Спектральный анализ в метаболомике новообразований кожи

Рак кожи является одним из самых распространенных в общей популяции населения [1]. Так, меланома кожи занимает 17-е место по распространенности в мире с самой высокой заболеваемостью и смертностью в Европе, при этом в Азии уровень заболеваемости меланомой ниже, а уровень смертности выше [2]. У немеланомного рака кожи (НМРК) самая высокая заболеваемость в Северной Америке, наибольшее количество смертей зарегистрировано в Азии, при этом в Австралии и Новой Зеландии самые высокие показатели заболеваемости базально-клеточной карциномой кожи (БКК) [2]. В Российской Федерации БКК относится к наиболее распространенным немеланоцитарным опухолям кожи — 2 млн случаев в год [3]. Плоскоклеточная карцинома кожи (ПКК) занимает 2-е место по распространенности среди населения европеоидной расы, при этом на долю ПКК приходится от 20 до 50% всех случаев рака кожи [4]. Определенную настороженность следует проявлять к развитию невусов, которые могут быть как пигментными, так и беспигментными. При этом клиницисту важно обнаружить процесс малигнизации опухоли на ранней стадии, в связи с чем становится актуальным поиск инновационных методов диагностики опухолей кожи. В данном случае интерес представляет спектральный анализ — изучение феномена комбинационного рассеяния света в ранней диагностике маркеров как доброкачественного, так и злокачественного опухолевого процесса [5].

Цель исследования — анализ некоторых данных метаболомики при новообразованиях кожи и обоснование перспективы использования комбинационного рассеяния света в идентификации маркеров злокачественного процесса.

В ходе исследования применяли аналитический метод и метод анализа отечественной и зарубежной литературы, а также порядков, стандартов и клинических рекомендаций.

Исследование процессов, происходящих в тканях кожи в норме, является основой для понимания возникновения патологического процесса, так как в данном случае меняются соотношение компонентов тканей и их молекулярный состав. Так, в зоне эпидермиса кератиноциты образуют связи между клетками через десмосомы. Далее кератиноциты могут мигрировать в зернистый слой с гранулами кератогиалина, которые содержат филлагрин, позволяющий объединяться кератиновым нитям. В дерме находятся фибробласты, и она содержит в основном коллаген, однако в ней есть также эластин, кровеносные сосуды, нервы и потовые железы. НМРК может сформироваться либо из внутреннего слоя эпидермиса (базально-клеточного слоя), и тогда образуется БКК, либо из верхней части эпидермиса, что приводит к появлению ПКК. Меланома же развивается в меланоцитах кожи, которые находятся в дермально-эпидермальном пространстве [6]. Разделить слои кожи согласно их компонентам можно с использованием конфокальной спектроскопии комбинационного рассеяния света, хотя и существуют определенные сложности между дифференциацией эпидермиса и дермы. Определение глубины проникновения в различные слои кожи является важным с позиций идентификации стадии опухолевого процесса, соответственно, метаболомные различия в слоях кожи могут быть полезны с точки зрения определения изменений, происходящих в ней при патологии [1]. В базальном слое кожи содержатся кератиноциты, меланоциты и клетки Лангерганса и Меркеля; кератиноциты вырабатывают кератин и липиды. Меланоциты имеют нейральное происхождение и синтезируют меланин. Меланин образуется во время преобразования тирозина в диоксифенилаланин с участием фермента тирозиназы. Клетки Лангерганса — это дендритные клетки, которые выполняют иммунную функцию. Клетки Меркеля относятся к механорецепторам. В свою очередь дерма состоит из двух слоев соединительной ткани, сосочкового и сетчатого, которые сливаются без четкой границы. Сетчатый слой состоит из пучков коллагеновых волокон; понимание анатомии кожи позволяет интерпретировать некоторые метаболические процессы в коже в норме и при патологии, которые могут быть идентифицированы в последующем методом спектрального анализа. Гиподерма содержит в основном жировую ткань, соответственно, в этом случае следует обратить внимание на липиды в нормальной коже для понимания изменений, которые возникают при опухолевом процессе в ней. Для обеспечения основных функций кожи оболочка ее клеток поддерживает водный барьер с участием белков и липидов. В данном аспекте интерес представляет соотношение различных форм гликосфинголипидов, фосфолипидов и церамидов [7].

В роговом слое эпидермиса главным компонентом является кератин. С использованием конфокальной микроскопии in vivo представляется возможным получать изображения живой ткани в реальном времени с высоким разрешением без инвазивного воздействия на ткань, в том числе послойно. Конфокальная микроскопия in vivo служит вспомогательным инструментом для проведения диагностики опухолей кожи, так как позволяет оценить ее морфологию. При этом комбинационное рассеяние света дает подробную информацию о молекулярном составе кожи. Определение компонентов кожи в норме и при опухолях может служить диагностическим критерием при построении алгоритма идентификации типа патологического процесса. Соотношение полос комбинационного рассеяния света, содержания воды, липидов, белков и других компонентов дает информацию о происходящем в ткани формировании злокачественного процесса [8]. Экспрессия определенных классов кератина связана с созреванием и дифференцировкой клеток. Это играет важную роль в патогенезе ПКК и БКК. По данному компоненту также можно судить о типе опухоли при использовании спектрального анализа [9]. Кератины представляют собой весьма разнообразное семейство белков цитоскелета и важных маркеров дифференцировки эпителиальных клеток [10].

При формировании опухоли, в частности ПКК, важную роль приобретает функция кератиноцитов, кератинизации и кератина в данном процессе. Данный белок играет важнейшую роль в патогенезе ПКК. Так, при обнаружении его на величине волнового числа 1654 см^–1 при идентификации ПКК можно прогнозировать развитие рака на ранней его стадии, когда визуально определить сформировавшуюся опухоль не представляется возможным. Подобную корреляцию можно провести со всеми компонентами тканей кожи в норме и при патологии. Компоненты тканей при БКК, ПКК и в норме различаются, что было отмечено в ходе проведения конфокальной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света в диагностике новообразований кожи [5].

При рассмотрении патогенеза НМРК, к которому относятся БКК и ПКК, следует обратить внимание на изменения во внеклеточном матриксе, которые могут служить основой для метастазирования опухолевых клеток и прогрессирования развития опухоли. В данном случае значимую роль играют различные типы коллагена, поскольку изменения в нем (в его типах, как качественном, так и количественном составе), а также в трансмембранном белке и структурном компоненте внеклеточного матрикса могут влиять на степень инвазивности рака. Поскольку коллаген состоит из множества аминокислот, отдельного внимания заслуживает обнаружение каждой из них при проведении дифференциации тканей кожи в норме и при патологии. Как было показано в предыдущем исследовании [5], линия коллагена (валина, пролина) на величине волнового числа 940 см^–1 свидетельствует о большем его содержании в норме, чем при ПКК. При этом при ПКК обнаруживается большое количество фенилаланина с характерной линией на величине волнового числа 1004 см^–1. На величине волнового числа 1302 см^–1 обнаруживаются липиды и белки, в частности в норме в коже обнаружено большее количество триглицеридов. Некоторых компонентов, таких как нуклеиновые кислоты, отмечено больше при БКК, чем в норме, на величине волнового числа 1336 см^–1. На величине волнового числа 1554 см^–1 продемонстрировано большее содержание таких компонентов, как триптофан, дезоксимиоглобин, при ПКК по сравнению с нормой и БКК, что также можно считать диагностическим критерием [5]. Липидов, регистрируемых на величине волнового числа 2850 см^–1, отмечается больше в норме и меньше при ПКК, при этом кератина больше, согласно данным комбинационного рассеяния света, при ПКК, по сравнению с БКК и нормой. При раке кожи в ткани обнаруживается меньше триолеина по сравнению с его количеством в нормальной коже. Наиболее информативными были соотношения интенсивностей полос комбинационного рассеяния света на величинах волновых чисел 1268, 1336 и 1445 см^–1 при дифференциации интактной кожи от ПКК и БКК. При этом в диапазоне высоких волновых чисел 2850, 2880 и 2930 см^–1 отмечено высокое соотношение белки/липиды в опухолях на обеих длинах волн возбуждения, что может служить диагностическим критерием. Более того, снижение интенсивности на величине волновых чисел 1248 и 1268 см^–1 было связано со значительно более низким содержанием коллагена в ПКК и БКК [5], что опосредовано ролью металлопротеиназ в деградации коллагена [5, 11, 12]. Обнаружение коллагена и его различных типов, а также определенных аминокислот методом спектрального анализа в ткани опухоли позволит в будущем прогнозировать ее тип. Это еще один маркер, который может быть использован для идентификации ПКК методом спектрального анализа. Так, при БКК визуализируется сниженная экспрессия коллагена XVII в клетках [13, 14].

