Влияние гипоксии на жизнедеятельность опухолевых клеток и ее коррекция с помощью химических агентов и лекарственных препаратов


Е.И. Асташкин

ГБОУ ВПО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, Москва
В последние годы показано, что одним из важных триггеров образования опухолей из генетически трансформированных клеток является гипоксия. В этом состоянии происходит активация ядерного рецептора, выступающего в качестве клеточного сенсора кислорода – фактора, индуцируемого гипоксией. В обзоре обсуждаются теоретические предпосылки, экспериментальные данные и предположения, что ряд агентов и лекарственных препаратов, увеличивающих поступление кислорода, тормозящих стабилизацию и увеличение уровня фактора, индуцируемого гипоксией, могут потенциально подавлять пролиферацию опухолевых клеток и их метастазирование.

Введение

В настоящее время наблюдается значительное увеличение числа опухолевых заболеваний, которые выступают в качестве одной из главных причин потери трудоспособности и смертности во всем мире. В связи с этим выяснение механизмов канцерогенеза является одной из наиболее важных современных медико-биологических проблем. В последние годы были получены результаты, позволяющие пересмотреть роль гипоксии в образовании сóлидных опухолей. Превращение нормальных клеток в канцерогенные характеризуется не только их морфологическими изменениями, но и перестройкой функциональной активности, а также глубокими изменениями генетического аппарата и метаболизма. Все эти изменения сопровождаются приобретением новых признаков, свойственных опухолевым клеткам. Они перестают отвечать на воздействие различных регуляторных систем, ответственных за согласованную активность клеток в многоклеточном организме; подвергаются многократным мутациям генов на разных этапах существования; характеризуются нестабильностью генома; становятся автономными; делятся неограниченным образом; не дифференцируются; становятся устойчивыми к действию иммунокомпетентных клеток; не удаляются из организма с помощью апоптоза; не подвергаются контактному торможению; становятся инвазивными; образуют метастазы; существуют в условиях длительной ишемии; активируют опухолевый ангиогенез; перестраивают метаболизм, в т.ч. энергетический обмен.

Превращение нормальной клетки в трансформированную – процесс многостадийный. При этом выделяют несколько важных стадий онкогенеза:

  1. Возникновение опухолевой клетки вследствие мутаций ряда генов, прежде всего генов, контролирующих клеточное деление, – стадия инициации.
  2. Активация опухолевой клетки в результате блокады антиопухолевых механизмов, что приводит к делению трансформированной клетки и образованию клона идентичных дочерних клеток, – стадия промоции.
  3. Стадия опухолевого прогрессирования, когда в результате дополнительных мутаций из клеток первичного клона образуются новые клоны клеток, отличающихся по своим свойствам от исходных клеток.

Стадия инициации связана с изменением структуры ДНК и образованием трансформированных клеток. Стадия промоции характеризуется возникновением дополнительных мутаций, нарушением механизмов репарации ДНК в трансформированной клетке, подавлением антиканцерогенной активности, стимуляцией деления такой клетки с участием опухоль-инициирующих факторов и формированием клона канцерогенных клеток из одной материнской клетки. Между первой и второй стадиями могут проходить годы. Третья стадия – это процесс пролиферации видоизмененных клеток первичного клона, подвергшихся дополнительным изменениям генетического аппарата, из которых образуется множество клонов опухолевых клеток, отличающихся по своим свойствам; естественный отбор наиболее жизнеспособных клонов и образование опухоли из таких клонов; малигнизация опухолевых клеток, приобретение способности к инвазии и метастазированию [1].

На этапе промоции трансформированная опухолевая клетка начинает делиться и превращается в недифференцированные, молодые клетки одного клона, которые формируют первоначальный агрегат клеток.

В основе подобной пролиферации лежат разные причины, включая активацию онкогенов или подавление активности антионкогенов, блокаду репарации ДНК и другие регуляторные процессы [2]. Следует особо отметить, что опухолевые клетки не распознаются и не удаляются из организма иммунной системой, при этом ингибируются внеклеточные и внутриклеточные механизмы запуска апоптоза, а также блокируются инактивация и удаление видоизмененных собственных клеток, не выполняющих своей функции. Активация деления трансформированных клеток часто бывает связананой с дополнительными множественными мутациями соответствующих генов и нестабильностью генома трансформированной клетки. Все это способствует развитию этапа прогрессирования опухоли. Новые видоизмененные клоны опухолевых клеток отличаются друг от друга и подвергаются естественному отбору по разным признакам, что способствует выживанию наиболее жизнестойких, приспособленных к конкретным условиям опухолевых клеток с высоким пролиферативным потенциалом, которые формируют макро-опухоль. На этом этапе происходит малигнизация опухолевых клеток и их инвазия в окружающие ткани, а также метастазирование, ответственное за распространение клеток злокачественной опухоли по организму [3, 4].

