в клетке [20]. Детоксикация перекисей липидов под действием GРХ4 лимитируется присутствием в клетке цистина, предшественника GSH, который поступает через хС-систему [21]. В клетке происходит обмен глутамата на цистин в соотношении 1 : 1. Цистин восстанавливается до цистеина различными редуктазами, включая тиоредоксинредуктазу-1, и используется в качестве строительного блока для биосинтеза GSH. Ключевая роль хС-системы в прогрессии заболевания подтверждается и результатами клинических наблюдений: частота рецидивов xC-позитивных опухолей значительно выше, чем xC-негативных. GPX4 и хС-система рассматриваются как потенциальные мишени, воздействуя на которые можно изменить редокс-статус клетки. «Золотым стандартом» индукции ферроптоза продолжает оставаться эрастин, блокирующий поступление цистина в клетку. Вторая группа индукторов ферроптоза включает ингибиторы GРХ4 (в основном RSL3 и RSL5 – RAS related lethal 3 и RAS related lethal 5).

Перекисное окисление фосфолипидов нарушает белок-липидные взаимодействия, изменяет активность мембраносвязанных ферментов, влияет на проницаемость мембраны. Непрерывное интенсивное окисление ПНЖК фосфолипидов мембран приводит к возникновению разрывов в плазматической мембране и вытеканию содержимого клетки в межклеточную среду. DAMP в микроокружении опухоли (их можно разделить на две подгруппы – адъювант и антиген) способствуют усилению инфильтрации опухоли CD8+ Т-клетками, созреванию дендритных клеток, повышению фагоцитарной активности макрофагов [22, 23]. Таким образом, ферроптоз в опухолевых клетках вовлекается не только в прямую индукцию гибели клеток, но также в перепрограммирование иммунной системы, формируя специфический иммунный ответ на опухолевые антигены, что должно вести к уничтожению еще какой-то части опухолевых клеток.

Онкосупрессорная роль ферроптоза впервые была показана на трижды негативном раке молочной железы [24]. Выраженная зависимость роста опухоли от глутамина указывала на снижение активности хС-системы в поглощении цистина. Далее установили, что сорафениб, ингибитор тирозинкиназ, истощает запасы глутатиона в клетке, блокируя хС-систему, и запускает ферроптоз [25]. Аналогичным эффектом обладали и ингибиторы PARP [26]. Индуцируют ферроптоз в опухолевых клетках и соединения, блокирующие активность GРХ4 (например, алкилирующий агент альтретамин, одобренный FDA) [27]. Интересно отметить, что резистентность к иммунотерапии PD-1/PD-L1 также связывают с резистентностью к ферроптозу [28]. Даже упомянутые в столь кратком обзоре клинические данные указывают на то, что ферроптоз должен вносить определенный вклад в реализацию эффектов противоопухолевых препаратов.

МИКРООКРУЖЕНИЕ В ПРОГРЕССИИ ОПУХОЛИ

Постоянное увеличение массы опухоли при далеко несовершенной системе кровоснабжения опухоли сопровождается частичной гибелью клеток. Погибающие клетки вызывают продукцию провоспалительных цитокинов (TNF-α и -β, IL-1, IL-6, IFN-γ и некоторых других) [29]. Роль этих цитокинов заключается в регуляции иммунного ответа организма на воспаление, вызванное повреждением ткани. В ответ на иммуностимулирующие сигналы, выбрасываемые погибающими клетками, в микроокружение опухоли мигрируют иммунокомпетентные клетки, которые начинают секретировать провоспалительные цитокины. Высокие концентрации провоспалительных цитокинов переводят опухоль в фазу более агрессивного роста [30]. По мере увеличения опухолевой массы повышается количество погибающих опухолевых клеток и количество антигенов в микроокружении опухоли: воспаление переходит в хроническое. Хроническая избыточная экспрессия провоспалительных медиаторов наблюдается на всех стадиях развития рака: выраженность воспаления в метастатических опухолях значительно повышена по сравнению с ранними стадиями заболевания [31].

