От живой клетки до опухоли

Пути проникновения в раковую клетку. Этапы биосинтеза белка. Характеристика раковой клетки и ее отличие от нормальной. Кинетика и биофизика рака помогают познать опухолевый рост. Прогрессия опухолей. Возможности обратного развития раковой клетки. Особенности клеточного строения опухолей.

Многие тайны нашего организма были познаны с открытием его клеточного строения. Немецкий ботаник Шлейден сделал вывод: «Как для физиологии растений, так и для общей физиологии жизнедеятельность отдельных клеток является главнейшей и совершенно неизбежной основой…». А Теодор Шван в 1839 г. в своем классическом труде «Микроскопическое исследование о сходстве в строении, росте животных и растений» утверждал, что все ткани животных и растительных организмов состоят из клеток. Но Шван ошибочно считал, что жизнедеятельность клетки в организме самостоятельна и что клетками движет некая мистическая «пластическая», «метаболическая» сила.

Энгельс в «Диалектике природы» писал, что открытие клетки дает ученым новые возможности для познания природы. «Только со времени этого открытия стало на твердую почву исследование органических, живых продуктов природы — как сравнительная анатомия и физиология, так и эмбриология. Покров тайны, окутывавший процесс возникновения и роста и структуру организмов, был сорван».

В 1674 г. Левенгук изобрел световой микроскоп, чем совершил революцию в познании живой природы. Не меньшее значение имело появление в 1932 г. электронного микроскопа — человек проник в глубины материи. Самые совершенные светооптические приборы воспроизводят биологические структуры меньше 0,2 мк, а элементарные биологические процессы в клетке развиваются ниже этого предела.

Для онкологии это оказалось исключительно важным. Повышение возможностей современных электронных микроскопов позволило начать изучение ультратонких срезов опухолевой клетки. Человеку стало доступно познание жизни на субмикроскопическом уровне.

Длительный период исследователи не находили принципиальных различий между раковой и нормальной клетками. Американский ученый Каудри в 1958 г. писал, что химический состав, содержание ферментов, обмен веществ и даже структура этих клеток одинаковы. Но с совершенствованием методик исследования удалось выявить ряд особенностей раковой клетки по сравнению с нормальной.

Выяснилось, что раковая клетка живет особой жизнью, но ей присущи, как и нормальной клетке, самовоспроизведение, обмен веществ, закономерности наследственности и многие другие свойства. В ней идет синтез ДНК, затем фаза роста и наконец фаза деления. Однако продолжительность циклов у опухолевой клетки несколько отличается от циклов нормальной клетки, и это во многом зависит от регуляции активности клетки.

Процесс биосинтеза белка имеет ряд этапов: транскрипция — синтез РНК на ДНК; снятие РНК со своей матрицы; транспорт РНК от ядерной оболочки; прохождение РНК сквозь ядерную оболочку и наконец транслокация — взаимодействие РНК с рибосомами в процессе сборки полипептидной цепи. В здоровой клетке и в опухолевой скорость и интенсивность этих процессов могут различаться. В процессе образования раковых клеток выявлены ранние нарушения синтеза ДНК и РНК.

Учеными отмечено, что всему живому свойственна тенденция к упорядочению: к созданию систем, имеющих определенные закономерности. К явлениям этого порядка относятся и способность к самовоспроизведению, обмен веществ, движение, трансформация энергии и т. д. Все это свойственно и здоровой и раковой клеткам. Но между ними установлены и отличия: в химическом составе, некоторых признаках биологической информации, молекулярных механизмах регуляции процессов.

Уже познаны и описаны многие свойства раковых клеток — строение их оболочки, генетическая характеристика, биохимические особенности, закономерности поведения, размножения и роста. Электронные микроскопы как бы сняли с клетки таинственный покров, сфотографировали ее мельчайшие составные части. И все-таки пока она сумела сохранить в тайне момент перерождения из нормальной в опухолевую. Как именно происходит этот процесс? Что является пусковым механизмом в том или ином случае? Немало высказано предположений, создано гипотез, приведено фактов и доказательств в пользу тех или иных причин. Многие из них весьма убедительны.

