Особенности канцерогенеза рака легкого с участием раковых стволовых клеток при COVID-19. Эффекты фотодинамической терапии при лечении рака и COVID-19

Рак легкого относится к наиболее летальным карциномам. Согласно глобальной статистике 2022 г., он лидирует по заболеваемости и смертности среди онкологических патологий мужского населения [1]. Аденокарцинома — преобладающий гистологический вариант рака легкого, демонстрирует тенденцию к росту заболеваемости. Уже в 2020 г. ее показатели превысили частоту плоскоклеточного рака в большинстве стран независимо от пола пациентов [2].

В качестве источника развития злокачественной опухоли рассматриваются раковые стволовые клетки (РСК) [3], которые обладают способностью к самоподдержанию и формированию гетерогенных линий опухолевых клеток, обеспечивают инфильтративный рост и метастазирование опухоли.

Существование РСК было доказано в эксперименте, в котором популяцию РСК и живые опухолевые клетки, выделенные из злокачественного новообразования человека, вводили лабораторным мышам.

РСК обладает рядом свойств, многие из которых можно обнаружить у нормальных стволовых клеток (СК), а именно способность к самоподдержанию, неограниченный пролиферативный потенциал, экспрессия маркеров СК [4]. РСК обладает высоким потенциалом поддержания ракового клона за счет периодического многократного деления, способностью пребывать в дормантном состоянии и совершать эпителиально-мезенхимальный переход, который является основой метастазирования и инвазии [5].

В результате активного несимметричного деления РСК в опухоли образуется иерархия клеток, включающая высокотуморогенные РСК, дающие начало промежуточным предшественникам и терминально дифференцированным потомкам [6]. Трансформация субпопуляций РСК внутри популяции реализуется в том числе благодаря фенотипической и метаболической пластичности РСК, включая пути адаптивного гликолитического метаболизма.

Существует несколько концепций происхождения РСК. Согласно одной из них, РСК являются потомками нормальных СК тканей (в частности, эпителия), в которых развивается злокачественная трансформация [7]. Согласно другой концепции, опухолевые клетки могут перепрограммироваться и сформировать РСК. Третья концепция происхождения РСК связывает перепрограммирование зрелых дифференцированных клеток в СК, которые затем трансформируются в РСК.

РСК отличаются и метаболическими характеристиками от дочерних раковых клеток. Выявлены несколько сигнальных метаболических путей, играющих ключевую роль в развитии и прогрессировании рака, в том числе и рака легкого. К ним относится, например, Wnt/β-Catenin-сигнальный путь — регулятор самообновления и пролиферации РСК в раке. Активация этого пути приводит к стабилизации β-Catenin, который затем транслоцируется в ядро и регулирует экспрессию генов, вовлеченных в клеточную пролиферацию и выживание. В раке легких часто наблюдается дисрегуляция пути Wnt/β-Catenin, что ведет к стимуляции самообновления РСК и развитию резистентности к химиотерапии [8].

Notch — еще один важнейший сигнальный путь в регуляции РСК в раке. Лиганды Notch-рецептора выделяются нишей РСК, а его активация отвечает за выживаемость и пролиферацию РСК. Таким образом, сигнальный путь Notch поддерживает стволовость РСК в злокачественных опухолях и раке легкого [9].

Активация PI3K/AKT-метаболического пути приводит к фосфорилированию AKT, которая запускает экспрессию генов, регулирующих пролиферацию клеток. В раке часто наблюдается дисрегуляция этого сигнального пути, которая также коррелирует с развитием резистентности к химиотерапии [10].

Сигнальный путь NF-κB регулирует иммунный ответ в раке. Высокая экспрессия IL-6, обусловленная NF-κB, стимулирует метастазирование и, таким образом, является фактором плохого прогноза при злокачественных опухолях, включая рак легкого [11].

Поверхностные молекулярные маркеры РСК представлены различными клеточными рецепторами или лигандами, которые опосредуют каскады сигнализации, регулирующие рост опухоли. К наиболее важным относятся ALDH1, CD133 и CD44 [12].