Мутагены

Превращение нормальной клетки в опухолевую (трансформация клетки) является критическим этапом онкогенеза. Трансформация клетки на этапе инициации и последующих этапах, связанная с изменениями структуры генов, является результатом воздействия мутаций или переноса с помощью вирусов генов человека, контролирующих деление клеток (онкогенов). Мутации, лежащие в основе инициации, возникают в результате воздействия разных причин, включая химические, физические и биологические факторы – мутагены. К химическим мутагенам относятся разнообразные соединения внешней среды – экзогенные мутагены и эндогенные агенты, которые, как и другие мутагенные факторы, влияют прежде всего на собственные неактивные онкогены (прото-онкогены) в геноме человека и переводят их в форму онкогенов. Физические канцерогены, как и химические, весьма разнообразны. Они представлены ионизацирующей радиацией, ультрафиолетовым и ультразвуковым излучениями, механическими и температурными внешними воздействиями. В последние годы особое внимание уделяют радикалам кислорода, которые образуются в клетках при оксидативном стрессе и генерации больших количеств радикалов NO, например, под влиянием индуцибельной формы NO синтазы – iNOS. Такие радикалы генерируются в большом количестве в непосредственной близости от ДНК ядра и кольцевых ДНК митохондрий, они также способны вызывать мутации генов [5].

Многие биологические факторы, инициирующие деление клеток, являются продуктами онкогенов (онкобелками). К таким онкобелкам относятся различные факторы роста клеток: фактор роста эндотелия сосудов (VEGF – Vascular Endothelial Growth Factor), фактор роста тромбоцитов (PDGF – Platelet-derived growth factor, и др). Неадекватное образование факторов роста, а также изменение активности их рецепторов играют важную роль в последующем запуске деления трансформированных клеток и формировании опухолей.

Изменения биологических свойств опухолевых клеток при гипоксии

Опухолевые и высокоагрессивные клетки, быстро растущие сóлидные опухоли начинают подвергаться воздействию гипоксии с самых ранних этапов онкогенеза, начиная с этапа промоции (первичные опухоли 2–3 мм3) и заканчивая опухолевым прогрессированием [3, 4]. Гипоксия опухолей является следствием двух процессов – неадекватно низкого кровоснабжения и высокой скорости использования кислорода при активном делении трансформированных клеток. Важно отметить, что даже после неоваскуляризации опухоли доставка кислорода продолжает отставать от количества кислорода, необходимого для быстрого деления клеток, в связи с чем гипоксия остается характерным признаком опухолевого роста [6].

В течение длительного времени считалось, что гипоксия ответственна исключительно за гибель опухолевых клеток, а восстановление поступления кислорода и его использование для синтеза АТФ в митохондриях способствует увеличению скорости деления канцерогенных клеток, росту опухолей и сопровождается неблагоприятным исходом заболевания. Однако постепенно накапливались результаты, которые свидетельствовали о том, что гипоксия является ключевым рычагом, способствующим делению опухолевых клеток, их выживанию, а с дефицитом кислорода связано не только образование областей некроза в опухолях, но и существенные изменения биологических свойств опухолевых клеток [7].

Гипоксия ответственна за адаптацию и выживание канцерогенных клеток в неблагоприятных условиях. Под влиянием гипоксии происходит естественный отбор жизнеспособных мутантных клеток, деление которых сопровождается образованием различных клонов, из которых в конечном итоге формируется злокачественная опухоль. Большинство механизмов, активируемых гипоксией, участвуют в опухолевом прогрессировании, а одно из следствий ее влияния на клетки связано с их метастазированием.

В результате этих процессов при гипоксии развивается устойчивость к апоптозу и резистентность по отношению к разным видам лечебных воздействий. Таким образом, гипоксия выступает в качестве движущей силы опухолевого прогрессирования [7, 8].

Среди генов, активированных при гипоксии, значительный интерес представляют гены, участвующие в опухолевом ангиогенезе. Снижение активности таких генов тормозит рост опухоли [9]. Однако гипоксия не только стимулирует образование сосудов в опухолях, но и влияет на взаимодействие между опухолевыми клетками, а также на их связь с внеклеточным матриксом. Так, установлено, что гипоксия подавляет экспрессию Е-кадгерина в эндотелиальных клетках микрососудов [10, 11]. Потеря кадгерина, участвующего в межклеточных контактах, рассматривается как начальный этап в опухолевом прогрессировании. Нарушение межклеточного взаимодействия и потеря контактного торможения деления канцерогенных клеток играют также важную роль в их последующем метастазировании. Гипоксия опухоли ответственна за селективный отбор мутантных генов и канцерогенных клеток, устойчивых к развитию апоптоза [12, 13].