Молекулярные изменения, инициируемые адаптацией опухоли к нехватке питания, кислорода и энергии, активируют резидентные покоящиеся фибробласты. Фибробласты опухолевой ткани (CAF) практически заново создают внеклеточный матрикс, секретируя виментин, ламинин, фибронектин и коллаген, основной каркасный белок внеклеточного матрикса. Уплотнение внеклеточного матрикса стимулирует рост злокачественной опухоли. Жесткость внеклеточного матрикса действует так же, как барьер, препятствующий проникновению лекарственных средств в опухоль (см. обзор [32]).

Недостаток питания при стремительном росте опухоли сопровождается образованием очагов некроза. В межклеточную среду выбрасываются DAMP, что приводит к опосредованному дендритными клетками захвату и презентации антигена, индукции ответа цитотоксических Т-клеток. По мере прогрессии опухоли реактивный статус Т-лимфоцитов снижается. Т-клетки переходят в состояние анергии, характеризующееся снижением цитолитической активности, а также снижением индекса пролиферации Т-клеток (см. обзор [33]).

В иммунный ответ на DAMP вовлекаются и макрофаги (см. обзор [34]). Цитотоксическая активность макрофагов на начальных этапах инфильтрации опухоли макрофагами сдерживает прогрессию опухоли, однако ее недостаточно для контроля опухолевого роста. Противоопухолевый иммунный ответ подавляется поляризацией макрофагов в М2-фенотип. Секретируя ростовые факторы, цитокины и компоненты внеклеточного матрикса, М2-макрофаги увеличивают злокачественный потенциал опухолевых клеток.

Центральным звеном регуляции иммунного ответа как на опухолевые, так и на собственные антигены, являются Treg. В норме Treg препятствуют развитию аутоиммунных заболеваний. Основная функция Treg в опухоли сводится к блокаде пролиферации CD4+ и CD8+ Т-клеток (см. обзор [35]). И, что чрезвычайно важно, Treg создают на территории опухоли иммунодефицитное пространство, которое позволяет там жить и бактериям. Показано, что увеличение количества Treg в опухоли независимо от других клинических факторов вызывает статистически значимое увеличение смертности от рака простаты [36].

Для поддержания иммуносупрессии опухоль рекрутирует из крови MDSC. При злокачественных новообразованиях миелоидные супрессоры подавляют ответ Т- и NK-клеток. MDSC также экспрессируют CD40, индуцирующей накопление Treg в микроокружении опухоли (см. обзор [37]). Интересно отметить, что Treg, МDSС и М2-макрофаги резистентны к ферроптозу, а CD8+ Т-клетки чувствительны к Fe-зависимой гибели [38].

ПРОВОСПАЛИТЕЛЬНЫЕ ИНТЕРЛЕЙКИНЫ В МИКРООКРУЖЕНИИ ОПУХОЛИ

Интерлейкины, низкомолекулярные белки, синтезируются преимущественно клетками иммунной системы и подразделяются на провоспалительные (IL-1, -6, -12, TNF-α, интерфероны, хемокины, IL-8 и др.) и противовоспалительные – IL-4, -10, -13, -17 (см. обзор [39]).

В микроокружении опухоли доминирует экспрессия IL-6 (см. обзор [40]). Уровень IL-6 повышен при раке молочной железы, шейки матки, толстой кишки, пищевода, головы и шеи, яичников, поджелудочной железы, предстательной железы, а также у пациентов с немелкоклеточным раком легкого и множественной миеломой [41]. Накоплен огромный клинический материал, подтверждающий корреляцию IL-6 с резистентностью к терапии [42] и активацией метастазирования (см. обзор [43]). Связывание IL-6 со своим рецептором (IL-6Ra, gp80) и корецептором gp130 активирует cигнальный путь JAK2/STAT3 [44]. STAT3 принадлежит к семейству проонкогенных транскрипционных факторов, тесно связанных с ингибированием апоптоза и пролиферацией опухолевых клеток, активацией метастазирования и ангиогенеза [45]. Гиперактивация сигнального пути IL-6/IL-6R/JAK2/STAT3 наблюдается практически при всех типах опухолей [46]. Важно отметить, что уровень IL-6, циркулирующего в крови больных, является прогностическим маркером как течения болезни, так и ответа опухоли на терапию [47].