Белки ALDH1 (в основном ALDH1A1, ALDH1A2 и ALDH1A3), которые в основном локализуются в цитозоле клеток различных тканей, ответственны за окисление в клетках ретинолов, алифатических и перекисных альдегидов, альдофосфамида, а также за детоксикацию противораковых лекарственных препаратов [13]. Хотя ALDH1 выявляется во многих клетках не только человека, но и различных животных, грибков и бактерий, в нормальных тканевых СК, однако ее наибольшее количество обнаруживается в РСК.

CD133 (Проминин 1) — пентатрансмембранный поверхностный гликопротеин, кодируемый геном PROM1. CD133-позитивные РСК обнаруживаются в глиобластомах, при колоректальном раке и раке легкого, что коррелирует с плохим прогнозом, химиорезистентностью и развитием метастазов. Экспрессия и поверхностная локализация CD133 активируется MAPK/ERK, HIF-1α, Wnt/β-катенином и JAK/STAT3 [14].

CD44 — рецептор адгезии на поверхности РСК, который воспринимает, интегрирует и передает сигналы внеклеточного матрикса клеткам, а также регулирует несколько генов, что приводит к изменениям в поведении клеток. Экспрессия CD44 наблюдается в самых разных эпителиальных тканях, но наибольшее количество его находится в РСК. CD44 — некиназный гликопротеиновый мембранный рецептор для гиалуроновой кислоты, остеопонтина, хондроитина, коллагена, фибронектина и сульфатированных протеогликанов. Существует множество данных, показывающих, что экспрессия маркеров стволовости, таких как SOX2, NANOG и OCT4, высока в популяции CD44+ [15].

РСК активно взаимодействуют с элементами микроокружения и существуют в пределах особой ниши — благоприятном тканевом компартменте, представленном внеклеточным и клеточным компонентом, среди которого важнейшее значение имеют опухолеассоциированные фибробласты (ОАФ) и клетки иммунной системы — опухолеассоциированные макрофаги (ОАМ). Опухолевое микроокружение активно участвует в канцерогенезе, что поддерживает опухолевые клетки в менее дифференцированном состоянии. Именно за счет взаимодействия клеток в нише реализуются все биологические свойства РСК [16]. Расположенные в соединительной ткани, заполненной внеклеточным матриксом, фибробласты являются самыми приближенными к опухолевым стромальными клетками. Становясь компонентом микроокружения опухоли, фибробласты перепрограммируются для поддержки РСК. В опухолях ниша РСК может активировать пролиферацию раковых клеток [17].

Различные фенотипы макрофагов активно участвуют во всех стадиях воспаления и процессах заживления. Разрушающая ткани подгруппа M1 высвобождает провоспалительные медиаторы, такие как TNF, гамма-интерферон (IFNG) и IL-12, тогда как подгруппа M2 высвобождает противовоспалительные медиаторы: IL-4, IL-10, TGFB1, HGF, IGF1, PDGF и VEGFΑ [18, 19]. Исследование влияния макрофагов на течение немелкоклеточного рака легкого показало, что провоспалительная подгруппа М1 подавляет онкогенность клеток аденокарциномы, повышая их чувствительность к циспластину и индуцируя апоптоз [20]. Подмножество клеток подгруппы М2 способствовало инвазии. Следовательно, макрофаги М2 обладают проопухолевой активностью.

Отдаленные последствия у пациентов, переболевших COVID-19, свидетельствуют о возможности прогрессирования и развития полиорганной патологии, включая различные онкологические заболевания [21]. В частности, описано прогрессирование после COVID-19 рака легкого [22], глиобластомы [23], рака шейки матки [24], карциномы Меркеля [25].

В отличие от известных онкогенных вирусов (вирус папилломы человека вирусы гепатита B и C, вирус Эпштейна—Барр, вирус T-клеточного лейкоза человека, вирус герпеса, ассоциированный с саркомой Капоши, и полиомавирус клеток Меркеля) [26] SARS-CoV-2 оказывает не прямое мутагенное воздействие на геном клетки, а опосредованное, влияя на онкогенные сигнальные пути и транскрипционные связи, что может привести к потенцированию онкологических заболеваний, в том числе вследствие взаимодействия вируса SARS-CoV-2 с РСК. Изучение влияния SARS-CoV-2 на стволовые клетки ткани легкого, РСК и их ниши позволяет предположить, что коронавирус может стимулировать выход РСК из дормантного состояния, в том числе в метастатических нишах, повышение их пролиферативной активности и прогрессирование опухоли [27].

Известно два преимущественных пути проникновения вируса в клетку посредством связи с рецепторами АПФ2 и CD147 (рис. 1). Описано модулирующее влияние CD147 на уровень экспрессии АПФ2 [28]. Онкогенный потенциал вируса SARS-CoV-2 может быть реализован путем стимуляции сигнальных путей, задействованных в метаболизме РСК рака легкого и клеточных компонентах ниши [29]. Стимуляция сигнальных путей и транскрипционных цепей в РСК способна изменять их модификацию или реактивировать, выводя РСК из дормантного в активное состояние и влияя тем самым на прогрессирование опухоли [30]. Каскад активирующих влияний на РСК начинается с момента взаимодействия с рецепторами на поверхности клеток.

Рис. 1. Возможные механизмы прогрессирования рака у пациентов, перенесших COVID-19.

РСК — раковая стволовая клетка, ОАФ — опухоль ассоциированные фибробласты, ЭМТ — эпителиально-мезенхимальная трансформация, АФК — активные формы кислорода, РААС — ренин-ангиотензин-альдостероновая система, ММП — матриксные металлопротеиназы.

Белок CD147 (кластер дифференцировки 147), также известный как базигин (BSG), или индуктор внеклеточной матрицы металлопротеиназы (EMMPRIN), относится к суперсемейству иммуноглобулинов [31]. CD147 обнаруживается в норме и возрастает при различных патологических состояниях и заболеваниях в клетках мозга, почек, легких, сердца, печени, в эндотелии сосудов, лейкоцитах, T-лимфоцитах. Высокие значения выявляются в раковых клетках немелкоклеточного рака легких, молочной железы, желудка и других [32]. Обнаружение CD147 в раковых клетках аденокарциномы легкого связано у пациентов с плохим прогнозом, инвазией и метастазированием [33]. Влияние CD147 на онкогенез и прогрессирование рака легкого может осуществляться за счет нисходящей регуляции сигнальных путей, задействованных в метаболизме РСК, таких как NF-kB [34], PI3K/Akt, p38MAPK, JAK/STAT, RAP1/AKT/CREB [35], и вовлеченных в функционирование клеточного цикла. Важнейшее значение имеют участие CD147 в клеточном метаболизме, индукция им монокарбоксилатного транспортера стимуляция адаптивного гликолитического пути метаболизма [36] и подавление апоптоза путем воздействия на каспазу-3 [37]. Клетки с высокой экспрессией CD147 обладают повышенным онкогенным потенциалом и химиорезистентностью in vivo, демонстрируют повышенную экспрессию рецепторов EGF (EGFR), ABCG1, ABCG2-транспортеров лекарств [38], тем самым принимая участие в формировании лекарственной резистентности. По данным ряда работ [39], сверхэкспрессия CD147 в немелкоклеточном раке легкого связана с метастазами в лимфатических узлах и прогрессированием до более поздних стадий; высокие уровни CD147 в сыворотке крови пациентов связаны с прогрессированием рака.

Клетки, экспрессирующие АПФ2, обнаружены в энтероцитах кишечника, проксимальных почечных канальцах, кардиомиоцитах, фибробластах и гладкомышечных клетках сосудов, в эндотелиальных клетках и перицитах, включая клетки сосудистого сплетения, составляющие части гематоэнцефалического барьера. Уровень АПФ2 снижается в направлении от верхних к нижним дыхательным путям [40]. Связь вируса SARS-CoV-2 с рецептором АПФ2 стимулирует развитие дисбаланса РААС, также приводя посредством сложной цепи взаимодействий к запуску нисходящего каскада молекулярных реакций с активацией ключевых сигнальных путей NF-κB, PI3K/Akt, потенцирующих пролиферацию и самообновление РСК, и секрецией ключевых цитокинов: экспрессией TNF-α, TGF-β, активацией ядерного фактора (NF), увеличением уровня IL-6 [41, 42], увеличением инвазивного потенциала и метастазированием.