Установлено, что повторные эпизоды кратковременной гипоксии приводят к предпочтительному отбору мутаций гена белка р53, что делает этот белок неактивным и подавляет передачу апоптозного сигнала в цитоплазме клеток на эффекторные каспазы.

В результате опухолевые клетки с такой мутацией становятся резистентными к апоптозу, индуцированному гипоксией [11], а также устойчивыми к разным видам лечения, включая лучевую терапию [7].

Внутриклеточные сигнальные процессы, участвующие в канцерогенезе

Гипоксия стимулирует несколько внутриклеточных сигнальных путей, передающих информацию на факторы транскрипции генов, которые поступают в ядро и стимулируют различные гены, в т.ч. онкогены. Продукты таких генов изменяют метаболизм трансформированных клеток, способствуют их озлокачествлению и диссеминации по всему организму. Установлено, что в этих процессах важную роль играют члены семейства митоген-активированных протеинкиназ (МАРК – mitogen-activated protein kinase) [14–16].

Суперсемейство митоген-активированных протеин киназ (МАРКs) состоит из трех основных протеин-киназных семейств:

  1. Протеин киназ, регулируемых внеклеточными сигналами (ERKs – extracellular signal-regulated kinases)).
  2. c-Jun N-теминальных киназ (JNKs – c-Jun N-terminal kinases).
  3. Семейство киназ р38.

Каждое из указанных семейств МАРКs играет важную роль в регуляции клеточного метаболизма, интеграции внутриклеточных сигнальных путей, в экспрессии определенных групп генов. МАРКs контролируют рост, деление, дифференцировку, механизм гибели клеток, в т.ч. апоптоз и его блокаду, а также ответы клеток на разнообразные воздействия, включая температурные, осмотические и оксидативные виды стресса. Установлено, что МАРКs играют одну из ведущих ролей в адаптации клеток к внешним неблагоприятным воздействиям, в т.ч. гипоксии и аноксии [17]. Между внутриклеточными путями МАРКs, контролируемыми разными семействами протеин киназ, существует тесная взаимосвязь: протеин киназы семейства р38, активируемые при стрессах и цитокинами воспаления, в конечном итоге не только влияют на транскрипцию генов, контролирующих ремоделирование хроматина и цитоскелета клеток, но и по перекрестным путям индуцируют активность протоонкогенов с-fos, активацию ATF-2 и c-Jun киназы. Большое значение в активации генов опухолевых клеток при гипоксии имеет внутриклеточный сигнальный каскад, связанный c фосфатидилинозитол 3-киназой (PI3K) и Akt протеин киназой (или протеин киназой В-PKB) [18].

Роль фактора транскрипции генов, активируемого гипоксией, в биологической активности опухолевых клеток

В течение длительного времени природа сенсора гипоксии в эукариотических клетках оставалась неизвестной. В работах последних лет было установлено, что в качестве такого сенсора выступает фактор, индуцируемый гипоксией (HIF – hypoxia-inducible factor). Этот фактор является ядерным рецептором, который активирует транскрипцию более 200 генов, в т.ч. генов, участвующих в опухолевой трансформации и образовании опухолей. Однако продукты таких генов играют критическую роль не только в канцерогенезе, но и в устойчивости к противоопухолевой терапии, в т.ч. к химио- и радиотерапии в условиях гипоксии. Они влияют на энергетический обмен опухолевых клеток (метаболизм глюкозы); адаптацию к гипоксии и их выживание; инвазию и метастазирование; ангиогенез и усиление прорастания мелких кровеносных сосудов непосредственно в опухоль [19]. Гипоксия опухоли увеличивает экспрессию HIF в канцерогенных клетках, стимулирует онкогены, увеличивает скорость роста и деления этих клеток. Доказано, что высокий уровень этого фактора выступает в качестве неблагоприятного индикатора течения болезни и связан с увеличением смертности пациентов при опухолях разных видов, в т.ч. молочной железы, желудка, эндометрия и яичников [36]. Таким образом, гипоксия участвует в локальном и системном прогрессировании опухолей, а также вносит свой вклад в резистентность к радио- и химиотерапии, а HIF является важнейшим регулятором транскрипции различных генов опухолевых клеток.

Фактор транскрипции генов (HIF-1) в активном состоянии представляет гетеродимер, состоящий из двух типов субъединиц, каждая из которых является базисным транскрипционным фактором: кислород-зависимой, индуцибельной HIF-1α субъединицей и конститутивно экспрессируемой HIF-1β (ARNT) субъединицей, ответственной за связывание с ДНК. Регуляция стабильности и активность HIF-1α зависят от наличия кислорода. При нормальном содержании кислорода HIF-1α-субъединица подвергается ковалентным модификациям структуры, сперва гидроксилированию с участием ферментов пролил гидроксилаз (PHDs – Prolyl Hydroxylase Domain isoforms), которые присоединяет гидроксильную группу к остаткам пролила в α-субъединице HIF, а затем происходит взаимодействие с белком VHL (von Hippel-Lindau). Образовавшийся комплекс действует на фермент лигазу, который катализирует многократное присоединение к этой субъединице низкомолекулярного белка убиквитина (рис. 1). Белок VHL является компонентом лигазы, который распознает гидроксилированную форму HIF-1α. Модифицированная таким образом HIF-1α-субъединица поступает на протеасому и разрушается (рис. 2).

