Инвазия и метастазирование
Нет в онкологическом лексиконе более страшного слова, чем метастаз. Национальный институт онкологии США дает следующее определение метастаза: «Распространение раковых клеток из места первичного формирования в другую часть организма»[350]. Именно эта характерная черта делает рак более смертоносным, чем почти все другие существующие болезни. Чтобы лишний раз подчеркнуть всю суровость этого явления, достаточно привести один факт: около 90 % всех смертей от рака вызываются метастазами[351].
Инфекционные болезни, как и рак, тоже могут давать метастазы. Например, бактерии, вызвавшие инфекцию мочевых путей, могут попасть в почки, затем в кровь и обосноваться в клапанах сердца. Бактерии постоянно перемещаются, но они сами по себе не злонамеренны: это просто организмы, которые стремятся выжить любой ценой. Метастазирование, или перемещение клеток, – это врожденное свойство одноклеточной жизни на Земле.
Опухоли разделяют на доброкачественные и злокачественные. И те, и другие опухоли ведут себя абсолютно одинаково, за одним исключением: доброкачественные опухоли не имеют способности к образованию метастазов и, соответственно, практически не вызывают тяжелых болезней. Например, доброкачественная опухоль жировых клеток, липома (жировик), весьма распространена – она встречается примерно у 2 % населения. Эта опухоль в основном безвредна, хоть и может вырастать до огромных размеров. В 1894 году у пациента удалили липому весом около 23 кг[352]. Несмотря на распространенность и нередко большие размеры, обычно жировики угрожают жизни не больше, чем акне.
Напротив, злокачественные опухоли так называют именно потому, что они дают метастазы. Если бы рак груди всегда оставался внутри груди, решение было бы очень простым: просто вырезать его. А вот после того, как клетки рака груди распространяются по всему организму, он превращается в смертельно опасное заболевание. Так как же работает метастатический процесс?
Метастатический каскад проходит в два этапа: инвазия в окружающие ткани и собственно метастазирование, перемещение в отдаленные области организма. Сначала раковым клеткам нужно оторваться от исходной опухолевой массы – это может произойти, даже если сама опухоль крохотных размеров. При болезни, известной как «опухоль невыявленной первичной локализации», обнаруживаются метастазы, но не первичная опухоль – она либо слишком мала, либо уже исчезла. У большинства клеток многоклеточных организмов есть молекулы адгезии, которые удерживают их на нужном месте. Раковые клетки должны оторваться от этих «якорей», чтобы свободно передвигаться.
Во-вторых, рак должен проникнуть сквозь базальную мембрану нормальных тканей. Почва для растений продается в герметичных мешках, чтобы вы не перепачкали салон машины, пока везете ее домой; точно так же и все клетки спрятаны под мембраной, которая не выпускает их за пределы ткани, в которой они растут. Чтобы попасть в другие ткани, раковые клетки должны прорваться через удерживающую их базальную мембрану.
Пробравшись через мембрану, раковая клетка может проникнуть в соседнюю ткань, местные лимфоузлы или через стенки кровеносных сосудов – это называется интравазацией. Попав в кровеносные сосуды, раковые клетки могут отправиться в далекое путешествие.
1. Формирование первичной опухоли.
2. Местная инвазия.
3. Интравазация.
1. Выживание в кровеносной системе.
2. Экстравазация.
3. Выживание в дистальной области.
Первые три процесса (формирование первичной опухоли, местную инвазию и интравазацию) можно объединить в процесс инвазии. Гипоксичная кислая среда вокруг раковой опухоли, созданная эффектом Варбурга, расчищает путь для инвазии[353]. Хотите – верьте, хотите – нет, но эта часть раковым клеткам как раз удается легко. Большинство раковых опухолей могут пройти три этих этапа, если дать им достаточно времени. У экспериментальных животных-моделей раковые клетки легко проникают в кровеносную систему – почти в 80 % случаев. Но рак в данном случае можно сравнить с подростком, который уезжает учиться в другой город. Выйти за порог родительского дома несложно, сложно – начать самостоятельную жизнь. Чтобы дать метастазы, раковые клетки должны пережить путешествие по кровеносной системе, покинуть кровеносный сосуд, чтобы вторгнуться в другой орган, а потом – научиться выживать и процветать в новой среде.
