Обходные пути в борьбе с раком

Поисками обходных путей в борьбе с раком я начал заниматься почти 40 лет назад. Будучи по образованию инженером, я видел в опухоли не только биологический, но и физический объект, и задался вопросом: могут ли структурные изменения способствовать ее росту и препятствовать эффективному действию лекарственных веществ?

Мы с коллегами по Университету Карнеги— Меллона обнаружили 20 с лишним лет назад, что структурные аномалии в кровеносных сосудах опухоли влияют на доставку к ней лекарственных веществ. Эти сосуды склонны к перекручиванию и повышению пористости; в результате из них в опухоль вытекает жидкость вместе с введенными в организм больного противоопухолевыми веществами. Внутреннее давление в опухолевой ткани повышается, и последние выталкиваются в окружающую среду. При уменьшении утечки давление в так называемой интерстициальной жидкости уменьшается и лекарственное вещество распределяется по опухолевой массе более равномерно.

Позже обнаружилось, что на процессы, протекающие в опухоли, влияет не только давление жидкости, но и другие физические факторы. Опухоль представляет собой смесь раковых и нормальных клеток; вместе с кровеносными и лимфатическими сосудами они погружены в волокнистый материал— внеклеточный матрикс. Пережимая сосуды, эта плотная масса уменьшает ток крови, поступающей к различным частям опухоли, и блокирует доставку к ним лекарственных веществ. Таким образом, матрикс, аномально плотный в опухолевых тканях, может самым прямым образом влиять на распределение последних по всему объему опухоли.

Мы с коллегами стали задумываться над тем, как уменьшить такое влияние, и в результате нашли простой, в чем-то неожиданный способ. Оказалось, что желаемый эффект дают хорошо известные и широко используемые в медицинской практике гипотензивные средства, чья безопасность давно доказана. Сейчас этот метод проходит клинические испытания на больных, страдающих трудно поддающимся химиотерапии раком поджелудочной железы, которая относится к числу наиболее богатых матриксом органов.

Конечно, мы не можем гарантировать, что наш метод произведет революцию в борьбе с онкологическими заболеваниями. Течение каждого из них зависит от множества факторов. Но если наши надежды оправдаются, то в арсенале врачей появится еще один способ продлить жизнь больного.

Предыстория

Я начал размышлять о влиянии матрикса на внутриопухолевые процессы, как только осознал, что сдавливание кровеносных и лимфатических сосудов катастрофическим образом сказывается на судьбе опухолей. Так, если пережать лимфатические сосуды, то блокируется отток жидкости, скапливающейся в опухолевой ткани, и тут же повысится интерстициальное давление. Это приведет к сжатию кровеносных сосудов и снижению их способности распределять кровь по всей опухоли; тем самым некоторые ее области останутся без кислорода, к ним не поступят противораковые вещества и элементы иммунной системы.

Казалось бы, дефицит кислорода губителен для опухоли, он замедляет ее рост. Однако здесь есть и обратная сторона: в таких условиях опухолевые и даже нормальные клетки начинают секретировать белки, подавляющие активность компонентов иммунной системы. Один из таких белков, фактор роста сосудистого эндотелия (VEGE), повышает также проницаемость стенок кровеносных сосудов, что еще более снижает кровоснабжение опухоли (а. следовательно, поступление к ней лекарственных веществ) и повышает давление в интерстициальной жидкости. Кроме того, в условиях гипоксии некоторые иммунные клетки превращаются из защитников организма в пособников опухоли.

При дефиците кислорода выживают наиболее агрессивные раковые клетки — те которые лучше других приспособлены к проникновению в соседние ткани; менее агрессивные в этих условиях просто погибают. Что самое плохое — в бескислородной среде раковые клетки вырабатывают белки, способствующие образованию ими новых очагов опухолевого роста в отдаленных органах и тканях. И. наконец, в условиях недостатка кислорода уменьшается эффективность многих видов химиотерапии.

Отрицательное влияние матрикса проявляется не только в том, о чем говорилось выше. Недавно мы с коллегами обнаружили, что при механическом сжатии некоторые раковые клетки перепрограммируются и становятся «лидерами» в проникновении в прилегающие ткани, побуждая к этому и другие клетки. Более того, как в каком-то заколдованном круге, и сжатие, и гипоксия подталкивают матрикспродуцирующие клетки, например фибробласты, к работе в более интенсивном режиме и могут даже спровоцировать некоторые раковые клетки к секреции компонентов матрикса — при том что их нормальные аналоги такой способностью не обладают.

Конечно, мы понимали, какие последствия влечет за собой гипоксия, задолго до того, как начали манипулировать с матриксом. и прежде всего попытались найти способы ее устранения. Еще 13 лет назад у нас возникла идея, что. приведя кровеносные сосуды «в норму» — уменьшив их перекрученность и пористость, — мы понизим интерстициальное давление, улучшим кровообращение опухолевой массы и облегчим поступление к ней лекарственных веществ и иммунных клеток. Сегодня правильность наших предположений не вызывает сомнений — это доказано как в опытах на экспериментальных животных, так и в клинических испытаниях. Мы показали, что частичная нормализация состояния локальной кровеносной системы с помощью антиангиогенных препаратов (ингибиторов образования новых кровеносных сосудов) приводит к улучшению кровоснабжения опухолей головного мозга и увеличивает продолжительность жизни больных. Такой же эффект наблюдался у пациентов, страдающих раком прямой кишки, легких или почек, которые получали антиангиогенный препарат бевацизумаб на фоне химиотерапии или иммуностимуляторов.

Оптимизация данного подхода продолжается, но он один все равно не решит проблемы, поскольку кровеносные и лимфатические сосуды в опухоли сдавливаются в первую очередь матриксом и опухолевыми клетками. Антиангиогенные препараты не могут вернуть в нормальное состояние сосуды, схлопнувшиеся под давлением матрикса и тела опухоли. Именно это и заставляет нас обратиться к экспериментам по уменьшению сдавливающего воздействия со стороны матрикса.

Прежде чем приступать к поиску веществ, разрыхляющих матрикс, мы решили выяснить, насколько богаты им разные опухоли и в какой степени в них проявляются сдавливающие силы. Обнаружилось, что опухоли существенно различаются в этом отношении, хотя, по данным микроскопических исследований, схлопнувшиеся сосуды в том или ином количестве присутствуют в большинстве из них. Все зависит от стадии заболевания и локализации опухоли. В пространственно ограниченных опухолях сдавливающей силы больше, соответственно, больше и схлопнувшихся частично или полностью сосудов. Играет роль и тип опухоли. Наиболее часто встречающиеся новообразования поджелудочной железы содержат относительно немного (всего 5%) раковых клеток, зато богаты матриксом и фибробластами. Опухоль другого типа, медуллобластома. обычно не отличается высоким содержанием матрикса. Дальнейшие исследования показали, что чем больше относительное содержание матрикса и фибробластов, тем менее восприимчива опухоль к химиотерапии, а это означает, что «противоматриксные» средства в таких случаях будут особенно полезны.

Первые шаги

Успеху поисков веществ, минимизирующих влияние матрикса. способствовало одно открытие. Как известно, матрикс состоит из белковых волокон (в основном из коллагена) и желеобразных компонентов (таких, как гиалуронан). Одно время считалось, что последние сказываются на распределении лекарственных веществ в опухоли в большей степени, чем коллаген. Но в 2000 г. мы с удивлением обнаружили, что важную роль в процессе играет именно коллаген, от которого зависит жесткость матрикса. При расщеплении коллагеновых волокон ферментом коллагеназой 150-нанометровые частицы, которые планируется использовать для адресной доставки лекарственных веществ, распределяются более или менее равномерно даже в самых плотных опухолях. Основываясь на таких данных, мы инъецировали в опухоль мышей коллагеназу вместе с вирусными частицами диаметром 150 нм. Уменьшение опухоли в размерах было более выраженным, чем при введении вирусных частиц без коллагеназы.

К сожалению, коллагеназа, распространяясь по всему организму, расщепляет коллаген и там, где это совсем не нужно, — ведь он структурирует многие органы и ткани. Значит, необходимо искать другое, более безвредное вещество, которое воздействовало бы только на опухоль.