В микроокружении опухоли в высоких концентрациях обнаруживаются и IL-1α, и IL-1β [48]. Уровень IL-1α и IL-1β заметно повышен при меланоме, раке толстой кишки, легкого, молочной железы, опухолей головы и шеи и связан с переходом опухоли в агрессивную фазу роста [49]. Во время генотоксического стресса повышение продукции IL-1α и IL-1β и их секреция активируют кровоснабжение опухоли (см. обзор [50]). Имеются также данные о корреляции экспрессии IL-1β с формированием отдаленных метастазов [51]. Связывание IL-1α со своим рецептором активирует экспрессию проонкогенного транскрипционного фактора NF-kВ, который блокирует Fas-зависимый апоптоз и создает условия для выживания и прогрессии опухоли [52]. Становится очевидным, что высокие концентрации провоспалительных цитокинов в микроокружении опухоли являются органическими составляющими роста злокачественной опухоли. Многие недавние исследования подтверждают представление о том, что прогрессия злокачественных новообразований обеспечивается эффектом «тлеющего» воспаления.

ПРОВОСПАЛИТЕЛЬНЫЕ ЦИТОКИНЫ В ФЕРРОПТОЗЕ ПРИ РАКЕ

Как отмечено выше, опухоль перепрограммирует метаболизм железа, способствуя его накоплению в клетке. Казалось бы, высокие концентрации железа внутри опухолевой клетки должны активировать ферроптоз. Однако в опухоли ферроптоз блокирован. На клетках плоскоклеточного рака головы и шеи показано, что IL-6 стимулирует экспрессию белков хС-системы [53]. Ингибирование xС-системы в этих клетках восстанавливало ферроптоз. Генетическое выведение из строя (нокдаун) белков хС-системы снижало пролиферацию клеток in vitro. Таким образом экспериментально подтверждено, что провоспалительный цитокин, IL-6, блокирует ферроптоз, активируя хС-систему. Вовлечение внутриопухолевой иммуносупрессии в блокирование ферроптоза подтверждено и на моделях подкожных ксенотрансплантатов опухолей у мышей. RSL3, ингибитор GPX4, подавлял рост опухоли у бестимусных голых мышей [54]. В другом исследовании показан противоопухолевый эффект IKE (имидазолкетонэрастин, индуктор ферроптоза) в модели лимфомы у мышей с иммунодефицитом [55].

В индукции ферроптоза в опухолевой клетке участвуют и другие провоспалительные цитокины. На клетках гепатоцеллюлярной карциномы показано, что IFN-γ блокирует транскрипцию гена SLC7A11, кодирующего субъединицу хС-системы [56]. В условиях дефицита GSH накопление продуктов перекисного окисления фосфолипидов запускает ферроптоз. Экспрессию SLC7A11 и SLC3A2 в опухолевых клетках подавлял и TNF-α: снижение поступления цистина приводило к гибели клетки в результате развития окислительного стресса [57]. Важно отметить, что индуцированный IFN-γ или TNF-α ферроптоз может реализоваться только на начальных стадиях болезни, при переходе опухоли в фазу агрессивного роста происходит смещение в сторону секреции IL-6. В агрессивной фазе роста внутриопухолевая концентрация IL-6 многократно превышает уровень других цитокинов: ферроптоз в клетках с высокозлокачественным фенотипом заблокирован [58].