Молекулярные факторы сигнальных путей могут выступать в качестве маркеров для идентификации РСК. Известны внутриклеточные и поверхностные маркеры РСК рака легкого. Среди внутриклеточных выделяют факторы транскрипции (SOX2, NANOG, OCT4), функционирующие в ядре клетки, и молекулы, действующие в цитоплазме (ALDH1). К поверхностным маркерам РСК рака легкого относят CD133 и CD34 [29]. Установлено, что эффекты молекулярных факторов, являющихся в то же время поверхностными маркерами РСК рака легкого — ALDH1 и CD133, опосредуют механизмы лекарственной устойчивости рака легкого к терапии совместно со специфическими белками: системой переносчиков ABCG, белками, связывающими аденозинтрифосфат, P-гликопротеин и белок множественной лекарственной устойчивости 1. Высокие уровни ALDH1 и CD133 обнаруживаются в раковых клетках по сравнению с нормальными тканями, их высокий уровень коррелирует с плохим прогнозом у пациентов с раком легкого и устойчивостью опухоли к терапии [43]. Типы охватываемых химиотерапевтических агентов ALDH1 включают доксорубицин, паклитаксел, гемцитабин, гефитиниб, темозоломид, доксорубицин и платину, что указывает на роль в качестве ключевого маркера резистентности РСК к препаратам.

Воздействие вируса SARS-CoV-2 на РСК рака легкого не исследовано. Мы изучали РСК в аденокарциноме легкого после перенесенного COVID-19 по экспрессии маркеров ALDH1, CD133 и CD34. Количество позитивно окрашенных РСК в реакциях с антителами к маркерам стволовости было выше в аденокарциномах легкого у пациентов, перенесших новую коронавирусную инфекцию, по сравнению с пациентами контрольной группы, не болевшими COVID19 [27]. При этом белки вируса SARS-CoV-2 выявлялись в ALDH1+, CD133+ CD34+ позитивных РСК, что может быть подтверждением взаимодействия белков вируса и, вероятно, самого вируса с РСК. Мы выявили нуклеокапсидный и спайк-белки вируса SARS-CoV-2 в ткани легкого у пациентов, перенесших новую коронавирусную инфекцию как минимум спустя 3 мес после острого заболевания, как в клетках аденокарциномы, РСК опухоли, так и в пневмоцитах 2-го типа, макрофагах и эндотелиальных клетках [27]. Увеличение количества ALDH1+, CD133+ CD34+ РСК в опухолевой ткани пациентов, перенесших COVID-19, может быть свидетельством возрастания метастатического потенциала аденокарцином легкого, вероятно, вследствие повышения активности процессов эпителиально-мезенхимального перехода в РСК под действием SARS-CoV-2.

Биологические свойства РСК, делающие рак легкого карциномой с высокой летальностью, реализуются при взаимодействии клеточных и неклеточных компонентов ниши; особенности молекулярных взаимодействий клеточных и внеклеточных компонентов ниши РСК в раке легкого недостаточно изучены [18,19]. Воздействие вируса SARS-COV-2 на компоненты микроокружения может осуществляться как непосредственно (прямое повреждение), так и опосредованно через сигнальные пути, активированные вирусом после связывания с рецепторами. Каскад воспаления запускается при воздействии вируса SARS-CoV-2 на рецептор АПФ2 и лиганд CD147 — циклофилин A и B — на моноцитах/макрофагах. Связь циклофилин-CD147 распознается толл-рецепторами 7/8 в эндосомах, что приводит к повышению регуляции фактора некроза опухоли (TNF), интерлейкина IL-1β и IL-6, высокие уровни которых обусловливают развитие цитокинового шторма при тяжелом течении [44]. В исследованиях [45, 46] показано, что вирус SARS-CoV-2 путем связывания с рецептором CD147 проникает в CD4+ и CD8+ T-лимфоциты, в которых его уровни значительно выше, чем уровни АПФ2, и макрофаги. Поражение иммунных клеток приводит к развитию лимфопении, высвобождению повышенных уровней цитокинов (IL-6, 8, 10, IL-1β, ФНОα, NF-фактора, TGF-β), цитокиновому шторму и как следствие — к развитию иммуносупрессии и тяжелому течению инфекции. Лимфопения и провоспалительные цитокины обусловливают нарушение иммунного надзора в ткани легкого, могут способствовать прогрессированию неопластической трансформации, активации метастатических ниш и метастазированию за счет индукции повреждения ДНК, стимуляции избыточной продукции ангиогенных молекул (VEGF, IL-8, NO), ICAM-1 и VCAM-1, а также стимуляции пролиферации клеток и ингибирования апоптоза [47]. Цитокины, секретируемые ОАМ и ОАФ, участвуют в реализации пластичности РСК за счет трансформации опухолевых клеток в РСК через пути TGF-β1, STAT3/Sox2, JAK2/STAT3/Snail, Notch/STAT3 и IGF-II/IGF1R [48]. Секреция IL-10 ОАМ активирует раковые стволовые клетки, способствуя прогрессированию опухоли [49]. ОАМ в культуре клеток демонстрируют секрецию высоких уровней IL-6 и стимуляцию ЭМП. Продукция IL-6 ОАМ повышает инвазивность немелкоклеточного рака легкого через сигнальный путь JAK2/STAT3 [50]. TGF-β, высвобождаемый опухолевыми клетками и макрофагами типа M2, стимулирует трансформацию зрелых макрофагов в сторону проопухолевого типа M2, индуцирует ЭМП [51]. Макрофаги, индуцированные ИЛ-10, усиливают экспрессию ММП-9 и ММП-2 и способствуют инвазии и миграции раковых клеток [52].

Прямое повреждение эпителия в ткани легкого и воспаление под воздействием SARS-CoV-2 в сочетании с развитием цитокинового шторма, лимфопенией, нарушением микроциркуляции и метаболическими расстройствами приводит к тяжелой гипоксии. В ответ на гипоксию как при участии CD147, так и являясь следствием дисбаланса РААС, повышается экспрессия HIF-1α через путь PI3K/Akt/mTOR, активируются фибробласты, повышается продукция коллагена-1, что способствует развитию фиброза и дальнейшему усугублению гипоксии [41]. Особое значение имеет регуляция экспрессии молекул, ответственных за модификацию и деградацию внеклеточного матрикса, а также стимулирование перехода фибробластов в ОАФ [53], возможное усиление эндотелиально-мезенхимальной трансформации и ЭМТ, повышение проницаемости сосудов и как следствие — потенцирование инвазии, ангиогенеза и метастазирования опухоли [54—56].

Таким образом, особенностями патогенеза инфекционного процесса, вызываемого SARS-CoV-2, является задействование тех же молекулярных звеньев, что и в путях канцерогенеза и прогрессирования рака в условиях длительной персистенции вируса, подтвержденной ранее в нашем исследовании [27]. Перечисленные основные факторы могут обусловливать рост, прогрессирование опухоли [57—59], а также стимулировать возможную трансформацию стволовых клеток ткани легкого в РСК вследствие развивающихся фиброза и хронического воспаления [60].

Однако прямая этиологическая роль вируса SARS-CoV-2 в канцерогенезе рака легкого доказательно не подтверждена, что связано как с недостаточно длительным периодом наблюдения последствий, вызываемых вирусом SARS-CoV-2, так и с отсутствием в значительной части случаев достоверной информации об изменениях в ткани легкого, предшествовавших инфекции SARS-CoV-2. При этом пути возможной онкогенной трансформации, индуцируемые вирусом SARS-CoV-2 (рис. 1), прослеживаются от момента встречи клетки-мишени с вирусом и в течение неопределенно длительного времени персистенции вируса [61—64], что требует дальнейших наблюдений.

Резистентность к терапии рака легкого и современные тенденции фотодинамической терапии в лечении рака легкого и COVID-19.

Рак легкого остается одной из наиболее летальных опухолей, несмотря на современные методы лучевой, неоадъювантной, таргетной и иммунной терапии. Повышение активности РСК и ускорение прогрессирования рака легкого, в том числе на фоне коронавирусного поражения, требуют поиска новых методов лечения. Сегодня современные методы лечения рака легкого направлены на уничтожение РСК и ее ниши, и одним из таких методов является фотодинамическая терапия (ФДТ), которая влияет не только на раковый процесс, но и обладает антибактериальным и антивирусным действием, включая подавление вируса SARS-CoV-2 [65].

Экспериментальные исследования in vitro и in vivo демонстрируют высокую эффективность ФДТ против раковых клеток [66—68], включая РСК [69, 70], и подавляет неоваскуляризацию в раке легкого [69]. Как показали наши данные, высокая эффективность против рака легкого в экспериментах in vitro и in vivo достигается за счет гибели раковых клеток путем некроза и апоптоза, разрушения РСК и снижения их митотической и пролиферативной активности по сравнению с контролем как в самой раковой ткани, так и в зоне ее инвазии в соседнюю мышечную ткань, а также путем нарушения васкуляризации рака, значительного снижения инвазивности рака вплоть до его полной блокады с выраженной десмопластической реакцией [68—71].

Исследования in vivo на модели карциномы легкого у мышей LLC показали, что раковые клетки при ФДТ с поликатионными производными синтетического бактериохлорина (BC8 и BC4) теряют пролиферативную активность и погибают как в самой опухоли, так и в зоне ее инвазии в сохранную мышечную ткань. Это приводит к значительному снижению инвазивности опухоли по сравнению с контролем (p<0,05) вплоть до ее полной блокады. Проведенные исследования in vivo опухоли LLC после ФДТ с BC8 и BC4 продемонстрировали повышение активности основных показателей антибластомной резистентности, таких как формирование на границе опухоль—сохранная ткань вала в виде воспалительной лимфо-гистиоцитарной инфильтрации и десмопластической реакции со скоплением миофибробластических клеток. На модели карциномы легкого мышей LLC в эксперименте in vivo установлено, что ФДТ с поликатионными производными бактериохлорина одновременно приводит к гибели РСК и снижению неоангиогенеза в ткани карцином LLC. Вероятная причина снижения неоангиогенеза в LLC в данной ситуации — гибель РСК как источника новообразования сосудов в раковой опухоли. Важными аспектами нарушения неоангиогенеза в опухоли при ФДТ с используемыми поликатионными фотосенсибилизаторами являются влияние этого процесса на ниши РСК за счет снижения в них кровотока (вплоть до их разрушения ниш), а также избирательность разрушения эндотелиоцитов сосудов раковой опухоли из-за их происхождения путем эпителиально-мезенхимальной трансформации из РСК при сохранности сосудов нормальных тканей [72]. Таким образом, воздействие ФДТ с применением ВС8 и ВС4 на карциноме легкого представлено многокомплексным механизмом (рис. 2).

Рис. 2. Механизмы повреждения РСК и ее ниши при ФДТ с использованием бактериохлоринов.

Новый виток в развитии ФДТ — фотоиммунотерапия (ФИТ), активно и специфично воздействующая на антигены с помощью моноклональных антител или фрагментов антител, используемых для доставки лекарств. ФИТ использует фотосенсибилизатор, конъюгированный с антителами к РСК или антигенам сосудистой сети опухоли, что обеспечивает специфическую цитотоксичность раковых клеток с минимальным вовлечением окружающей сохранной ткани. В исследовании K. Sato применение ФИТ in vitro продемонстрировало избирательное воздействие на раковые клетки легочной карциномы путем разрыва клеточной мембраны с минимальным воздействием на сохранные ткани [73].

Следует также отметить, что наблюдаемые при ФДТ незначительная токсичность и минимальное количество побочных эффектов в отличие от химиотерапии положительно сказываются на качестве жизни пациентов. С другой стороны, ФДТ эффективна против коронавирусов [69]. В ряде работ [61, 74—76] показана эффективность инактивации коронавируса при использования катионных ФС, в частности метиленового синего.

Принимая во внимание, что метод ФДТ легочных патологий успешно отработан и разрешен к клиническому использованию [77, 78], он может быть успешно использован для лечения рака легкого и у больных с коронавирусным поражением легких.

Проведенный анализ показывает, что раковые стволовые клетки (РСК) являются важнейшим источником развития рака легких. Высокая мутагенная активность вируса SARS-CoV-2 может привести к потенцированию онкологических заболеваний, в том числе из-за его взаимодействия с РСК. Повышение активности РСК и прогрессирование рака легких на фоне коронавирусного поражения требуют поиска новых методов лечения, которые могут быть эффективными одновременно как против коронавирусной инфекции, так и рака. Перспективной в этом направлении может стать фотодинамическая терапия, которая одновременно подавляет вирус и РСК.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ в рамках гранта (проект №25-45-00020).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.