После того как раковые клетки попадают в кровеносную систему, отсев становится очень большим; метастаза достигнуть на порядок труднее, чем инвазии. Кровеносная система – это опасное и враждебное место, где раковые клетки могут погибнуть миллионом разных способов. Естественные киллеры врожденной иммунной системы тут же находят их и нападают. Эта часть иммунной системы называется «врожденной», потому что клетки-киллеры запрограммированы немедленно атаковать рак при обнаружении. Сама турбулентность кровеносной системы тоже опасна для раковых клеток. Клетки обычно неподвижны, и им трудно справиться с силами, действующими в мощном потоке крови. Многие раковые клетки просто разрывает на части течением.
Если раковая клетка каким-то образом переживает тяжелое путешествие и добирается до далеких берегов (другого органа), ей нужно покинуть кровеносную систему и войти в орган – этот процесс называется экстравазацией. Звучит все куда проще, чем на самом деле. Кровь в сосудах находится в постоянном движении, так что прикрепиться к стенке кровеносного сосуда – непростая задача. Представьте, что вас несет мощная горная речка, а вы пытаетесь ухватиться за берег и как-то удержаться одним мизинцем. Река захлестывает вас и стремится утащить обратно. Раковая клетка должна каким-то образом прикрепиться к гладкой стенке кровеносного сосуда, да так, чтобы ее не снесло потоком крови, а потом пройти через эту стенку в новый орган.
Теперь раковая клетка оказывается во враждебной среде чужого органа, к которой она абсолютно не подготовлена. Например, клетка рака груди, которая окажется в легком, будет совершенно сбита с толку. Что это за воздух, который дует туда-сюда? Где молочные протоки? Представьте себе пингвина, который жил в морозных водах Антарктиды, а потом вдруг оказался в пустыне Сахара.
Даже если раковым клеткам-мигрантам удастся обосноваться на новом месте, им теперь нужно размножаться, а это непросто, потому что коренное клеточное население относится к этому явно враждебно. И все это время иммунная система не оставляет своих попыток убить рак. Многие подобные колонии раковых клеток – микрометастазы – могут держаться довольно долго: расти они не могут, но при этом достаточно сильны, чтобы не погибнуть[354]. Затем раковой клетке предстоит учиться не только выживать, но и расти и размножаться. Метастатический процесс требует невероятных новых навыков выживания, которые совершенно отличаются от всего того, чем клетка занималась раньше. Для этого раковой клетке, очевидно, нужно радикально преобразить свой генетический состав. Как же происходят эти преображения?
Теория соматических мутаций представляла нам сравнительно упорядоченный процесс заболевания: все начинается с одной-единственной раковой клетки, которая случайным образом накопила в себе несколько нужных мутаций. Рак разрастается, словно винное пятно на белой скатерти. Когда опухоль становится достаточно большой, раковые клетки отделяются от нее и попадают в кровь. Некоторые из них обосновываются в далеком органе, например печени, и начинают расти там. Когда-то считалось, что все генетические мутации, необходимые для инвазии и метастазирования, накапливаются случайно, но сейчас уже известно, что гипотеза «случайного накопления генетических мутаций» неверна.
Единого «гена метастаза» обнаружить так и не удалось, несмотря на десятки лет исследований и тысячи экспериментов по секвенированию генома. Всем генетическим исследованиям за последние полвека так и не удалось объяснить, как работает метастаз. Все потому, что для успешного метастазирования требуется мутация не одного-единственного гена, а скоординированные, точные мутации нескольких сотен генов.
Так почему рак накапливает сотни мутаций, необходимых, чтобы выжить во враждебной чужеродной среде, еще до того, как покидает дом? Это все равно, что заложить ваш дом и купить на эти деньги дорогое оборудование, необходимое для выживания на Сатурне. Сейчас у человечества не существует никаких планов колонизации Сатурна, так что вы просто впустую потратите огромные деньги и время. Зачем раку тратить огромные ресурсы на метастазы в печень, легкие или кости еще до того, как он начнет распространяться? Ответ прост: на самом деле он так не делает. Это не случайный процесс накопления мутаций, а эволюционный. Проще говоря, рак не случайно получает способности к инвазии и образованию метастазов: он целенаправленно развивает их.