Что касается метаболизма при развитии новообразования, то следует обратить внимание на гликолиз и цикл трикарбоновых кислот и роль аминокислот в нем. Поскольку аминокислоты играют важнейшую роль при осуществлении окислительно-восстановительного баланса [15], в ходе регуляции обмена энергии в клетках, биосинтеза необходимых компонентов и поддержания гомеостаза, обнаружение определенных видов аминокислот и их метаболитов при развитии опухолевого процесса может открыть новые этапы в онкогенезе и роль спектрального анализа для идентификации патологического процесса на ранней его стадии. Такие аминокислоты, как валин, лейцин и изолейцин, могут рассматриваться как альтернативные источники органических молекул, поддерживающие цикл трикарбоновых кислот [16]. Помимо этого, отдельного внимания заслуживает синтез нуклеотидов: как пуринов, так и пиримидинов. Глицин, глутамин и аспартат являются донорами углерода и азота для осуществления биосинтеза пуринов [17]. Свой вклад вносят в качестве дополнительных источников углерода для азотистых оснований глицин, серин и метионин, соответственно, при обнаружении этих компонентов в ходе спектрального анализа можно судить об избыточном или недостаточном синтезе аминокислот и нуклеотидов, в результате чего мы можем определить особенности онкогенеза и его выраженности, в том числе пролиферации клеток злокачественного роста. Обнаружение производных аминокислот свидетельствует о прогрессировании опухолевого процесса и вероятности повышения метастатического потенциала клеток. Помимо этого, важное значение в онкогенезе приобретают ферменты — трансаминазы, которые способствуют взаимопревращению аминокислот. Пролиферация опухолевых клеток приводит к накоплению активных форм кислорода, которые могут повредить макромолекулы и в конечном счете привести к гибели клетки. Исследование спектрального анализа тканей в корреляции с их компонентами при различной патологии может быть информативно для понимания процесса онкогенеза в части взаимосвязи аминокислот и метаболизма рака. Соответственно, при обнаружении определенных видов аминокислот при ПКК и БКК методом спектрального анализа представляется возможным идентифицировать тип патологического процесса в будущем на ранней его стадии. Каждая аминокислота играет определенную роль в онкогенезе различных видов опухолей [18]. Так, лейцин важен в патогенезе и метаболизме опухоли при меланоме [19]. Помимо этого, аминокислоты участвуют в синтезе белков, липидов и нуклеиновых кислот. Аспартат и глутамин являются основными аминокислотами, участвующими в синтезе пиримидина. Аминокислоты обеспечивают углерод и азот для синтеза нуклеиновых кислот. Помимо своей основной роли в биосинтезе азотистых метаболитов, аминокислоты могут поставлять атомы углерода для биосинтеза липидов. Анализ цикла трикарбоновых кислот и участия различных аминокислот в процессах в клетке при онкогенезе может быть полезным при дифференциации типов опухолей между собой. Такие аминокислоты, как глутаминовая, аминокислоты с разветвленными боковыми цепями (лейцин, изолейцин и валин) и треонин, участвуют в цикле трикарбоновых кислот, что приводит к высвобождению АТФ и обеспечению энергии клеткам опухоли [20]. Метаболизм таких аминокислот, как тирозин (Tyr) и фенилаланин (Phe), а также других аминокислот важен в развитии меланомы, при этом особое значение приобретает не только качественный, но и количественный состав аминокислот [21]. Опухолевые клетки изменяют метаболизм для поддержания высокого уровня пролиферации. Помимо гликолиза и глутаминолизиса, аминокислоты участвуют в биосинтезе жирных кислот при развитии меланомы. При этом также важны такие компоненты, как ацетат, пируват, и состав аминокислот в ткани меланомы. Степень пролиферации клеток и анализ главных ее компонентов определяют различие между быстро и медленно прогрессирующим ростом меланомы [22]. Некоторые аминокислоты, например триптофан, могут выступать в качестве биомаркера, связанного с метаболизмом аминокислот, так как он является чувствительным и специфическим индикатором процесса окисления в клетках и поддержания гомеостаза [23]. Фенилаланин, в свою очередь, влияет на синтез и секрецию белка [24]. Каждая из аминокислот может рассматриваться в перспективе в качестве биомаркера рака, так как нарушение метаболизма определенных аминокислот не только инициирует опухолевый процесс, но и способствует его прогрессированию, определяет инвазивность опухоли, ее тип и метастатический потенциал клеток. Данные маркеры могут быть использованы для идентификации ПКК методом спектрального анализа с применением комбинационного рассеяния света. В патогенезе ПКК важное значение приобретает метаболизм аланина, аспартата и глутамата, глутатиона, аргинина, пролина, пирувата, глицерофосфолипидов, эфирных липидов, холина, а также биосинтез валина, лейцина и изолейцина и др. Лактат, валин, аланин, аспартат, креатин, тирозин и глутамин — одни из ключевых энергетических метаболитов, участвующих в росте и пролиферации ПКК [25]. Метаболомный анализ компонентов тканей показал, что гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и метаболизм аминокислот играют центральную роль в метаболизме ПКК [26], соответственно, определение этих маркеров методом комбинационного рассеяния света в перспективе поможет определять тип опухоли, его стадию и возможность метастазирования.