Следующим регулятором воспаления, сопряженного с онкогенезом, является транскрипционный фактор NF-kB, который активируется в ответ на провоспалительные цитокины, инсулиноподобный фактор роста, фактор некроза опухолей. NF-kB участвует в регуляции контроля клеточного цикла и пролиферации, адгезии и миграции, в ангиогенезе и инвазии (см. обзор [59]). Получено экспериментальное доказательство участия NF-kB и в ферроптозе. На клетках U87 глиобластомы показано, что RSL3, ингибитор GPX4, активирует сигнальный путь NF-kB. Активная NF-kB запускает ферроптоз, снижая экспрессию SLC7A11 – субъединицу хС-системы и GPX4 [60]. В результате повышается концентрация гидропероксидов липидов и запускается ферроптоз. В подкожных ксенотрансплантатах ингибирование NF-kB BAY 11-7082 отменяло противоопухолевый эффект RSL3. И, подводя итоги, в процессе прогрессии опухоль вырабатывает механизмы, позволяющие ей избегать ферроптоз. По всей видимости, резистентность к ферроптозу на фоне высоких внутриклеточных концентраций железа является еще одной детерминантой, позволяющей опухоли уйти от противоопухолевой терапии. Выявленная резистентность к ферроптозу, индуцированная провоспалительным микроокружением опухоли, не только расширяет наши знания о механизмах, лежащих в основе прогрессии злокачественного заболевания, но и смещает акценты в интерпретации значения внутриопухолевой иммуносупрессии в канцерогенезе. Учитывая конститутивную активность сигнального пути IL-6/JAK2/STAT3 при злокачественных заболеваниях [61], резистентность к ферроптозу может рассматриваться как необходимое условие прогрессии опухоли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя программы ранней диагностики злокачественных новообразований заметно улучшили выживаемость онкологических больных, серьезным препятствием в лечении рака по-прежнему остается лекарственная устойчивость. Обнаружение того факта, что клетки, уцелевшие при химио-, радио- и таргетной терапии, чувствительны к ферроптозу, значительно повысило интерес к ферроптозу. Гибель резистентной к терапии клетки становится возможной благодаря добавлению дополнительного окислительного стресса гидроксильными радикалами, генерируемыми в реакции Фентона: антиоксидантная система защиты клетки практически полностью разрушается. Стратегии использования ферроптоза в лечении метастазов открывают новые возможности в терапии рака. В доклинических моделях индукторы ферроптоза вызывали относительно ограниченные токсические эффекты в нормальных клетках и демонстрировали хорошую переносимость. В рандомизированном исследовании Functional Assessment of Cancer Therapy-Lung Cancer на пациентах с немелкоклеточным раком легкого было показано, что гуманизированные антитела к IL-6 (ALD518) замедляли кахексию, снижая потерю веса с 1.5 кг/месяц до 0.19 кг/месяц и повышали безрецидивную выживаемость больных на 2.2 месяца [62]. На рост опухоли ALD518 существенно не влиял. По всей видимости, использования анти-IL-6-антител недостаточно для блокирования роста опухоли, хотя монотерапия и улучшает качество жизни больных. Существенный интерес вызывают предварительные результаты клинического изучения применения комбинации индукторов ферроптоза с противоопухолевыми препаратами при раке яичника, тройном негативном раке молочной железы, раке простаты, колоректальном раке, гепатоцеллюлярной карциноме (см. обзор [63]). Кроме того, можно надеяться, что потенциальная способность ферроптоза вызывать специфический иммунный ответ, которая усиливает терапевтический эффект других методов лечения (см. обзор [64]), приведет к продлению ремиссии у онкологических больных.

Исследование выполнено в рамках Государственного задания «Экспериментальная разработка новых лекарственных средств для терапии злокачественных опухолей» (№ 123022100036-8).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Об авторах

A. A. Вартанян

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhivotov57@mail.ru
Россия, 115478, Москва

B. C. Косоруков

Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава России

Email: zhivotov57@mail.ru
Россия, 115478, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы