В даний час встановлено, що рак, або злоякісне новоутворення – це хвороба генетичного апарату клітини, яка характеризується тривалими хронічними патологічними процесами, або, простіше кажучи, канцерогенезом, які розвиваються в організмі десятки років. Застарілі уявлення про швидкоплинність пухлинного процесу поступилися місцем більш сучасним теоріям.
Процес перетворення нормальної клітини на пухлинну обумовлений накопиченням мутацій, викликаних ушкодженнями в геномі. Виникнення цих пошкоджень відбувається як внаслідок ендогенних причин, таких як помилки реплікації, хімічна нестабільність основ ДНК та їх модифікація під дією вільних радикалів, так і під впливом зовнішніх факторів хімічної та фізичної природи.
Теорії канцерогенезу
Вивчення механізмів трансформації пухлинної клітини має давню історію. До цього часу було запропоновано безліч концепцій, які намагаються пояснити канцерогенез та механізми перетворення нормальної клітини на ракову. Більшість цих теорій мають лише історичний інтерес чи входять як складова частина у прийняту нині більшістю патологів універсальну теорію канцерогенезу - теорію онкогенів. Онкогенна теорія канцерогенезу дозволила наблизитися до розуміння того, чому різні етіологічні фактори викликають одне за своєю суттю захворювання. Вона стала першою єдиною теорією виникнення пухлин, що включила досягнення в галузі хімічного, радіаційного і вірусного канцерогенезу.
Основні положення теорії онкогенів були сформульовані на початку 1970-х. Р. Хюбнер і Г. Тодаро (R. Huebner і G. Todaro), які висловили припущення, що в генетичному апараті кожної нормальної клітини присутні гени, при несвоєчасній активації або порушенні функції яких нормальна клітина може перетворитися на ракову.
Протягом десяти останніх років онкогенна теорія канцерогенезу і раку набула сучасного вигляду і може бути зведена до кількох принципових постулатів:
- онкогени - гени, які активуються в пухлинах, викликаючи посилення проліферації та розмноження та пригнічення загибелі клітин; онкогени виявляють трансформуючі властивості в експериментах з трансфекції;
- немутовані онкогени діють на ключових етапах реалізації процесів проліферації, диференціювання та програмованої загибелі клітин, перебуваючи під контролем сигнальних систем організму;
- генетичні ушкодження (мутації) в онкогенах призводять до вивільнення клітини від зовнішніх регулюючих впливів, що є основою її неконтрольованого поділу;
- мутація в одному онкогені практично завжди компенсується, тому процес злоякісної трансформації потребує поєднаних порушень у кількох онкогенах.
Канцерогенез має й інший бік проблеми, що стосується механізмів стримування злоякісної трансформації та пов'язана з функцією так званих антионкогенів (супресорних генів), які в нормі мають інактивуючу дію на проліферацію та сприяють індукції апоптозу. Антионкогени здатні викликати реверсію злоякісного фенотипу в дослідах трансфекції. Практично кожна пухлина містить мутації в антионкогенах як у формі делецій, так і мікромутацій, причому інактивуючі ушкодження супресорних генів зустрічаються набагато частіше, ніж мутації, що активують в онкогенах.
Канцерогенез має молекулярно-генетичні зміни, які складають такі три основні компоненти: активуючі мутації в онкогенах, інактивуючі мутації в антионкогенах, а також генетична нестабільність.
У загальному плані канцерогенез розглядають на сучасному рівні як наслідок порушення нормального клітинного гомеостазу, що виражається у втраті контролю над розмноженням та у посиленні механізмів захисту клітин від дії сигналів апоптозу, тобто запрограмованої смерті клітини. В результаті активації онкогенів та виключення функції генів-супресорів ракова клітина набуває незвичайних властивостей, що проявляються в імморталізації (безсмертності) та здатності долати так зване реплікативне старіння. Мутаційні порушення у раковій клітині стосуються груп генів, відповідальних за контроль над проліферацією, апоптозом, ангіогенезом, адгезією, трансмембранними сигналами, репарацією ДНК та стабільністю геному.
Які стадії має канцерогенез?
Канцерогенез, тобто розвиток раку, проходить у кілька стадій.
Канцерогенез першої стадії – стадія трансформації (ініціації) – процес перетворення нормальної клітини на пухлинну (ракову). Трансформація є результатом взаємодії нормальної клітини з агентом, що трансформує (канцерогеном). Протягом І стадії канцерогенезу відбуваються незворотні порушення генотипу нормальної клітини, внаслідок чого вона переходить у схильне до трансформації стан (латентна клітина). Протягом стадії ініціації канцероген або його активний метаболіт взаємодіє з нуклеїновими кислотами (ДНК та РНК) та білками. Пошкодження у клітині можуть мати генетичний чи епігенетичний характер. Під генетичними змінами розуміють будь-які модифікації в послідовностях ДНК або хромосом. До них відносять пошкодження або перебудову первинної структури ДНК (наприклад, генні мутації або хромосомні аберації), або зміни кількості копій генів або цілісності хромосом.
Канцерогенез другої стадії - стадія активації, або промоції, суть якої полягає у розмноженні трансформованої клітини, утворенні клону ракових клітин та пухлини. Ця фаза канцерогенезу на відміну стадії ініціації оборотна, по крайнього заходу, на ранньому етапі неопластичного процесу. Протягом промоції ініційована клітина набуває фенотипічних властивостей трансформованої клітини в результаті зміненої генної експресії (епігенетичний механізм). Поява в організмі ракової клітини не призводить з неминучістю до розвитку пухлинної хвороби та загибелі організму. Для індукції пухлини потрібна тривала і відносно безперервна дія промотора.
Промотори мають різноманітний вплив на клітини. Вони впливають на стан клітинних мембран, що мають специфічні рецептори до промоторів, зокрема активують мембранну протеїнкіназу, впливають на клітинну диференціювання та блокують міжклітинні зв'язки.
Зростаюча пухлина не є застиглим, стаціонарним утворенням з постійними якостями. У процесі зростання її властивості постійно змінюються: якісь ознаки губляться, якісь виникають. Ця еволюція властивостей пухлини отримала назву «пухлинна прогресія». Прогресія – це третя стадія пухлинного росту. Нарешті, четверта стадія – результат пухлинного процесу.
Канцерогенез не тільки викликає стійкі зміни генотипу клітини, але й надає різноманітний вплив на тканинному, органному та організмовому рівнях, створюючи у ряді випадків умови, що сприяють виживанню трансформованої клітини, а також подальшому зростанню та прогресії новоутворень. На думку деяких учених, ці умови виникають унаслідок глибоких порушень функцій нейроендокринної та імунної систем. Деякі з таких зрушень можуть змінюватись в залежності від особливостей канцерогенних агентів, що може бути обумовлено, зокрема, відмінностями в їх фармакологічних властивостях. Найбільш загальними реакціями на канцерогенез, суттєвими для виникнення та розвитку пухлини, є зміни в рівні та співвідношенні біогенних амінів у центральній нервовій системі, зокрема в гіпоталамусі, що позначаються, серед іншого, на гормонально-опосередкованому посиленні клітинної проліферації, а також порушення вуглеводного та жирового. обміну, зміни функції різних ланок імунної системи.
Канцерогенез – це тривалий багатоетапний процес виникнення та розвитку пухлини, індукований впливом канцерогенів. Передбачається, що будь-яка пухлина розвивається з одиничної клітини (клонова теорія), яка в процесі малігнізації піддається послідовній трансформації.
1 стадія канцерогенезу – ініціація.
Суть цієї стадії полягає в тому, що відбуваються незворотні порушення генотипу нормальної клітини і вона переходить у стан, схильний до трансформації. В основі ініціації лежить взаємодія канцерогену з клітинною ДНК, в результаті якого відбувається активація протоонкогену та перетворення його на онкоген. Активовані онкогени починають продукувати онкобілки, які у різний спосіб блокують регулюючі фактори проліферативної активності. Внаслідок цього у клітини з'являється основна ознака злоякісності – неконтрольоване організмом розмноження (поділ), тобто автономність зростання.
Отже, в стадію ініціації передпухлинна (ще латентна) клітина набуває наступних спадково закріплених властивостей:
1. іммортальність – здатність до необмеженого розмноження
2. блокування термінальної стадії диференціювання клітини
3. здатність до промоції.
2 стадія канцерогенезу – промоція
Ініційована клітина під впливом певних факторів промоторів починає швидко розмножуватися, утворюючи колонію клітин (пухлина).
Характерна особливість впливу промоторів:
1. реалізація їх можлива лише за тривалому впливі;
2. припинення дії промотора на певному етапі може призвести до оборотності процесу канцерогенезу.
Як промотори можуть бути хімічні сполуки як екзогенної, так і ендогенної Природи (гормони, жовчні кислоти, біологічно активні пептиди тощо). Зазначається певна органотропність промоторів. Так, специфічним промотором гепатоканцерогенезу є фенобарбітал, рак шкіри – форболові ефіри: пухлин молочної залози, матки – естрогени тощо.
Сутність промоторних змін полягає в реалізації потенцій малігнізованих (латентних) клітин (інактивація генів-супресорів).
Таким чином, промоція – це процес закріплення генетичних порушень, що виникли в нових поколіннях клітин.
3 стадія - прогресія пухлини.
Прогресія опухали – це якісні зміни структури та функції пухлинної тканини, що призводять до збільшення відмінностей між нею та вихідною нормальною тканиною.
У процесі зростання та розвитку пухлини вона набуває більш злоякісного характеру: знижується диференціювання, спрощуються функції та антигенна структура, підвищується активність до метастазування.
Факторами, що сприяють професії пухлини, можуть бути дії токсичних речовин, гормонів, інфекції, у тому числі вірусної природи, порушення метаболізму, імунологічного контролю та ін.
В основі прогресії пухлини лежить явище гетерогенізації, тобто здатність злоякісних клітин до мінливості та утворення різних клітинних варіантів – одна з підступних властивостей пухлини. Тому рак, що розвинувся з однієї малігнізованої клітини, на час клінічного прояву є складною популяцією фенотипно і генетично гетерогенних клітин. У зв'язку з цим популяції злоякісних клітин однієї й тієї ж пухлини розрізняються по метастатичному потенціалу, радіорезистентності, чутливості до протипухлинних препаратів і т. д., що створює значні труднощі у лікуванні подібних пацієнтів та суттєво знижує ефективність його.
Канцерогенез – тривалий процес накопичення генетичних ушкоджень. Латентний період (час від початкових змін у клітині до перших клінічних проявів) може тривати до 10-20 років. Виникнення пухлини - це багатостадійний процес, що включає 3 етапи (стадії):
І етап - ініціація (Трансформація) - придбання вихідної нормальної клітини здатності безмежно розмножуватися. Всі теорії, що історично підготували базу для відкриття молекулярних механізмів канцерогенезу, виходили із загальної посилки, що перетворення нормальної клітини на пухлинну (трансформація, або ініціація) є результатом стійких змін у геномі клітини - мутації одного з генів, що регулюють клітинне розмноження. Внаслідок цього клітина стає ініційованою (потенційно здатною до необмеженого розмноження), але вимагає прояви цієї здатності низки додаткових умов. Ініціюючими факторами є різні канцерогени, що викликають пошкодження ДНК.
Які ж сучасні уявлення про молекулярні механізми канцерогенезу? На сьогодні встановлено, що в нормальних клітинах ДНК є ділянка гомологічна за іуклеотидним складом онкогену вірусів, а точніше - для кожного з 20 відомих ретровірусних онкогенів у геномі нормальних і пухлинних клітин різних видів тварин є свій клітинний аналог.У нормальних клітинах клітинний аналог вірусного онкогену неактивний та названий протоонкогеном.У пухлинних клітинах він активний і називається клітинним онкогеном.
Перехід неактивного клітинного онкогену (протоонкогену) в активний онкоген клітинний відбувається під впливом хімічних, фізичних і біологічних канцерогенів. Виділяють 4 основні механізми активації протоонкогенів:
1. Увімкнення (вставка) промотора. Промотор – це ділянка ДНК, з якою зв'язується РНК-полімераза, ініціюючи транскрипцію онкогену. Прояву активуючої дії промотора сприяє його розташування поруч з протоонкогеном («в безпосередній близькості»). У ролі промоторів для протоонкогенів можуть виступати ДНК-копії певних ділянок онкорнавірусів, а також «стрибають гени», які є мобільними сегментами ДНК, здатні переміщатися і вбудовуватися в різні ділянки геному клітин.
2. Ампліфікація, тобто. збільшення числа (копій) протоонкогенів, які в нормі мають невелику активність. У результаті загальна активність протоонкогенів значно зростає, що зрештою може призвести до пухлинної трансформації клітини.
3. Транслокація протоонкогенів. Встановлено, що переміщення протоонкогену в локус з промотором, що функціонує, перетворює його в клітинний онкоген.
4. Мутації протоонкогенів. Введення в геном клітини хоча б однієї копії клітинного онкогену (мутація) супроводжується активацією протоонкогенів.
Слідом за перетворенням протоонкогенів на активні клітинні онкогени починається експресія активних клітинних онкогенів. Вона проявляється у збільшенні синтезу онкобілків або у синтезі структурно змінених онкобілків. Потім починається перетворення (трансформація) нормальної клітини на пухлинну завдяки наступним механізмам:
а) онкобілки з'єднуються з рецепторами для факторів росту та утворюють комплекси, що постійно генерують сигнали до поділу клітин;
б) онкобілки підвищують чутливість рецепторів до факторів росту або знижують чутливість до інгібіторів росту;
в) онкобілки самі можуть діяти як фактори зростання.
Говорячи про трансформацію непухлинних клітин на пухлинні, слід зупинитися на гіпотезі Х'югса, яка певною мірою відповідає питанням, яким чином пухлинна клітина стає «безсмертною», тобто. втрачає ліміт Хейфліка і набуває здатності до постійного поділу. Згідно з цією гіпотезою, регуляція поділу в кожній клітині здійснюється системою, що складається з трьох регуляторних генів:
1. Ген-ініціатор клітинного поділу, що кодує синтез білка – ініціатора клітинного поділу.
2. Ген-репресор I, який кодує синтез білка – репресора I. Репресор I вимикає функціонування гена-ініціатора клітинного поділу.
3. Ген-репресор II, що кодує синтез білка – репресора II. Репресор II вимикає функціонування гена-репресора I.
При активації гена-репресора I синтезується репресор I, який вимикає ген-ініціатор клітинного поділу, в результаті припиняється синтез білка-ініціатора клітинного поділу, і поділ клітин припиняється. У свою чергу ген-репресор I знаходиться під контролем гена-репресора II, який кодує синтез репресора II, а він інгібує ген-репресор I. І далі, компоненти білка ініціатора клітинного поділу здатні вимикати (репресувати) ген-репресор II.
Таким чином, система регуляції клітинного поділу працює за принципом зворотного зв'язку, що забезпечує їй автономність та певну інтенсивність клітинного поділу. «Зворотний зв'язок» у роботі системи генів, що регулюють клітинний поділ, полягає в репресії гена-репресора II компонентами ініціатора клітинного поділу.
При пошкодженні гена-репресора I (вплив радіації чи хімічних канцерогенів) білок репресор I не синтезується, отже ген-ініціатор клітинного поділу постійно продукує ініціатор клітинного поділу - у результаті відзначається постійне нескінченне поділ пухлинних клітин. Це так званий мутаційний канцерогенез .
Деякі канцерогенні фактори, наприклад, віруси можуть створювати стійке порушення нормальної регуляції геному соматичної клітини господаря шляхом інтеграції з геном-репресором II цієї клітини. В результаті цього ініціатор клітинного поділу може вимкнути тільки ген-репресор II господаря, а на вірусному гені, інтегрованому поряд з геном-репресором II в клітину господаря, продовжуватиметься синтез репресора II - у результаті відбуватиметься нестримне розподіл клітин (пухлинних). Такий канцерогенез називається епігеномним (Геном клітини господаря не піддається мутації!).
ІІ етап - промоція, або активізація пухлинних клітин. Трансформовані клітини тривалий час можуть залишатися в тканині в неактивній формі, а додатковий вплив до канцерогенних факторів запускає ампліфікацію онкогенів, активує нові протоонкогени, викликає додаткові генні та хромосомні аберації, зумовлює включення промотора. Промотори -безліч хімічних речовин, які самі не викликають пошкодження ДНК і не є канцерогенами, але їх постійний вплив на ініційовані клітини призводить до пухлини. Внаслідок цього пухлинні клітини, які до цього перебували в латентному стані, починають інтенсивно розмножуватися, утворюючи первинний пухлинний вузол. Головне в промоції - стимуляція клітинного поділу, внаслідок чого створюється критична маса ініційованих клітин, що зумовлює вивільнення ініційованих клітин з-під тканинного контролю та сприяє мутаційному процесу.
ІІІ етап - пухлинна прогресія, або стійкі якісні зміни властивостей пухлини у бік малігнізації, що виникають у міру її зростання. Пухлинна прогресія - це не просто збільшення пухлини в розмірах, це якісна зміна її частини з появою по суті нової пухлини, що володіє властивостями, що раніше відсутні, що може бути пов'язане з відбором клітинних клонів, а також з мутацією пухлинних клітин. Прогресія пухлини здійснюється у вигляді відбору клітинних популяцій зі своїми безперервним розвитком у бік дедалі більшої автономії, деструктивного зростання, інвазивності, здатність до утворення метастазів і разючу пристосовність до мінливих умов існування.
Пухлинна прогресія на відміну диференціювання нормальних тканин відбувається незалежно і несопряженно (В.С. Шабад, 1980), тому розвиток пухлини ніколи не можна вважати завершеним. Прогресія стосується і первинних, і вторинних ознак. Первинною чи «невід'ємною» ознакою пухлини є нерегульоване зростання, а інші властивості: швидкість росту, інвазивність пухлини, метастазування тощо, це «вторинні» властивості або ознаки, які якраз і змінюються в ході прогресії.
Трансформації нормальних клітин у пухлинні, промоції та пухлинної прогресії сприяють ряд факторів: зниження антибластомної резистентності та протипухлинного імунітету (імунодепресія, імунодефіцит), ослаблення «кейлонного нагляду» за пухлиною, ендокринний дисбаланс, гормонально-метабол.
Пухлинний атипізм
Для пухлин характерний атипізм - Відмінності пухлинних клітин від нормальних. Він проявляється у відносній автономності росту, особливостях розмноження, диференціювання, метаболізму, структури, функції та антигенного набору пухлинних клітин.
1. Однією з причин відносною автономності зростання пухлини, збільшення її маси є посилена експресія канцерогенами ряду протоонкогенів(гомологів онкогенів ретровірусів), що кодують синтез пухлинної клітиною онкопродуктів, які нерідко гомологічні факторам росту, їх рецепторам та білкам, що беруть участь у пострецепторній передачі мітогенного сигналу. Пухлинні клітини мають здатність продукувати власні фактори росту шляхом так званої аутокринної секреції. Це α- та β-трансформуючі фактори, епідермальний фактор росту, інсуліноподібні фактори росту І та ІІ.
Ці фактори або регуляторні пептиди, що продукуються найпухлиннішою клітиною, забезпечують утилізацію енергетичних і пластичних субстратів з навколишнього середовища і включають механізми поділу пухлинної клітини. Ростові фактори, що продукуються пухлиною, стимулюють подальше зростання маси пухлини і знижують потребу новоутворення в екзогенних факторах росту. Вважають, що саме аутокріїна секреція факторів зростання лежить в основі відносної автономності пухлини, її незалежності від регуляторних зовнішніх факторів.
2. Метаболічний та енергетичний атипізм. До цього часу не вдалося виявити якісних змін метаболізму пухлинних клітин, які б відрізняли їх від нормальних. Усі виявлені зміни у пухлинних клітинах носять кількісний характерта стосуються змін концентрації сполук, активності ферментів, розміру транспорту метаболітів та інших величин. Ці зміни метаболізму пухлинних клітин є наслідком порушення регуляторних процесів у них, причому величина змін метаболізму безпосередньо пов'язана зі швидкістю росту пухлини.
Особливості метаболізму вуглеводів.Типовим для пухлинних клітин є анаеробний гліколіз – розщеплення глюкози до лактату у присутності кисню. Причиною активації анаеробного гліколізу вважається нестача коферментів, особливо НАД, КоА-SН та тіамінпірофосфату, що перешкоджає аеробному розпаду глюкози в пухлинній клітині. Дуже характерно, що розпад вуглеводів до пірувату та його перетворення на лактат відбувається у присутності кисню (цей феномен отримав назву негативного ефекту Пастера). Якщо є нестача глюкози (головного енергетичного субстрату пухлинних клітин), про що свідчить гіпоглікемія,зустрічається при різноманітних пухлинах, вони здатні окислювати й інші субстрати.
Найчастіше гіпоглікемія є наслідком продукції інсуліноподібних факторів зростання (ІФР-1 та ІФР-II) самою пухлиною. Гени інсуліну кодують утворення проінсуліну (неактивний попередник інсуліну), структура якого подібна до двох інсуліноподібних факторів росту, які утворюються в печінці. Найбільша концентрація ІФР-1 виявлена в печінці, нервовій системі, оці, легенях, серці, скелетних м'язах, яєчках, тимусі, лімфовузлах, жировій тканині, підшлунковій залозі.
Крім того, причинами паранеопластичної гіпоглікемії можуть бути: підвищена продукція соматостатину та інгібіторів інсулінази, гальмування глікогенолізу в печінці, блокування глюконеогенезу та підвищене споживання глюкози пухлиною.
Для пухлинних клітин характерно низький вміст мітохондрій, що зменшує інтенсивність тканинного дихання та змінює спосіб ресинтезу АТФ, а саме: збільшується частка АТФ, що утворюється в ході гліколізу та зменшується частка АТФ, що синтезується у процесі тканинного дихання. Загальна продукція АТФ у пухлинній клітині знижена порівняно з нормальною.
Посилення гліколізу в пухлинних клітинах зумовлює їх високу виживання за умов гіпоксії.
Зі збільшенням розмірів пухлини прогресивно погіршується її васкуляризація, що також посилює анаеробний гліколіз. В пухлинних клітинах активується обмін глюкози по пентозофосфатному шунту через аеробну (за участю глюкозо-6-фосфатдегілрогенази) та анаеробну (за участю трансальдолази та транскетолази) гілки цього процесу, що забезпечує підвищену продукцію рибозокленов кислот.
У пухлинних клітинах у кілька разів збільшується активність гексокінази, фосфофруктокінази та піруваткинази – гліколітичних ферментів (у результаті накопичуються недоокислені продукти), а активність ферментів глюконеогенезу (глюкозо-6-фосфатаза, фруктозо-1,6-дифосфазаза) а. І тим не менш, глюконеогенез у пухлинних клітинах протікає з більшою швидкістю, ніж у нормальних. Субстратом цього процесу є амінокислоти. Слід зазначити, що ферменти глюконеогенезу мають велику спорідненість до субстратіві гірше піддаються гормональній регуляції.
Для злоякісного зростання типовим є знижена відповідь глікемії на інсулін і знижена відповідно до цього толерантність до глюкози. Враховуючи, що синтез та вивільнення інсуліну з клітин підшлункової залози при пухлинному зростанні не змінюється, порушення слід шукати на рівні рецепторів клітинних мембран.
Особливості білкового метаболізму.Обмін білків порушується у пухлинних клітинах, а й у організмі, ураженому злоякісним ростом. На рівні пухлинних клітин інтенсифікується синтез онкобілків(«пухлинних» або «пухлинних» білків), які зумовлюють появу у пухлинних клітин характерних біологічних властивостей: безконтрольність поділу, втрата ліміту Хейфліка, імморталізація (безсмертя) та ін.
Синтез онкобілків програмується активними клітинними онкогенами і дуже малих кількостях - їх неактивними попередниками, іменованими протоонкогенами.Активні онкогени виявляються лише в пухлинних клітинах, а протоонкогени – у всіх нормальних клітинах. У пухлинних клітинах відзначається зменшення синтезу та вмісту гістонів – білків-супресорів синтезу ДНК.
На збільшення швидкості синтезу білка в пухлинних клітинах впливає підвищена проникність цитоплазматичних мембран для деяких ключових субстратів цього процесу. Пухлинні клітини видаються "пащею, відкритою для білків".Вони вилучають необхідні, незамінні амінокислоти з крові без будь-якого регулювання цього процесу, впливаючи цим на стан здорових клітин. Результатом цього стає не лише швидке зростання пухлинних клітин, а й негативний азотистий баланс організму, що, як правило, супроводжується швидким зниженням маси тіла та розвитком кахексії. Крім того, пригнічуються процеси дезамінування та переамінування.
Зміни білкового складу кровіу осіб з пухлинним процесом можна розділити на 2 групи:
1. Зміна кількісного співвідношення природних білків плазми.
2. Поява білків нових типів, пов'язаних із виникненням або перебігом пухлинного росту.
Знижується синтез і концентрація сироваткового альбуміну і підвищується синтез α 1 , α 2 і β-глобулінів. Насамперед, це відноситься до α 1 - глікопротеїду, α 1 -антитрипсину, церулоплазміну і трансферину, у збільшенні вмісту яких у сироватці крові істотну роль відіграють внутрішньоклітинні гідролази, що звільняються, при розпаді пухлинних і непухлинних клітин.
Розвиток злоякісного зростання в деяких органах супроводжується появою білків, синтез яких мав місце лише в ембріональному періоді: альфа-фетопротеїн, канцероембріональний антиген та хоріонгонадотропін. Альфа-фетопротеїн синтезується ембріональними гепатоцитами і знаходиться у сироватці ембріона. У сироватці крові дорослої людини цей білок виявляється при гепатоцелюлярному раку печінки, тератобластомі яєчка та яєчника. Він здатний специфічно пов'язувати стероїдні гормони та один із ізоферментів лужної фосфатази.
Підвищений вміст хоріонгонадотропіну відзначається під час вагітності, але якщо його вміст зростає без вагітності, слід шукати трофобластичні пухлини.
Найбільш вивченим при канцерогенезі та розвитку пухлини виявився метаболізм нуклеотидів та нуклеїнових кислот. Встановлено, що одним із перших проявів злоякісної трансформації є експресія генів, відповідальних за кодування ключових ферментів анаболічних та катаболічних процесів. При цьому спочатку значно підвищується активність ферментів, що беруть участь в анаболічних процесах, тому в пухлинних клітинах підвищується синтез нуклеїнових кислот, відзначається їх надмірне накопичення, що характерне для злоякісного зростання. Активність ферментів, що у катаболічних процесах, спочатку пухлинного зростання знижується (а організмі підвищуються, і посилюються катаболічні процеси), та був підвищується.
Особливості метаболізму ліпідів.В організмі, ураженому злоякісним зростанням, ліпіди виконують роль джерела енергії та субстратів для утворення складних ліпідів, що беруть участь у побудові та в обміні фосфоліпідів цитоплазматичних мембран. У першому випадку в метаболізмі немає ніяких відхилень: ліполіз відбувається звичайними шляхами і регулюється гормонами, але поступово запаси нейтрального жиру вичерпуються. Оскільки при цьому не відзначається, як правило, підвищення в крові кетонових тіл, можна вважати, що процес їх розпаду є аеробним.
Структурні ліпіди, фосфоліпіди, що утворюють цитоплазматичні мембрани в пухлинних клітинах, за своїм якісним складом принципово не відрізняються від таких і нормальних клітинах. Відзначається лише деяке спрощення їх полісахарид кого компонента. Виявляються також кількісна відмінність у представництві окремих видів фосфоліпідів, що входять до мембран різних пухлинних клітин.
Загальний вміст фосфоліпідів у пухлинних клітинах підвищено, прискорено їхній метаболічний обіг. Це з швидким синтезом і розподілом клітин, котрій необхідною умовою є швидкий синтез ліпідних компонентів мембран. Звідси і прискорений метаболізм ліпідів у мікросомальній фракції, де їх молекули утворюються. Аналогічно змінюється синтез холестерину.
Дуже характерний для пухлин феномен субстратних пасток.Він полягає у посиленому захопленні та використанні субстратів для енергоутворення (глюкози), для побудови цитоплазми (амінокислот – звідси «пастка азоту») клітинних мембран (холестерину), для захисту від вільних радикалів та стабілізації мембран (антиоксидант α-токоферол). Ця особливість підвищує виживання пухлинних клітин при контакті їх з нормальними клітинами в умовах інвазивного росту та метастазування.
3. Фізико-хімічний атипізм проявляється збільшенням вмісту в пухлинних клітинах води та деяких електролітів. Збільшення вмісту води полегшує дифузію субстратів метаболізму всередину клітини та її продуктів назовні. Далі, в пухлинах у перерахунку на суху масу або білковий азот підвищується вміст іонів натрію і кальцію (в пухлинній клітині), меншою мірою - калію і значно знижується концентрація магнію.
Збільшення вмісту калію в пухлинній клітині перешкоджає певною мірою розвитку внутрішньоклітинного ацидозу у зв'язку з посиленням гліколізу та накопиченням молочної кислоти. Концентрація іонів водню збільшується в периферичній, зростаючій зоні пухлини завдяки інтенсивному гліколізу і зменшується в зоні, що некротизується, зазвичай розташованої центрально, завдяки виходу з структур пухлинних клітин, що розпадаються, великих кількостей калію і білка.
В організмі-носія пухлини відзначається тенденція до розвитку алкалозу. Вважають, що механізм його розвитку пов'язаний із компенсаторним перерозподілом (у відповідь на резорбцію з пухлини в кров лактату) лужних катіонів із тканин у кров.
У некротично зміненій пухлині вивільняються жирні кислоти, які зв'язуються з іонами кальцію, утворюючи солі (мила) і тим самим сприяють збільшенню іонів кальцію в пухлинній тканині. Зниження іонів калію характерне для пухлин, що відрізняються високою продукцією муцинів (наприклад, аденокарциноми яєчників), які пов'язують іони калію. При швидкій втраті маси тіла та при розвитку кахексії внаслідок руйнування великої кількості клітинних структур калію багато виділяється із сечею.
Зміни концентрації кальцію зазвичай вторинні та супроводжують пухлини ендокринних залоз або метастази в кістки. Часто відзначається недостатність заліза, що відіграє у виникненні залізодефіцитної анемії.
Підвищується величина негативного заряду поверхні пухлинних клітин внаслідок накопичення на ній аніонів нейрамінової кислоти, що сприяє збільшенню їх взаємного відштовхування та проникненню міжклітинними щілинами в нормальні тканини. Підвищується також електропровідність та знижується в'язкість клітинних колоїдів.
В останні роки встановлено, що пухлинні клітини випромінюють мітогенетичні промені- Ультрафіолетові промені з довжиною хвилі 190-325 нм. Вони генеруються всіма клітинами, але найінтенсивніше - діляться. Ці промені здатні стимулювати поділ сусідніх клітин. Вони відкрили А.Г. Гурвіч і отримали назву мітогенетичних променів Гурвіча. У крові тварин, які страждають на пухлини, виявляються речовини, що інгібують мітогенетичне випромінювання пухлинних клітин. Їх назвали гасниками мітогенетичних променів.
4. Морфологічний атипізм ділять на тканинний та клітинний. Тканинний атипізм сам по собі, без клітинного атипізму, характерний тільки для доброякісних пухлин і полягає в порушенні нормального співвідношення тканинних структур, у нерівномірності волокнистих або м'язових пучків, у освіті неправильних і нерівномірних залозистих ходів, у відсутності вивідних проток у пухлин залізистого.
Клітинний атипізм.Пухлинна клітина як така несе рис специфічності, але з сукупності структурно-функціональних якостей вона відрізняється від нормальної клітини організму, тобто. вона атипова.Морфологічна атипія пухлини може виражатися у порушенні органотипічної, гістотипічної та цитотипічної диференціювання.
Для доброякісних пухлин характерні дві перші ознаки; для злоякісних пухлин характерним є насамперед порушення цитотипічної диференціювання, що відображає появу пухлинного росту на рівні клітини та її органоїдів. На світлооптичному рівні морфологічні ознаки атипії клітин виражаються в їх поліморфізмабо мономорфізм.Поліморфізм стосується ядер, ядерців. Виявляється гіперхроматоз ядер, «грудкуватий» хроматин, поліплоїдія, порушення ядерно-цитоплазматичного індексу (через укрупнення ядра), велика кількість мітозів з переважанням серед них патологічних.
Поряд з атипією, що виявляється дедиференціюванням, анаплазією, катаплазією, відзначаються ознаки диференціювання пухлинних клітин з утворенням у них специфічних структур. Диференціювання пухлинних клітинзавжди неповна, атипова та афункціональна, але продукти диференціювання дозволяють встановити тканинну приналежність пухлини, а нерідко - іїї гістогенез.
Диференціювання виражається у появі структур, притаманних нормальних клітин даної тканини і органа. Вона супроводжується змінами функції клітин та проявляється у формі вироблення специфічних структурних білків (колагену, міозину), секретів (слизу), гормонів (паратгормон, глюкагон), змін активності ферментів (фосфорилази) та ін.
Ультраструктура пухлинної клітини.Специфічних електронно-мікроскопічних змін, притаманних пухлинних клітин, не виявлено. Описувана зазвичай дезорганізація цитоплазми, переважання в ній вільних рибосом, збільшення ядра, інвагінація ядерної оболонки та зміни мітохондрій зустрічаються далеко не у всіх пухлинах, а якщо і виявляються, то далеко не у всіх клітинах цієї пухлини. Усе це свідчить, на думку академіка Д.С. Саркісова, про те, що пухлинна клітина робить не «крок назад», а «крок убік», що Р.Вепеке назвав "катаплазією".
Катаплазія(Пріставка «ката» означає рух вниз) - поява слабодиференційованих або недиференційованих клітин, схожих на ембріональні. Пухлина може втрачати частково або повністю тканинно-специфічні ознаки.
Було б важливим помилкою намагатися описати ультраструктурную організацію пухлинної клітини взагалі, тобто. якийсь середньої, єдиної всім пухлин клітини. І тим не менш виділяють 2 особливості пухлинних клітин: ультраструктурну органоспецифічність та ультраструктурний поліморфізм. Вкрай рідко пухлини мають мономорфну ультраструктуру. Вони дуже різноманітні - в одній і тій же пухлині зустрічаються клітини, що знаходяться на різних рівнях диференціювання та функціонального дозрівання. Ось тому в пухлинах можна виявити 2 групи клітин:
5. Антигенний атипізм пухлини полягає в різноспрямованих змінах антигенного складу її клітин: антигеном спрощенні та появі нових антигенів.Під антигенним спрощенням розуміють втрату пухлинними клітинами антигенів, наявних у нормально нормальних клітинах. У пухлинних клітинах з'являються нові антигени, які були відсутні в нормальних клітинах. Існує дві гіпотези, що пояснюють виникнення нових антигенів у пухлинних клітинах:
а) нові антигени (неоантигени) виникають внаслідок соматичної мутації геному клітини;
б) нові антигени є результатом реактивації гех ділянок геному, які в ході розвитку (диференціювання) були інгібовані.
Як відомо, більшість клітинних антигенів локалізується у цитоплазматичній мембрані та має природу інтегральних білків. Зазвичай, це глікопротеїди, що проникають через всю товщу мембрани, а на поверхні, що закінчуються ланцюгом або ланцюгами олігосахаридів. Саме ці олігосахариди беруть участь у забезпеченні таких життєво важливих функцій, як адгезія, контактне ініціювання та відмінність своїх білків від чужих.