Липиды являются структурными компонентами, участвующими в энергетическом метаболизме клеток, регуляции энзимной системы, трансмембранного транспорта, а также пролиферации, дифференцировки и апоптоза клеток. Изменения в метаболизме липидов могут приводить к высокой скорости пролиферации клеток. Липиды, например фосфатидилсерины, можно рассматривать в качестве биомаркеров рака [27, 28]. Фосфатидилхолины и их метаболиты способствуют усилению пролиферации и апоптоза клеток [29]. Изменения в составе фосфолипидов клеток при развитии опухолей могут служить источником информации о заболевании и его прогрессировании [30, 31], соответственно, умение интерпретировать данные метаболизма фосфолипидов в клетках опухолей кожи может служить важным инструментом в ранней диагностике рака, когда опухоль еще не сформировалась, но биомаркеры появились и могут быть зарегистрированы с использованием комбинационного рассеяния света. Подобный анализ может быть применен, например, в диагностике меланомы [31, 32]. Некоторыми авторами описана методика масс-спектрометрии в сочетании со сканирующей электронной микроскопией для визуализации пространственного распределения различных видов молекул, от рогового слоя до дермы. Результаты демонстрируют содержание церамида и насыщенных длинноцепочечных жирных кислот в роговом слое и сульфата холестерина в зоне эпидермиса [33]. Определение компонентов интактной кожи поможет разработать референсные значения ее молекулярного состава для сравнения с опухолями кожи методом спектрального анализа. По содержанию и составу фосфолипидного профиля можно судить о типах рака, в частности при идентификации меланомы [34].

При ПКК может увеличиваться содержание кератина в эпидермисе [35], таким образом, можно использовать его в качестве биомаркера при спектральном анализе. Отдельного внимания заслуживает метаболизм гемоглобина и миоглобина в канцерогенезе [36, 37].

Повреждение ДНК клетки может также способствовать инициации опухолевого роста, при этом изменяется количество нуклеотидов [38, 39]. Немаловажную роль в процессе онкогенеза играет экспрессия определенных микроРНК в клетках кожи, в частности при развитии ПКК и меланомы [40, 41]. При развитии меланомы особое внимание следует обратить на содержание меланина в меланоцитах в сравнительном аспекте с невусами. В частности, важно дифференцировать как злокачественные, так и доброкачественные пигментные и беспигментные новообразования кожи для определения дальнейшей тактики ведения пациента, что возможно в перспективе при определении меланина в клетках кожи методом комбинационного рассеяния света. Поскольку в настоящее время активно развиваются технологии искусственного интеллекта в медицине [42], анализ компонентов ткани кожи с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света может в перспективе быть использован в комбинации с его возможностями для распознавания патологического процесса при формировании опухолей кожи [43].

При знании метаболомики новообразований кожи и других опухолей, возможно, определение качественного и количественного состава тканей методом спектрального анализа поможет установить тип опухоли, ее инвазивность, склонность к метастазированию и прогрессированию. Определение биомаркеров опухолей кожи на ранней стадии методом комбинационного рассеяния света позволит использовать данный метод в качестве скринингового в будущем. Использование базы спектральных данных, полученных методом комбинационного рассеяния света, в совокупности с машинным обучением и искусственным интеллектом может стать полезным вспомогательным инструментарием врача, позволяющим осуществлять дифференциальную диагностику опухолевых заболеваний различной локализации.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: Тимурзиева А.Б.

Написание текста: Тимурзиева А.Б., Зудин А.Б.

Ответственность за целостность всех частей статьи: Тимурзиева А.Б., Зудин А.Б.

Редактирование, дополнения, замечания: Зудин А.Б.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Authors’ participation:

Concept and design of the study: Timurzieva A.B.

Text writing: Timurzieva A.B., Zudin A.B.

Responsibility for the integrity of all parts of the manuscript: Timurzieva A.B., Zudin A.B.

Revising the manuscript, additions, comments: Zudin A.B.