Циркулирующие опухолевые клетки и микрометастазы
Метастазирование – это потрясающий в своей неэффективности процесс. Учитывая, с какими почти непреодолимыми препятствиями им придется столкнуться, большинство раковых клеток, оторвавшихся от первичной опухоли, умрут. Раковые клетки делятся каждые один-два дня, но вот опухоли удваиваются в размерах лишь каждые 60–200 дней – это значит, что подавляющее большинство раковых клеток на самом деле не выживают[355].
Так как же рак преодолевает все эти препятствия? Ответ опять-таки можно найти, воспользовавшись средствами эволюционной биологии. Рак не следует упорядоченному прогрессивному алгоритму – рост, инвазия, метастаз. Недавние исследования показали, что метастазирование, как бы поразительно это ни звучало, не является свойством, возникающим только на поздних стадиях рака. На самом деле это одно из первых действий, предпринимаемых раковыми клетками.
Если бы развитие рака шло пошагово – от роста к инвазии и образованию метастазов, то рак всегда можно было бы вылечить с помощью обширной операции по удалению опухоли на раннем этапе, до того, как начались метастазы. Но неудача «радикальных» онкологических операций, которые делали в первой половине XX в., говорит о том, что эта парадигма неверна. Многие микроскопические, не обнаружимые иными, кроме микроскопии, способами раковые клетки покидают опухоль задолго до клинического обнаружения и операции.
В случаях «опухоли невыявленной первичной локализации», составляющих примерно 5 % всех выявляемых случаев рака[356], обнаруживаются обширные метастазы, но вот первичную опухоль найти не удается, несмотря на интенсивное изучение и разнообразные снимки. Даже при вскрытии 20–30 % случаев так и остаются нераскрытыми. Первичная опухоль настолько мала, что ее не удается обнаружить даже с помощью всех наших современных технологий, но она все равно каким-то образом сумела дать метастазы. Дело по большей части в том, что метастаз – это ранний, а не поздний этап онкогенеза.
Современные достижения технологии позволили нам обнаружить раковые клетки в кровеносной системе – их называют циркулирующими опухолевыми клетками (ЦОК), – причем даже в крайне малых концентрациях. Открытие этих короткоживущих раковых клеток в крови стало настоящей революцией в понимании метастатического каскада. Исходная опухоль сбрасывает раковые клетки в кровь уже на самом раннем этапе развития – зачастую уже тогда, когда первичную опухоль обнаружить еще не удается. В кровеносной системе ЦОК живут недолго – по некоторым оценкам, не более нескольких часов[357]; именно поэтому их открыли лишь совсем недавно. Почти все ЦОК погибают практически сразу после попадания в кровь. Словно первая волна солдат, храбро бросившихся на штурм побережья Нормандии, раковые клетки тут же уничтожаются мощными системами противораковой защиты организма.
От первоначальной опухоли постоянно отделяется большое количество ЦОК, которые быстро гибнут в кровеносной системе – именно поэтому на таком раннем этапе метастазы обнаруживаются очень редко[358]. Циркулирующим опухолевым клеткам невероятно сложно образовать перманентные колонии – несмотря на то что в кровь ежедневно попадают миллионы раковых клеток. Большинство ЦОК просто погибают[359], но не всегда.
Микрометастазы объясняют феномен опухолей невыявленной первичной локализации. ЦОК покидают первичную опухоль очень рано и по какой-то неизвестной причине оказываются более успешными в новой среде, чем в месте зарождения. Первичная опухоль может быть малых размеров или вообще полностью погибнуть, а вот метастазы процветают, найдя для себя плодородную почву. Именно поэтому метастазы иной раз обнаруживают раньше, чем первичную опухоль, которую иногда вообще не удается найти.
Ранние метастатические клетки могут обосноваться в защищенных нишах и прожить там много лет, скрываясь от противораковой защиты. Например, у пациенток с раком груди, у которых обнаружены микрометастазы, вероятность развития клинически обнаружимых метастазов в ближайшие десять лет равняется лишь 50 %[360]. Рак груди уже разбросал свои смертоносные семена, но они не могут расти без плодородной почвы.