При злоякісній трансформації може відбуватися відщеплення антигенних структур, що виступають над поверхнею пухлинної клітини під впливом протеаз, і тоді на поверхню виходять детермінантні групи, що локалізуються глибше. криптоантигени.Крім того, виявляється збіднення поверхневих вуглеводних структур трансформованих клітин. Така спрощена поверхнева структура найменше здатна розрізняти інші подібні збіднені структури. Це призводить до втрати контактного гальмування (пригнічення), суть якого полягає в тому. що клітини, входячи в контакт із клітинами того ж виду, перестають ділитися.
У зоні злоякісного переродження па поверхні клітин як виникають нові антигени; але водночас іде процес зникнення деяких, раніше присутніх поверхневих антигенів. Вони можуть потрапляти у кров, і це матиме велике значення для діагностики пухлин. З типово пухлинних антигенів, що звільняються з поверхні клітини та виходять у кров, з діагностичною метою можна використовувати такі антигени, як:
- α 1 -фетопротеїн. Це глікопротеїн (м.м. близько 70 кД), що утворюється у печінці ембріона. Його синтез припиняється після народження та вміст його в крові перебуває на настільки низьких величинах, що можна виявити лише радіоімунним методом. Підвищення його змісту притаманно раку печінки, і навіть для тератом різної природи і локалізації;
Канцеромембріональний антиген. Це також глікопротеїд (м.м. 180-200 кД); виділено 3 різні види даного антигену. У фізіологічних умовах він є в клітинах слизової оболонки травного тракту і з їхньої поверхні постійно виділяється в просвіт кишечника. У крові його дуже мало (сліди), і він виявляється імунохімічно. Концентрація цього антигену в крові зростає при раку прямої кишки, товстого кишечника, печінки, бронхів, доброякісних поліпах кишечнику, виразковому коліті. Вміст цього антигену може бути підвищено і при всіх станах, що супроводжуються підвищеною секрецією слизу: хронічний бронхіт, при курінні.
Втрата пухлинними клітинами одних антигенів (органоспецифічних) та поява в них ембріональних антигенів (до яких не утворюються антитіла, оскільки вони сприймаються імунною системою як свої) сприяє «антигенному маскуванню» пухлинних клітин та «невпізнанності» їх імунною системою.
Крім того, пухлинні клітини несуть на своїй поверхні туморозсоційовані трансплантаційні антигени – ТАТА. Саме ці антигени викликають каскад реакцій імунної системи, результатом яких є гальмування росту пухлини або цитолізу трансформованих клітин.
СТАДІЯ ІНІЦІАЦІЇ
У стадії ініціації відбуваються незворотні порушення генотипу (мутації) нормальної клітини, що передаються у спадок, при впливі нелегальної дози канцерогену (ініціатора). Канцероген перестав бути специфічним мутагеном, тобто. взаємодіє з ДНК різних генів, але тільки активація онкогенів та/або інактивація генів-супресорів може ініціювати наступне
перетворення нормальної клітини на пухлинну. Однак не завжди спричинені канцерогеном мутації ведуть до ініціації, оскільки пошкодження ДНК можуть бути відновлені. І в той же час, навіть одноразова дія ініціатора може призводити до канцерогенезу. Зрештою, під впливом канцерогенів відбуваються незворотні порушення генотипу нормальної клітини і виникає передпухлинна (трансформована) клітина із спадково закріпленими властивостями, що відрізняють її від нормальної за рядом ознак. Так, трансформовані клітини відрізняються від нормальних за своєю соціальною поведінкою та біохімічними властивостями. Зрештою, потомство
трансформована клітина здатна до промоції, в ході якої проходить відповідний відбір на здатність долати протипухлинний захист і набувати нових властивостей (наприклад, метастазування), які можуть і не залежати від канцерогену, що спричинив появу вихідної пухлинної клітини.
СТАДІЯ ПРОМОЦІЇ
Не відновлені мутації ДНК в ініційованих (трансформованих) клітинах є першими важливими ступенями в канцерогенезі, але для його завершення цього недостатньо. Необхідно, щоб мутація стала фіксованою, тобто. повинна відтворитись (копіюватися) у клітинах-нащадках і розмножитися: Тому для закріплення ініціації клітина, змінена канцерогеном, повинна здійснити хоча б один цикл проліферації. Саме стимуляція проліферації ініційованих клітин та закріплення існуючих та різко зростаючих у процесі поділу нових мутацій у наступних поколіннях і становить суть стадії промоції. Фактори та речовини, що визначають перехід у стадію промоції та стимулюють розмноження ініційованих клітин, називаються дромоторами. Оскільки функція промоторів полягає у стимуляції поділу ініційованих клітин, їх ще називають мітогенами. Більшість промоторів мають слабкі канцерогенні властивості або навіть взагалі їх не виявляють. Як промотори можуть виступати хімічні сполуки екзо- та ендогенного характеру. Промотори здатні також бути ініціаторами, якщо їх застосовувати у високих дозах і досить довго, а більшість сильних канцерогенів мають і ініціюючі, і промоторні властивості. Ефект канцерогенів-мутагенів іноді називають ініціюючим, а промоторів – активуючим. Ініціювальний ефект необоротний і пов'язаний із мутуванням ДНК. Промоторний ефект оборотний. На відміну від ініціації, при припиненні дії промотора можливий зворотний розвиток канцерогенезу, принаймні на ранньому етапі і може настати регресія пухлини. Відзначено певну тропність промоторів. У пізній період промоції як діючих агентів, крім промоторів, можуть бути й інші механізми регуляції проліферації клітин, такі як імунний нагляд, агенти, що стимулюють прогресію, та ін. Отже, якщо вплив ініціатора викликає мутаційну активацію онкогену та/або інактивацію антионкогену подальший ефект промоторів призводить до посилення проліферації і розмноження таких клітин-мутантів. Це призводить до утворення критичної маси ініційованих клітин, вивільнення їх з-під тканинного контролю, клонального відбору життєздатних клітин, що створює великі можливості для реалізації ініційованими клітинами малигнизированных потенцій. Але для цього необхідний тривалий і відносно безперервний вплив промоторів і тільки в строго послідовному
поєднанні - спочатку ініціюючих, а потім факторів, що промотують. У разі застосування промотора з ініціації іпі, коли пауза між впливом ініціатора і промотора занадто велика пухлина не виникає. Кінцевим результатом стадії промоції є завершення процесу ело-якісної трансформації (малігнізації), придбання клітиною основних рис злоякісного фенотипу і формування пухлини, що розпізнається.