Установлено, что при гипоксии активность кислород-зависимых пролил гидроксилаз (PHDs) падает, что увеличивает уровень HIF-1α-субъединицы и ее стабильность. В результате образуются функционально активные гетеродимеры HIF-1, состоящие из HIF-1α/HIF-1β (ARNT – aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator), которые связываются с ДНК и взаимодействуют с коактиватором р300/СВР, регулирующим транскрипцию различных генов [20]. Важно отметить, что в результате действия HIF-1 на ДНК изменяется экспрессия группы генов, в т.ч. ответственных за процессы адаптации и увеличения жизнеспособности опухолевых клеток (например, возрастает образование VEGF, который участвует в опухолевом ангиогенезе).

Помимо этого установлено, что с гипоксией и активацией HIF-1 связана экспрессия генов – переносчиков глюкозы в клетки, а также образование всех ферментов гликолиза в цитоплазме опухолевых клеток разного вида, ответственных за переключение энергетического обмена в опухолевых клетках с окислительного фосфорилирования в митохондриях на гликолиз в цитоплазме. Феномен такого переключения был впервые описан О. Варбургом в 1920-е гг. и получил названия фенотипа Варбурга, характерного для опухолевых клеток [21].

Cнижение активности HIF-1 как новый подход к подавлению роста и метастазирования опухолей

В условиях гипоксии в опухолевых клетках глубокие изменения претерпевают сигнальные пути, регулирующе метаболизм, энергетический обмен, пролиферацию, ангиогенез и клеточную гибель. Выраженная адаптация к гипоксии канцерогенных клеток позволяет им не только выживать и активно расти и делиться, но и проявлять резистентность к терапии. В связи с этим сигнальные пути гипоксии и их мишени выступают в качестве многообещающих новых мишеней для терапевтических воздействий на канцерогенез [7].

Как уже отмечалось, регуляция и активность фактора HIF-1 играет одну из ведущих ролей в жизнедеятельности канцерогенных клеток. В ряде экспериментальных исследований показано, что снижение или подавление активности HIF-1 в опухолевых клетках тормозит их рост и метастазирование. На основании таких результатов было предположено, что воздействие на разные сигнальные пути, а также активность ключевых ферментов, регулирующих HIF-1α и HIF-1, с помощью «антагонистов» HIF-1 позволяет создавать новый тип антиопухолевых лекарственных препаратов [37].

Один из таких подходов основан на блокаде гипоксия-отвечающих элементов (HRE – hypoxia-response element), участвующих во взаимодействии HIF-1 c ДНК. Так, в работе Y. Hasebe и соавт. в результате скрининга был идентифицирован ряд флавоноидов и гомоизофлавоноидов, ингибирующих активацию HRE в условиях гипоксии [22]. Одним из таких активных соединений был метил-офиопогонанон В (МОВ – methyl ophiopogonanone В), в концентрациях 3–9 мкг/мл подавляввший активность HRE. При гипоксии в более высоких дозах МОВ (10–20 мкг/мл) блокировал экспрессию мРНК фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) и снижал его уровень в опухолевых клетках линии HepG2. С помощью антител против HIF-1α (Вестерн блотинга) было показано, что МОВ вызывал дестабилизацию HIF-1α и разрушение белка этой субъединицы, что зависело от активности протеасом и супрессора опухолей р53. Миграция эндотелиальных клеток пупочной вены человека в процессе ангиогенеза также подавлялись МОВ. На основании этих результатов был сделан вывод: антиопухолевое действие МОВ связано с блокадой ангиогенеза.

В другой работе был выбран аналогичный подход для подавления активности HIF-1 [23]. С этой целью в результате скрининга 15 тыс. соединений было отобрано 3, которые эффективно блокировали связывание HIF-1 c ДНК в результате ингибирования элемента, отвечавшего на гипоксию (HRE), участвовавшего во взаимодействии HIF-1 с ДНК. Эти 3 соединения не снижали уровни белка HIF-1α в опухолевых клетках рака молочной железы линии MDA-468, но подавляли рост этих клеток, а также индукцию генов-мишеней HIF-1 при гипоксии, в т.ч. активность гена VEGF. Таким образом, антиканцерогенные эффекты этих трех соединений были обусловлены ингибированием активации генов, контролируемых HIF-1.