При латентном метастазе иногда бывает, что у пациентов, «вылечившихся» от рака, внезапно возникает рецидив с отдаленными метастазами через несколько лет или даже десятилетий после того, как рак сочли уничтоженным. Противораковые защитные механизмы какое-то время сдерживают микрометастазы, но со временем раковым клеткам удается все же закрепиться и перейти в наступление.
Ранним метастазированием объясняется и необходимость местной радио– и химиотерапии после операции. Во время операции удаляется вся видимая раковая опухоль. Тем не менее большинство протоколов лечения рака все равно требуют курса послеоперационной радио– или химиотерапии. Если бы рак действительно был упорядоченным, последовательным процессом, то эти меры не были бы обязательны. Радикальной операции было бы достаточно, чтобы устранить все следы рака. Но, поскольку рак дает метастазы уже на ранней стадии, нам необходимы эти дополнительные меры лечения.
Эволюция опухоли и самоосеменение
Метастазирование – невероятно сложный процесс, так что классическая гипотеза ТСМ – «случайное накопление» сотен необходимых мутаций, которые работают в координации друг с другом – звучит просто невероятно. Теория эволюция опухоли намного лучше объясняет, как раковым клеткам удается адаптироваться. Ранний метастаз раковых клеток создает все условия, необходимые для эволюции опухоли: генетическое разнообразие и давление отбора. Миллионы генетически различных циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК) подвергаются давлению отбора со стороны противораковых защитных механизмов. Дело не в конкретных мутациях, а в том, что вызывает эти мутации. Почему эти гены мутируют? Потому что от этого зависит их выживание.
Уже на момент диагностики первичная опухоль выбрасывает в кровь миллионы ЦОК в день, и, возможно, где-то уже даже появились микрометастазы[361]. ЦОК могут отделяться от первичной опухоли и как отдельные клетки, и как скопления, которые работают вместе, чтобы обеспечить совместное выживание[362].
Большинство ЦОК погибают сразу после того, как покинут место исходной опухоли, но иногда (очень редко) какой-нибудь генетический мутант все же выживает после ужасных мучений в кровеносной системе. Но эти раковые клетки еще не готовы выживать на враждебных берегах – например в печени, легких или костях. Когда раковая клетка высаживается на далекий берег, одинокая, как пугало, ее тут же уничтожают. Другие ЦОК продолжают циркулировать по организму в отчаянном поиске безопасной гавани. И наконец некоторым из них удается прожить достаточно долго, чтобы найти оазис – место своего рождения, первичную опухоль.
Блудные сыны рака возвращаются, чтобы снова поселиться в доме предков, который обеспечивает им надежное убежище. Вернувшимся ЦОК не нужны новые генетические адаптации, чтобы выживать и процветать в микросреде опухоли. Кислая гипоксичная среда этого убежища мешает работать иммунным стражам, которые уничтожали циркулирующие клетки в кровеносной системе[363]. Это явление называется самоосеменением опухоли. На моделях клеточных линий рака груди, кишечника и меланомы уже удалось подтвердить, что оно действительно существует[364]. Когда опухолевые клетки заново заселяют исходную опухоль, они прячутся в защитной среде – настоящем «питомнике» для возвращающихся раковых клеток.
Однако эти «блудные дети» рака – уже не те невинные детишки с широко раскрытыми глазами, которые когда-то покинули опухоль. Их спутники были убиты. Выжить удалось лишь тем, кто пробудил в себе самого безжалостного «выживальщика», одноклеточный организм. Представьте себе человека, которому за воровство в магазине дали пять лет сибирских лагерей. Возможно, он когда-то был добродушным, но ужасы, пережитые в трудовом лагере, сделали из него закоренелого преступника. Он, если угодно, эволюционировал. Точно такой же процесс проходят и раковые клетки, которые вернулись, чтобы заново заселить исходную опухоль. Возвращаются только самые суровые и легко адаптирующиеся раковые клетки. Условия отлично подходят для естественного отбора. Раковые клетки генетически разнообразны и подвергаются давлению отбора: их заставляют выживать в кровеносной системе.
Вернувшиеся ЦОК снова проникают в уже существующую опухоль и вытесняют менее агрессивные родительские раковые клетки. Первичная опухоль сменяется новым, более агрессивным штаммом, и новые ЦОК, выпускаемые в кровеносную систему, уже являются потомками этого штамма. Путешествие по кровеносной системе по-прежнему тяжело и полно опасностей, но новые, более агрессивные клетки способны выдержать его чуть лучше, чем предыдущее поколение.
История на этом не заканчивается, а только начинается. Эволюция раковой клетки – это итерационный процесс. Новые ЦОК снова подвергаются сильнейшему давлению отбора. Большинство новых ЦОК тоже погибают, но опять-таки несколько редких мутантов с улучшенными механизмами выживания, которые развились у них за время путешествия по кровеносной системе, возвращаются и заселяют первичную опухоль. Этот цикл повторяется снова и снова, в течение лет или даже десятилетий; каждый цикл создает новые мутации, которые помогают все лучше выживать в кровеносной системе. Первичная опухоль заселяется собственным метастатическим потомством. Эти генетические мутации нисколько не случайны – это дарвиновский процесс естественного отбора. Раковые клетки эволюционируют.
Отбор в каждой итерации идет по способности к выживанию и агрессивности. Со временем рак накапливает сотни мутаций, необходимых для успешного метастазирования – путешествия по кровеносной системе и основания новой клеточной колонии. Самоосеменение опухоли амплифицирует[365] самые агрессивные клоны и способствует избирательному улучшению свойств, обеспечивающих выживание
Именно процесс самоосеменения объясняет генетическое разнообразие первичных опухолей, которое называют внутриопухолевой гетерогенностью (ВОГ). Раковые клетки внутри одной опухоли – это не один и тот же генетический клон. В опухолевой массе содержатся несколько разных клонов, порожденных несколькими волнами эмиграции и самоосеменения.
Если дать раковым клеткам достаточно времени для эволюции, они получат способность не только выживать в кровеносной системе, но и вторгаться в разные органы. Опять-таки неизведанные земли поначалу будут враждебны к раковым клеткам. Сначала они основывают колонию – микрометастаз, который может десятилетиями пребывать в спячке. Враждебные условия оказывают эволюционное давление отбора на маленькое поселение раковых клеток. С каждым новым поколением преимущество будут получать те мутации, которые делают возможным выживание и рост. В конце концов эти новые клетки превращаются в метастатическую опухоль, которая тоже начинает расти.
Метастаз создает новую ветвь в эволюции рака. Генетический профиль области метастаза очень заметно отличается от первичной опухоли[366] – это отражает трудности, которые пришлось преодолеть раковым клеткам, чтобы выжить на новом месте. Поскольку большинство раковых клеток умирают при попытке образования метастаза, выживают очень немногие, и из-за этого генетическое разнообразие сильно ограничивается[367]; в биологии это явление называется «бутылочным горлышком».
У нас наконец-то появилась рабочая парадигма развития рака – от самого появления вплоть до метастазирования. Фактор, который формирует раковые клетки с самого начала до гибели, – это самая мощная сила в биологии, эволюция. Рак – это не просто случайное лоскутное одеяло из разных мутаций. На всех этапах развития движущей силой рака является самый примитивный императив всей жизни на земле: выживание клетки.
Парадигму рака 3.0, эволюционную модель, можно разделить на три фазы:
1. Преображение. Первый шаг нормальной клетки к превращению в раковую – эволюционная реакция на хроническую сублетальную травму. Раковый фенотип появляется как механизм выживания, который требует отказа от многоклеточной жизни. Это «семя» рака.
2. Прогрессирование. Сенсоры питательных веществ – инсулин, mTOR и АМФК – влияют на доступность факторов роста и создают благоприятные условия для пролиферации раковых клеток. Это «почва» рака.
3. Метастазирование. Попадание раковых клеток в кровеносную систему на раннем этапе развития опухоли подвергает клетки сильнейшему давлению отбора. После того как первичная опухоль заселяется выжившими клетками-потомками, естественный отбор отдает предпочтение более агрессивным и примитивным чертам.