СТАДІЯ ПРОГРЕСІЇ
Третя стадія пухлинної трансформації – прогресія. Якщо перші дві стадії можна розглядати як докпінічні. прояви пухлинного росту, то пухлинна прогресія проявляється у вже сформованій пухлини. Для переходу неопластичного процесу у фазу прогресії необхідно кілька повторних мутацій. У процесі еволюції неоплазм спостерігається комплекс стрибкоподібних якісних змін, які прийнято характеризувати як їхню прогресію. Було показано, що в ході зростання неопластичні клітини з одного боку автономізуються від організму, але з іншого - знаходяться під постійним тиском різних факторів відбору, тобто еволюціонують як одноклітинний організм. Саме еволюція клонів, що призводить до їхньої різноманітності та збільшення пристосувальної життєздатності, а не просто зростання і розселення, і становить суть поняття «пухлинна прогресія».
це якісна зміна з появою сутнісно нової, з різноманітними властивостями пухлини, попри її моноклональне походження. В даний час я прогрес-розуміється як-зміна сукупності ознак пухлини (каріо-, гено-, і фенотипу, диференціювання клітин) у напрямку все більшого послідовного посилення злоякісності. Прогресія має на увазі, що в результаті різноманітних впливів первинний клон клон пухлинних кпеток дає початок безлічі субклонів, які істотно відрізняються від нього в морфофункціональному відношенні. Загальна спрямованість цих відмінностей виявляється у вражаючій пристосованості до мінливих умов існування та надання пухлини переваг у конкурентній боротьбі з організмом за виживання. Прогресія є наслідком множинних мутацій, що накопичуються в клітинах пухлини. Таким чином, в результаті багаторічної професії неопластичний процес з моноклональної стадії переходить в пізню, поліклональну, а клітини пухлини до часу їх клінічного виявлення відрізняються вираженою гетерогенністю тобто. гено- та фенотипічною неоднорідністю. Гетерогенність лежить в основі прогресії, спрямованої у бік посилення злоякісних властивостей пухлини від поганого до гіршого. Так. шляхом відбору клітинних популяцій та безперервним їх розвитком у напрямку все більшої автономії, формуються субклони, здатні вислизати від імунної відповіді, краще пристосовані до несприятливих умов (кисневого дефіциту та ін), здатні до інфільтруючого зростання та метастазування,
стійкі до променевої та лікарської терапії. Основними морфологічними ознаками прогресії є втрата пухлиною органо- та гістотипічної будови, зниження диференціювання (анаппазія), цитогенетичні зміни, спрощення її ферментного спектру. На молекулярному рівні прогресія проявляється множинними незалежними мутаціями у клітинах. В результаті на час клінічного виявлення пухлини клітини її характеризуються вираженою гетерогенністю, що породжує серйозні труднощі для клінічної та патоморфологічної діагностики.
1. Індукція (ініціація) полягає в мутації одного з генів, що регулюють клітинне розмноження (протоонкоген перетворюється на онкоген) → клітина стає потенційноздатної до необмеженого поділу; ініціюючими факторами є різні канцерогени .
2. Промоція (прискорення) - стимуляція клітинного поділу промоторами, завдяки якій створюється критична маса ініційованих клітин Промотори - це хімічні речовини, що не викликають пошкодження ДНК, які не є канцерогенами. Свою діяльність розпочинають онкогени → синтезуються онкобілки → кількість ініційованих клітин збільшується.
3. Прогресія - поряд із збільшенням маси пухлини вона постійно набуває нових властивостей, «озлоякісне» - все більшої автономності від регулюючих впливів організму, деструктивного зростання, інвазивності, здатності до утворення метастазів (зазвичай відсутньої на ранніх етапах) і, нарешті, пристосовуваності до мене умов.
Пухлина є потомством (клон) однієї первинної клітини, яка в результаті багатостадійного процесу набула здатності нерегульованого зростання. Первинна трансформована клітина передає свої властивості лише нащадкам, тобто. "вертикально". При цьому навколишні пухлина нормальні клітини в процес переродження не залучаються. Це уявлення отримало назву положення про клональному походження пухлини.
Клональна гетерогенність пухлинирозвивається через генетичну нестабільність пухлинної клітини. Це призводить до появи нових клонів, що різняться генотипно та фенотипно. В результаті селекції відбираються і виживають найякісніші клони. Після хіміотерапії залишається всього 0,1% клітин пухлини, але так як клітинний цикл дорівнює 24 годин, пухлина може відновлюватися через 10 діб і бути резистентною до колишньої хіміотерапії.
Властивості пухлинного зростання. Атипізми. Вплив пухлини на організм.
Атипізм(Від а + грецьк. typicos - зразковий, типовий) - сукупність ознак, що відрізняють пухлинну тканину від нормальної, і складових біологічні особливості пухлинного росту.
Анаплазіяабо катаплазія(від ana – зворотне, протилежне, kata – вниз + грец. plasis – формування) – зміна структури та біологічних властивостей пухлини, що робить їх схожими на недиференційовані тканини.
Термін введений через певну формальну схожість пухлинних клітин з ембріональними (інтенсивне розмноження, посилений анаеробний гліколіз). При цьому пухлинні клітини принципово відрізняються від ембріональних. Вони не дозрівають, здатні до міграції та інвазивного зростання в навколишні сусідні тканини зруйнуванням їх і т.д.