Показано также, что связывание ионов железа с помощью хелатных комплексонов и их удаление из пролил гидроксилаз подавляют разрушение HIF-1α-субъединицы и имитируют действие гипоксии на ее стабилизацию. Эти данные свидетельствуют о том, что ионы Fe2+ нужны для взаимодействия ферро-протеина с О2 и играют важную роль в гидроксилировании остатков пролила и последующей деградации HIF-1α [24].

Однако следует отметить, что увеличение доставки в опухолевые клетки кислорода является одним из наиболее эффективных путей естественной регуляции активности HIF-1, в связи с тем что именно наличие кислорода активирует ферменты, ответственные за разрушение HIF-1α, подавление его взаимодействия с HIF-1β и образование активного HIF-1. Таким образом, доставка кислорода в случае карцерогенеза – критический этап, блокирующий активацию HIF-1 и в результате угнетающий образование опухоли и ее метастазирование.

По этой причине целесообразно остановиться на препаратах с выраженным антигипоксантным действием. В связи с этим мы более подробно остановимся на описании свойств депротеинизирванного гемодеривата (Актовегин).

Влияние на гипоксию клеток препаратов биологического типа

Препарат Актовегин, долгое время широко применяющийся в клинической практике для лечения острой и хронической недостаточности церебрального кровообращения, заболеваний периферических вен и артерий, диабетической полиневропатии и ряда других состояний, представляет собой безбелковый гемодиализат крови молочных телят. В состав препарата входит около 200 низкомолекулярных компонентов с молекулярной массой, не превышающей 5000 Да. Благодаря низкому молекулярному весу компонентов Актовегина (пептиды, аминокислоты, инозитолфосфоолигосахариды, сфинголипиды, биогенные амины, полиамины, жирные кислоты, ацилкарнитины и многие другие) они проникают через различные барьеры, включая гематоэнцефалический, и оказывают разнообразные эффекты на клетки как центральной и периферической нервной системы, так и других органов и тканей. Препарат обладает инсулиноподобным действием (активирует систему переносчиков глюкозы через плазматические мембраны клеток и кислород-зависимый энергетический обмен в митохондриях) в условиях ишемии. В условиях гипоксии Актовегин защищает от повреждений и гибели гепатоциты, кардиомиоциты, нейроны и клетки других видов [25, 26].

Ряд авторов отметили также антиоксидантные свойства препарата. Это было продемонстрировано как на первичной культуре нейронов гиппокампа крыс [27], так и на перевиваемых нейронах человека in vitro и фагоцитах крови [28–31]. Так, в ряде наших работ Актовегин эффективно подавлял образование и секрецию радикалов кислорода фагоцитами крови, стимулированных бактериальным трипептидом FMLP (Formyl-Methionyl-Leucyl-Phenylalanine) или форболовым эфиром, которые генерировались мембранным ферментативным комплексом – НАДФН-оксидазной системой [28, 29]. Помимо этого Актовегин снижал внутриклеточный уровень радикалов кислорода, измеренный с помощью флуоресцентного красителя в цитоплазме опухолевых нейронов линии SK-N-SH, подвергшихся воздействию высокой концентрации пероксида водорода (100 мкМ) [30, 31].

Антигипоксантный эффект препарата был продемонстрирован на ряде моделей в эксперименте. Так, Актовегин как антигипоксант усиливал потребление кислорода на моделях изолированных почек и скeлетных мышц лабораторных животных [32, 33].

Механизмы, ответственные за усиление кислород-зависимого метаболизма митохондрий под влиянием гемодиализного экстракта крови телят, были изучены в работе Т. Kuninaka и соавт. [34]. Установлено, что эти эффекты зависели от нахождения митохондрий в разных функциональных состояниях по Б. Чансу, природы используемых митохондриальных субстратов и их концентраций, а также ингибирования АТФазы митохондрий и применения разобщителей окислительного фосфорилирования. На основании полученных результатов авторы пришли к заключению о том, что Актовегин, энергетические субстраты и разобщители влияют на дыхание митохондрий по разным механизмам. Препарат усиливал синтез АТФ и увеличивал потребление кислорода митохондриями, что свидетельствует о его антигипоксическом действии. Таким образом, в основе антигипоксического эффекта Актовегина лежит усиление потребления кислорода митохондриями, которое тесно связано с окислением метаболита глюкозы пирувата в матриксе этих органелл. Эти данные позволяют предположить, что Актовегин, снижая гипоксию митохондрий, увеличивая поступление кислорода в клетку и митохондрии, может потенциально усиливать разрушение субъединицы HIF-1α и предупреждать образование активированного фактора транскрипции генов – HIF-1. В результате не происходит активации HIF-1-зависимых генов, ответственных в т.ч. за экспрессию всех ферментов гликолиза, процесс ангиогенеза и развитие адаптации опухолевых клеток к неблагоприятным условиям гипоксии. Это предположение хорошо согласуется с физиологическими эффектами Актовегина, который улучшает когнитивные процессы в теменной части коры мозга, что способствует восстановлению памяти у пожилых людей. Причиной таких защитных эффектов Актовегина является его положительное действие на нейроны центральной нервной системы при гипоксическом стрессе, улучшение функциональной активности митохондрий нейронов коры мозга и гиппокампа у старых крыс [35], а также снижение генерации радикалов кислорода в этих условиях [27, 28]. В работе Hoyer и соавт. изучали влияние Актовегина на метаболизм глюкозы и энергетический обмен в коре мозга и гиппокампе старых двухлетних самцов крыс Wistar через 15 минут после полной ишемии и последующей реперфузии в течение 60 минут, 24 часов, 48, 72 и 96 часов. После полной ишемии определяли изменения обмена энергетических субстратов путем измерения концентрации глюкозы, лактата, креатин фосфата (CrP) и АТФ, которые первоначально быстро восстанавливались до нормальных значений. Однако уже через 24 часа и в более выраженной форме спустя 48 и 72 часа после начала реперфузии было зарегистрировано нарушение баланса энергетических субстратов, прежде всего в клетках коры мозга, которое сохранялось через 96 часов, когда такие нарушения характеризовались более тяжелой формой в нейронах коры и гиппокампа. Актовегин (20 мг/мл) восстанавливал измененный баланс, наблюдаемый после ишемии/реперфузии в клетках коры мозга и гиппокампе и снижал их повреждающее влияние на клетки, что способствовало выживанию нейронов в этих экстремальных условиях [35].

Связь между HIF-1 и митоген- активируемой киназой р38

В исследовании G. Semenza и соавт. установлена прямая связь между апоптозом, вызываемым ультрафиолетовым облучением (УФ) кератиноцитов человека, и стимуляцией протеин киназы р38МАРК, которая через HIF-1-фактор транскрипции генов и проапоптозный белок Вах контролирует выход цитохрома С из митохондрий в цитоплазму, индуцирующий каскад каспаз, ответственных за разрушение ДНК и формирование апоптоза [36]. Таким образом, сигнальный путь р38МАРК/HIF-1 играет центральную роль в регуляции гибели клеток кожи человека, индуцированной УФ. В одной из наших последних работ на клетках нейробластомы человека линии SK-N-SH in vitro было изучено влияние Актовегина на внутриклеточные сигнальные пути, связанные с участием митоген-активируемой киназы (р38МАРК); киназами, регулируемыми влиянием внеклеточных стимулов на рецепторы (ERKs); фосфатидилинозитол-3 киназой (PI-3K) и c-Jun-N-SH терминальной киназой (JNK) c использованием селективных ингибиторов. Показано, что Актовегин защищал клетки линии SK-N-SH от апоптоза, индуцированного пероксидом водорода (Н2О2); этот эффект был связан с влиянием препарата на сигнальные пути р38МАРК и PI-3K [31]. Эти результаты свидетельствуют о том, что независимо от природы стимула, индуцирующего апоптоз (УФ или Н2О2), одну из главных ролей в этом процессе играет протеин киназа р38, которая контролирует активность HIF-1 не только в нормальных клетках (кератиноциты кожи), но и в сигнальном пути опухолевых перевиваемых нейронов человека линии SK-N-SH.

Заключение

Подводя итог, можно заключить, что ишемия и последующая гипоксия выступают в качестве универсального механизма, в значительной степени ответственного за выживание опухолевых клеток и поддержание их жизнеспособности в неблагоприятных условиях. Эти процессы тесно связаны с развитием ангиогенеза в сóлидных опухолях, изменением энергетического обмена, ответственного за усиление гликолиза, а также закислением цитоплазмы, блокирующим запуск эндогенного механизма апоптоза, опосредуемого митохондриями. Во всех этих процессах участвует активация фактора HIF-1, которая развивается при гипоксии. Увеличение поступления кислорода в опухолевые клетки вызывает деградацию этого кислород-зависимого фактора транскрипции многочисленных генов. В экспериментальных работах было показано, что подавление активации HIF-1 и его взаимодействия с ДНК, достигаемое с помощью различных воздействий, тормозит пролиферацию опухолевых клеток, снижает их метастазирование и жизнеспособность.

В развитии опухолей и их озлокачествлении участвует множество процессов и факторов, одновременное воздействие на которые с помощью поликомпонентных препаратов, по-видимому, должно оказывать более эффективный антиканцерогенный эффект. Одним из новых направлений в этой области является использование в качестве мишени HIF-1, для разрушения которого необходимо увеличить поступление в клетки кислорода с помощью поликомпонентных синтетических или природных антигипоксантов, включая Актовегин. Этот препарат усиливает поступление кислорода в клетки и митохондрии, активирует окислительное фосфорилирование в митохондриях, подавляет внутриклеточную генерацию радикалов кислорода, которые активируют радикал-зависимые сигнальные каскады, контролирующие активацию HIF-1.

Для проверки этого предположения необходимо проведение дополнительных исследований, направленных на выявление уровня ключевых маркеров активности HIF-1 и жизнеспособности опухолевых клеток, подвергшихся длительному воздействию Актовегина в условиях in vitro и in vivo.


Литература


  1. Croce C.M. Oncogenes and cancer. N. Engl. J. Med. 2008;358(5):502–11.
  2. McCubrey J.A., Steelman L.S., Abrams S.L., Misaghian N., Chappell W.H., Basecke J., et al. Targeting the cancer initiating cell: the ultimate target for cancer therapy. Curr. Pharm. Des. 2012;18(13):1784–95.
  3. Yokota J. Tumor progression and metastasis. Carcinogenesis. 2000;21(3):497–503.
  4. Kunz M., Ibrahim S.M. Molecular responses to hypoxia in tumor cells. Mol. Cancer. 2003;2:23.
  5. Pham-Huy L.A., He H., Pham-Huy C. Free Radicals, Antioxidants in Disease and Health. Int. J. Biomed. Sci. 2008;4(2):89–96.
  6. Helmlinger G., Yuan F., Dellian M., Jain R.K. Interstitial pH and pO2 gradients in solid tumors in vivo: High resolution measurements reveal a lack of correlation. Nat Med. 1997;3:177–82.
  7. Harris A.L. Hypoxia-a key regulatory factor in tumour growth. Nature Rev. Cancer, 2002;2:38–47.
  8. Coleman C.N., Mitchell J.B., Camphausen K. Tumor hypoxia: chicken, egg, or a piece of the farm? J. Clin. Oncol. 2002;20:610–15.
  9. Krock Br.L., Skuli N., Celeste S.M. Hypoxia-Induced Angiogenesis:Goode and Evil. Genes& Cancer. 2011;2(12):1117–33.
  10. Abbruscato T.J., Davis T.P. Protein expression of brain endothelial cell E-cadherin after hypoxia/aglycemia: influence of astrocyte contact. Brain Res. 1999;842:277–86.
  11. Graeber T.G., Osmanian C., Jacks T., Housman D.E., Koch C.J., Lowe S.W. Giaccia A.J. Hypoxia-mediated selection of cells with diminished apoptotic potential in solid tumors . Nature. 1996;379:88–91.
  12. Chiche J., Rouleau M., Gounon P., Brahimi-Horn M.C., Pouyssеgur J., Mazure N.M. Hypoxic enlarged mitochondria protect cancer cells from apoptotic stimuli. J. Cel.l Physiol. 2010; 222(3):648–57.
  13. Harrison L.R., Micha D., Brandenburg M., Simpson K.L., Morrow C.J., Denneny O., Hodgkinson C., Yunus Z., Dempsey C., Roberts D., Blackhall F., Makin G., Dive C. Hypoxic human cancer cells are sensitized to BH-3 mimetic–induced apoptosis via downregulation of the Bcl-2 protein Mcl-1. J. Clin. Invest. 2011;121(3):1075–87.
  14. Laderoute K.R., Mendonca H.L., Calaoagan J.M., Knapp A.M., Giaccia A.J., Stork P.J.S. Mitogen-activated protein kinase phosphatase-1 (MKP-1) expression is induced by low oxygen conditions found in solid tumor microenvironment. J. Biol. Chem. 1999;274:12890–97.
  15. Kunz M., Ibrahim S., Koczan D., Thiesen H.J., Koehler H.J., Acker T., Plate K.H., Ludwig S., Rapp U.R. Broecker E.B. Activation of c-Jun NH2-terminal kinase/stress-activated protein kinase (JNK/SAPK) is critical for hypoxia-induced apoptosis of human malignant melanoma. Cell Growth Differ. 2001;12:137–45.
  16. Qiao D., Stratagouleas E.D., Martinez J.D. Activation and role of mitogen-activated protein kinases in deoxycholic acid-induced apoptosis. Carcinogenesis. 2001;22(1):35–41.
  17. Cowan K.J., Storey K.B. Mitogen-activated protein kinases: new signaling pathways functioning in cellular responses to environmental stress. J. of Experimental Biology. 2003;206:1107–15.
  18. Fresno Vara J.A., Casado E., de Castro J., Cejas P., Belda-Iniesta C., Gonzаlez-Barоn M. PI3K/Akt signalling pathway and cancer. Cancer Treat. Rev. 2004;30(2):193–204.
  19. Quintero M., Mackenzie N., Brennan P.A. Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) in cancer. J. Surg. Oncol. 2004;30(5):465–68.
  20. Tal R. The role of hypoxia and hypoxia-inducible factor-1 alpha in preeclampsia pathogenesis. Biology Reproduction. 2012;87(6):1–8.
  21. Garber K. Energy boost: The Warburg effect returns in a new theory of cancer. J. Natl. Cancer Inst. 2004;96:1805–806.
  22. Hasebe Y., Egawa K., Yamazaki Y., Kunimoto S., Hirai Y., Ida Y., Nose K. Specific inhibition of hypoxia-inducible factor (HIF)-1 alpha activation and of vascular endothelial growth factor (VEGF) production by flavonoids. Biol. Pharm. Bull. 2003;26(10):1379–83.
  23. Jones D.T., Harris A.L. Identification of novel small-molecule inhibitors of hypoxia-inducible factor-1 transactivation and DNA binding. Mol. Cancer Ther. 2006;5(9):2193–202.
  24. Fong .G-H., Takeda K. Role and regulation of prolyl hydroxylase domain proteins. Cell Death and Differentiation. 2008;15:635–41.
  25. Buchmayer F., Pleiner J., Elmlinger M.W., Lauer G., Nell G., Sitte H.H. Actovegin: a biological drug for more than 5 decades. Wien Med. Wochenschr. 2011;161(3–4):80–8.
  26. Machicao F., Muresanu D.F., Hundsberger M.H., Pfluger M., Guekht A. Pleiotrophic neuroprotective and metabolic effects of Actovegin’s mode of action. J. Neurol. Sci. 2012;322 (1–2):222–27.
  27. Elmlinger M.W., Kriebel M., Ziegler D. Neuroprotective and antioxidativeeffects of the hemodialysate actovegin on primary rat neurons in vitro. Neuromol. Med. 2011;13(4):266–74.
  28. Асташкин Е.И., Глезер М.Г., Винокуров М.Г., Егорова Н.Д., Орехова Н.С., Новикова А.Н., Грачев С.В., Юринская М.М., Соболев К.Э. Актовегин снижает уровень АФК в образцах крови пациентов с сердечной недостаточностью и уменьшает некроз нейтробластомных клеток человека линии SK-N-SH. Доклады Академии наук. 2013;448(2):232–35.
  29. Асташкин Е.И., Глезер М.Г., Винокуров М.Г., Орехова Н.С., Егорова Н.Д., Новикова А.Н., Юринская М.М., Грачев С.В., Соболев К.Э. Новые подходы к регуляции активности фагоцитов крови и снижение образования радикалов кислорода у пациентов с сердечной недостаточностью. Вестник РАМН. 2014;7–8:100–5.
  30. Юринская М.М., Винокуров М.Г., Асташкин Е.И., Грачев С.В., Орехова Н.С., Новикова А.Н., Соколова И.Н. Снижение нейротоксического эффекта пероксида водорода в эксперименте на перевиваемых нейронах человека при действии гемодиализата крови телят. Вестник Российской академии медицинских наук. 2014;9–10:10–4.
  31. Юринская М.М., Асташкин Е.И. , Грачев С.В., Винокуров М.Г. Актовегин защищает клетки нейробластомы человека SK-N-SH от апоптоза, индуцированного пероксидом водорода через сигнальные пути PI-3K и p38MAPK. Биологические мембраны. 2015;32(5–6):455–60.
  32. Reichel H., Weiss C., Leichtweiss H.P. The effects of a blood extract on the oxygen uptake of isolated artificially perfused kidneys and skeletal muscles in rats. Arzneim Forsch. 1965;15(756):757.
  33. Buchmayer F., Pleiner J., Elmlinger M.W., Lauer G., Nell G., Sitte H.H. Actovegin: a biological drug for more than 5 decades. Wien Med. Wochenschr. 2011;161(3–4):80–8.
  34. Kuninaka T., Senga Y., Senga H., Weiner M. Nature of enhanced mitochondrial oxidative metabolism by a calf blood extract. J. Cell Physiol. 1991;146(1):148–55.
  35. Hoyer S., Betz K. Elimination of the delayed postischemic energy deficit in cerebral cortex and hyppocampus of aged rats with a dried, deproteinized blood extract (Actovegin). Arch. Gerontol. Geriatr. 1989;9(2):181–92.
  36. Semenza G.L. Targeting HIF-1 for cancer therapy. Nature Reviews Cancer. 2003;3:721–32.
  37. Zhang Q., Tang X., Lu Q.Y., Zhang Z.F., Brown J., Le A.D. Resveratrol inhibits hypoxia-induced accumulation of hypoxia-inducible factor-1A and VEGF expression in human tongue squamous cell carcinoma and hepatoma cells. Mol. Cancer Ther. 2005;4(10):1465–74.


Об авторах / Для корреспонденции


Е.И. Асташкин – д.б.н., проф. кафедры патологии, зав. лабораторией экстремальных состояний НИЦ ГБОУ ВПО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова» Минздрава России, Москва; e-mail: ast-med@mail.ru


Похожие статьи


Бионика Медиа