В результате мы остановились на гормоне под названием релаксин, который вырабатывается у женщин в период беременности. Он подавляет синтез коллагена и ускоряет его расщепление, а в организме будущей матери образуется в больших количествах, не вызывая никаких нежелательных последствий.

В 2002 г. мы провели эксперименты на лабораторных мышах, у которых имелись солидные опухоли, вводя им релаксин в течение двух недель. Положительный эффект был налицо. Однако вскоре мы узнали, что релаксин способствует росту некоторых опухолей, например опухоли предстательной железы. Стало ясно, что ни о каких клинических испытаниях вещества не может быть и речи.

Счастливая случайность

Мы решили пойти по другому пути— воздействовать на ключевого участника синтеза коллагена, трансформирующий фактор роста бета, используя гипотензивные лекарственные средства. По счастливой случайности, они не только снижают артериальное давление, но и подавляют активность упомянутого фактора роста. Более того, эти широко используемые в медицине препараты, чье действие основано на инактивации гормона ангиотензииа II. снижают активность другого вещества, участвующего в стабилизации коллагена. Было известно, что различные ингибиторы ангиотензина в частности лозартан, уменьшают содержание коллагена у лабораторных животных с избыточным содержанием внеклеточного материала и устраняют такую избыточность в почках и сердечной мышце больных с гипертензией. Но никаких литературных данных о влиянии данных препаратов на содержание коллагена в опухолях мы не нашли.

Для того чтобы проверить, действительно ли блокаторы ангиотензина уменьшают содержание матрикса в опухоли и тем самым облегчают доставку лекарственных веществ во все ее части, мы в течение двух недель вводили лозартан мышам с четырьмя разными типами опухолей: аденокарценомой поджелудочной железы, раком молочной железы, меланомой и раком соединительной ткани. Было получено два обнадеживающих результата. Во-первых, содержание коллагена во всех четырех случаях уменьшилось и 100-нанометровые частицы, имитирующие молекулы лекарственных веществ, распределялись по всему объему опухоли более равномерно, чем прежде. Аналогичные результаты были получены в 2011 г. в опытах на грызунах, где мы использовали одобренный Управлением по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов (FDA) препарат доксил (диаметр молекул — примерно 100 им) и вирусные частицы, уничтожающие раковые клетки (диаметр частиц — примерно 150 нм).

Во-вторых, мы обнаружили, что с повышением дозы лозартана содержание коллагена уменьшается. А значит, наблюдаемый эффект связан именно с его действием, а не с чем-то другим, что давало надежду на то, что при более высоких дозах содержание коллагена уменьшится настолько, что кровеносные сосуды даже в богатых матриксом опухолях вернутся в нормальное состояние и кровоток восстановится. Это и подтвердили опыты на мышах: при удвоении дозы лозартана проницаемость опухолей молочной и поджелудочной желез значительно повысилась, причем не только для наночастиц, но и для препаратов, обычно используемых в химиотерапии опухолей данных органов.

Что касается человека, то сведений по использованию лозартана или других гипотензивных препаратов в высоких дозах у нас нет. Однако ретроспективный анализ данных относительно раковых больных, которые страдали еще и гипертензией и потому получали как противоопухолевые, так и гипотензивные средства, обнадеживал. Так, мы установили, что при одновременном приеме противоракового препарата гемцитабина и ингибиторов ангиотензина средняя продолжительность жизни больных, страдающих раком поджелудочной железы, увеличилась на шесть месяцев по сравнению с больными, получавшими только химиотерапию.

Конечно, ретроспективный анализ имеет ограниченную ценность, несовпадение его результатов с полученными нами на мышах служит веским доводом в пользу проведения соответствующих клинических испытаний. И к ним уже приступила группа врачей-онкологов из Массачусетсской больницы общего профиля в Бостоне. Испытуемые — больные, страдающие раком поджелудочной железы; на фоне стандартной химиотерапии они получают лозартан. Результаты будут известны через несколько лет. Если все пройдет успешно, то в будущем можно будет попробовать комбинированную терапию: препараты, нормализующие структуру сосудов (например, VEGF-блокаторы); агенты, разрушающие матрикс. и специфические противоопухолевые вещества.

Гипотензивные средства, как и большинство медицинских препаратов, следует применять с осторожностью. Их нельзя назначать людям с почечной недостаточностью или низким артериальным давлением. Но даже если с давлением все в порядке, за ним нужно постоянно следить, чтобы не допустить резкого падения. Такие проблемы можно решить, модифицировав блокаторы ангиотензина так, чтобы они сохранили способность разрушать матрикс, но не снижали артериальное давление. Следует учитывать и то. что у раковых клеток вырабатывается устойчивость к большинству препаратов. Возникнет ли подобная устойчивость клозартану и другим блокаторам ангиотензина— никто не знает.

Альтернативы

Как же быть, если гипотензивные препараты больному противопоказаны, а противоопухолевые средства не помогают? Альтернативной мишенью мог бы стать другой компонент матрикса— гиалуронан. Его содержание в упомянутых ранее четырех видах опухолей достигает 25%. Как показали проведенные нами недавно исследования, фермент гиалуронидаза расщепляющий гиалуронан действительно уменьшает компрессию в опухолях у мышей; при этом, поданным других ученых, частично восстанавливается структура кровеносных сосудов. Обнаружилось также, что лозартан уменьшает содержание гиалуронана.

Для того чтобы повысить эффективность терапии, направленной на ослабление компрессии, нужно найти способ оценки реакции матрикса на тестируемые вещества. Действительно ли они уменьшают механическую компрессию? Какие из них наиболее эффективны? И в самом ли деле снижение компрессии облегчает доступ лекарственных веществ к глубинным областям опухоли? Мы с коллегами нашли относительно простой способ измерения механической компрессии. Если опухоль разрезать пополам, то половинки начнут спонтанно набухать. Измерив степень набухания, можно с помощью несложных математических расчетов определить внутреннюю компрессию в опухоли.

Меня иногда спрашивают, не провоцирует ли разрушение матрикса метастазирование — миграцию раковых клеток через матрикс в кровеносные и лимфатические сосуды и далее в другие органы и ткани? И еще: не случится ли так, что разрушение матрикса и восстановление кровотока в опухоли приведет к ее разрастанию в результате лучшего снабжения питательными веществами? Однозначно ответить мы пока не можем, но есть указание на то, что уменьшение компрессии и нормализация кровотока не сопровождаются увеличением опухоли и метастазированием. -Почему?—спросите вы. С одной стороны, питательным веществам действительно станет проще проникать в клетки и свобода их перемещения повысится, но с другой— при компрессии возникает дефицит кислорода, что способствует разрастанию опухоли, блокируется поступление клеток иммунной системы и химиотерапевтических средств. Какой из этих процессов перевесит— покажут опыты на животных и клинические испытания.

Следуя логике

Когда мы только начинали наши исследования по применению блокаторов ангиотензина для сдерживания роста опухолей, многие коллеги относились к ним скептически. Их аргументы состояли в следующем: поскольку применяемые нами вещества снижают артериальное давление, они вызовут отток крови от опухоли, а не приток. Более того, в опытах с введением ангиотензина (который, в отличие от его блокаторов. повышает артериальное давление) наблюдалось повышение кровотока в опухолях. Но в этих работах не учитывалось компрессионное влияние матрикса, и испытания ангиотензина на эффективность дали отрицательный результат. Несколькими годами позже мы объяснили причину такого неуспеха: применявшиеся лекарственные вещества повышали кровоток лишь на короткое время, в первую очередь потому, что компрессия со стороны матрикса быстро приводила к схлопыванию сосудов.

Какой вывод можно сделать из всего сказанного? Если мы хотим успешно бороться с раком, нужно не только дойти до сути генетических и клеточных основ заболевания, но и разобраться в последствиях физических процессов, протекающих в солидных опухолях. Последние используют их для выживания, а мы должны использовать знания о физических взаимодействиях для того, чтобы противостоять им.