Контроль клеточного цикла как основа химиотерапии. Динамика Гомперца
Все живые существа имеют врожденную способность размножаться и прекращают размножение по различным причинам. По-видимому, контроль обеспечивается по неизвестному механизму обратной связи, возможно, вследствие контактного феномена (при большом скоплении клеток). На основе знаний принципов роста клеток разработаны методы химиотерапии (XT); при этом использовались различия в характеристиках роста нормальных и злокачественных тканей.
Нормальные ткани преимущественно разделяются на три категории: статические, растущие и обновляющиеся. Статическая популяция клеток в основном хорошо дифференцирована и после периода пролиферации в эмбриональный период редко подвергается размножению у взрослых индивидуумов. К статическим тканям относятся нейроны и скелетная мускулатура. Вследствие редкости клеточного деления маловероятно, что эти клетки будут повреждаться при химиотерапии (XT), мишенью которой служат быстро размножающиеся клетки.
Популяции растущих тканей обычно также пассивны во взрослом состоянии, но в отличие от статической популяций они сохраняют способность к быстрой пролиферации в ответ на стресс или повреждение. Типичные примеры растущих тканей — гепатоциты и эндотелий. Обновляющиеся ткани обладают наибольшей чувствительностью к повреждениям, вызванным химиотерапевтическими препаратами.
При злокачественном росте клетки не прекращают размножение, когда достигают критической массы. Такой нерегулируемый рост появляется вследствие сочетания потери контролирования клеточного цикла и повреждения нормальных апоптотических механизмов. Несмотря на неконтролируемый рост, злокачественное клеточное деление не происходит быстрее нормального клеточного деления.
В основном рост опухолей характеризуется динамикой Гомперца: поскольку опухоль увеличивается, время, необходимое для удвоения, также постепенно увеличивается. Таким образом, по-видимому, па ранних стадиях опухолевые клетки растут экспоненциально, но как только увеличивается опухолевая масса, прогрессивно увеличивается и время удвоения, хотя у человека оно может сильно различаться. Например, эмбриональные опухоли и некоторые лимфомы имеют сравнительно короткое время удвоения (20—40 дней), тогда как аденокарциномы и плоскоклеточный рак — относительно долгое (50 — 150 дней).
Были даны три объяснения этого пролонгированного времени удвоения:
1) увеличение времени прохождения клеточного цикла (времени от одного митоза до другого);
2) уменьшение количества клеток, участвующих в процессе деления в опухоли;
3) увеличение гибели опухолевых клеток вследствие недостаточного количества питательных веществ и кровоснабжения.
Опухолевый рост.
В основном рост опухолей характеризуется динамикой Гомперца: поскольку опухоль увеличивается, время удвоения становится длиннее.
Однако пальпируемым опухолям, чтобы достичь значительного объема, необходимо относительно небольшое количество удвоений.
Модель Гомперца имеет важное значение для понимания прогрессирования злокачественных новообразований. Во-первых, как правило, метастазы имеют более короткое время удвоения, чем первичный очаг. Если допустить, что экспоненциальный рост при злокачественном процессе наблюдается рано и злокачественное новообразование берет начало от одной-сдинственной клетки, то чтобы диаметр узла достиг 1 мм, необходимо приблизительно 20 удвоений. Опухоль диаметром 5 мм (размер, который позволяет распознать опухоль на рентгенограмме) подверглась 27 удвоениям.
Из этого следует, для того чтобы опухоль достигла размера 1 см, необходимо 30 удвоений; было бы хорошо, если бы практикующий врач определил такое «раннее» поражение. Однако это «раннее» поражение уже подверглось 30 удвоениям, возможно, с существенным изменением ДНК. Исходя из этого, клинические методы, доступные в настоящее время, часто позволяют распознать злокачественные новообразования лишь на поздней стадии их роста и велика вероятность того, что метастатическая форма болезни разовьется раньше клинического выявления первичного очага.
Еще один вывод, сделанный на основе этой информации о кинетике: на поздних стадиях опухолевого роста небольшое количество удвоений опухолевой массы оказывает существенное влияние на размер опухоли и состояние больного. Как только опухоль становится пальпируемой (1 см в диаметре — 30 удвоений), всего лишь только 3 удвоения приведут к образованию крупной опухоли (8 см в диаметре).
Модель Гомперца имеет клиническое значение, что привело к множеству исследований эффективности химиотерапии (XT). Поскольку опухоль чувствительна к лечению (т. е. ее размер уменьшается), предполагастся, что время удвоения уменьшилось вследствие большого количества клеток, вступающих в клеточный цикл. В результате повышается процент метаболически активных клеток, поэтому увеличивается чувствительность популяции злокачественных клеток к фазоспецифическим препаратам.
Это привело к использованию после фазонеспецифических препаратов (например, циклофосфамида), уменьшающих опухолевую массу, фазоспецифических (например, метотрексата). Хотя такие последовательные комбинации теоретически были привлекательны, ни одна из них не показала значимых результатов в клинических испытаниях. Другой вывод концепции динамики роста Гомперца заключается в том, что метастазы, как ожидается, могут быть более чувствительны к химиотерапии (XT) вообще и к фазоспецифическим препаратам в частности, чем первичная опухоль, от которой они произошли.
Чем меньше размер метастатического очага, тем больше различий в его чувствительности по сравнению с первичной опухолью. Поэтому невосприимчивость первичной опухоли к назначаемой схеме препаратов не всегда предсказывает реакцию метастазов к тому же режиму химиотерапии (XT) .
Время клеточной генерации и последовательность одинаковы для всех клеток млекопитающих.
Опухолевые клетки не имеют более быстрого времени генерации, но имеют больше клеток, находящихся в активной фазе репликации
Адекватное использование препаратов для лечения злокачественных новообразований должно приводить к избирательному уничтожению опухолевых клеток. Это утверждение основано на гипотезе «клеточной гибели», которую впервые описал Skipper и соавт. На модели лейкоза L1210 были разработаны следующие четыре принципа.
1. Выживаемость животных, имеющих злокачественное новообразование, обратно пропорциональна количеству злокачественных клеток.
2. Одна-единственная клетка способна к размножению и в конечном счете приведет к гибели хозяина.
3. Для большинства препаратов существует четкая взаимосвязь между дозой и способностью уничтожать опухолевые клетки.
4. Установленная доза препарата уничтожает определенную долю клеток, а не определенное их количество, независимо от существующего количества клеток.
Четвертый и самый важный принцип подразумевает, что химиопрепараты оказывают воздействие в соответствии с динамикой первого порядка, т. е. они уничтожают определенную долю клеток, а не определенное их количество. Эта концепция имеет важное значение для противоопухолевого лечения. Одна доза противоопухолевого препарата может снизить численность опухолевых клеток в 102—104 раз. При общей опухолевой нагрузке 1012 клеток (1 кг) однократная доза сможет уничтожить большое количество клеток, но не приведет к излечению.
Таким образом, необходимы прерывистые курсы химиотерапии (XT), чтобы достичь величины клеточной гибели, необходимой для полного уничтожения опухоли. Практически, чтобы полностью уничтожить опухолевые клетки, необходимо:
• увеличить суммарную дозу препарата или препаратов до максимальной переносимой;
• начать лечение, когда количество клеток достаточно мало, что позволит уничтожить опухоль рациональными суммарными дозами препаратов.
Из этой гипотезы было сделано логическое заключение о том, что перспектива полного выздоровления максимальна на ранних стадиях заболевания. В прошлом химиотерапию (XT) применяли в основном для лечения диссеминировапиого злокачественного новообразования, при локальном распространении процесса выбирали хирургическое вмешательство и/или ЛТ. Однако эта концепция «логарифмической гибели» разумно обосновывает принципы адъювантной XT, которые предполагают существование после первичной операции невыявляемой клеточной массы 101 — 104 клеток, которая способна вызывать рецидив опухоли. Такая небольшая опухоль особенно чувствительна к химиотерапии (XT).
Для лучшего понимания клеточной кинетики необходимо рассмотреть клеточный цикл. Всем клеточным делениям предшествует накопление необходимых веществ для репликации. Время, за которое клетка совершает один цикл роста и клеточного деления, называют временем генерации. Существует пять основных фаз. Фаза G1 (от англ. gap — промежуток, перерыв) занимает обычно 4—24 ч. Если эта фаза длится дольше, клетка обычно переходит в фазу G0, или покоя. Фаза S — фаза синтеза ДНК и обычно продолжается 10—20 ч. Фаза G2 считается предмитотической, которая длится 2—10 ч.
И наконец, фаза М, когда происходит непосредственно митоз, занимает 0,5 — 1 ч. Опухоль не имеет более быстрого времени генерации, но имеет больше клеток в активной стадии репликации, чем в нормальных тканях. Нормальные ткани обладают огромным количеством клеток в фазе G0, из которой они медленно переходят к делению или выходят из цикла.
По-видимому, некоторые химиопрепараты влияют на отдельные фазы клеточного цикла. Полагают, что алкилирующие средства воздействуют на все фазы — от G0 до митоза. Их называют фазонеспецифическими средствами. Вероятно, такие препараты, как гидроксимочевина, доксорубицин (Адриамицин) и метотрексат, действуют преимущественно в фазе S. Полагают, что блеомицин действует в фазе G2, а винкристин — в фазе М. Эти препараты называют фазоспецифическими средствами, т. к. они оказывают химиотерапевтическое воздействие только на клетки, которые находятся в определенной фазе клеточного цикла размножения. Стероиды, фторурацил и цисплатин имеют сходное влияние на клеточный цикл размножения.
Теоретически, если в отдельном злокачественном новообразовании терапевтические препараты влияют только на клетки, которые делятся, а большинство опухолевых клеток делится, в отличие от клеток нормальной ткани, то правильные интервалы между химиопрепаратами и их комбинации, которые действуют в разные фазы клеточного цикла, будут способствовать уничтожению большего числа опухолевых клеток, чем нормальных. Изучение кинетики у людей и животных позволяет предположить, что опухоли, которые излечили с помощью XT, имеют огромную долю клеток в фазе пролиферации (например, гестационная хориокарцинома и лимфома Беркитта).
Стадия заболевания, а не общая масса опухоли считается самым важным фактором при использовании ЛТ или хирургического вмешательства, но при применении XT наиболее важный критерий — общая масса опухоли. Когда уменьшается объем опухоли, оставшиеся опухолевые клетки могут начать активно делиться (они переходят из фазы G0 в более восприимчивые клетки цикла размножения), таким образом становясь восприимчивыми к XT. Химиопрепараты, как и ЛТ, вызывают гибель клеток в соответствии с кинетикой первого порядка, т. е. популяция опухолевых клеток уменьшается на определенный процент, несмотря на первоначальное количество клеток. Если опухолевая нагрузка небольшая, то можно провести меньше циклов химиотерапии (XT). 1 мг опухоли, как правило, состоит из 106 клеток; 1 см3 — из 109 клеток. Смерть больного, как правило, наступает при содержании в опухоли 1012 клеток.