На питательных средах живут нормальные клетки того или иного органа. Воздействие на них химическими ракообразующими (канцерогенными) веществами приводит к развитию опухолевого роста — появлению истинных раковых клеток. Сегодня это проделывается во множестве лабораторий мира. Но единого однозначного объяснения механизма реакции клетки на канцерогены до сих пор нет. Поэтому медики и ветеринарные врачи, физики и химики, генетики и биологи, а с ними тысячи представителей других специальностей работают над тайнами трансформации клетки.

Исследование биологии опухолевых клеток, в особенности генома таких клеток, проводится как молекулярно-биологическими, так и цитогенетическими методами. Изучение реакций поверхности опухолевых клеток методами молекулярной и клеточной биологии приобрело за последние годы важное значение, поскольку есть много оснований полагать, что именно изменения поверхности являются основой патологического поведения опухолевой клетки, в особенности способности к инвазивному росту и метастазированию. Новое развитие получил в последние годы вопрос о взаимодействии опухолевых клеток с различными системами организма. Такие взаимодействия могут иметь критическое значение для развития опухолевого узла из трансформированных клеток. Важнейшее теоретическое и практическое значение в биологии опухолевой клетки приобрел вопрос об эмбриональных белках такой клетки. Обнаружение этих белков отечественными исследователями уже стало основой новых методов диагностики опухолей.

Рак начинается с заболевания здоровой клетки. От первой изменяющейся клетки начинается процесс опухолевого роста. Молекулярная биология помогает понять законы роста и размножения клеток, раскрыть ее генетический аппарат, определить степень ее устойчивости. И все это дает материал для познания еще нераскрытых секретов опухолевого роста.

Исследователи заглянули во многие тайны жизни нормальной и больной клеток. Уже сегодня можно говорить о характерных признаках раковых клеток и об истории их жизни и смерти. Эти клетки размножаются беспорядочно и далеко не всегда с одинаковой скоростью. Они вторгаются в окружающие нормальные ткани, разрушают их, затем с током крови или лимфы распространяются по всему организму, создавая новые скопления — метастазы. Это, естественно, происходит при условии, если не начато своевременное лечение. В опухолях есть клетки делящиеся, временно неделящиеся, переживающие и мертвые. Наибольшую опасность представляют временно неделящиеся клетки. Именно они — частые источники рецидива опухоли. Клеточные циклы не синхронны, и если клетки находятся на разных этапах деления, то атаковать их с помощью противоопухолевых препаратов бывает зачастую крайне трудно.

Для успешного лечения мало знать особенности строения опухолевых клеток, важно представлять себе динамику их роста и размножения. Изучая кинетику роста опухолей, ученые показали, что после 30 удвоений в опухоли скапливается 1 млрд. клеток, и весит эта опухоль около 1 г. Но обычно новообразования диагностируются в момент, когда число опухолевых клеток варьирует от 10 до 100 млрд., при этом вес опухоли уже достигает 10—100 г.

Любую клеточную систему характеризуют три фактора: время удвоения, потенциальное время удвоения и фактор клеточных потерь. Эти факторы у нормальных и опухолевых клеточных систем различны. Стадии пролиферации (разрастания) опухоли во многом зависят от клеточных циклов. А при опухолевом росте на эти циклы влияет множество факторов. В частности, это могут быть трофические факторы, к примеру, нехватка кислорода — гипоксия. Накопление вокруг опухоли токсических продуктов также сказывается на продолжительности клеточного цикла. Велико значение в этом процессе иммунологических и гормональных влияний. Фактор клеточных потерь сам по себе отражается на росте опухоли и на развитии болезни.

Новой страницей изучения опухолевого роста явилась биофизика рака, блестяще развитая академиком АН УССР Р. Е. Кавецким. На молекулярном и субмолекулярном уровнях с помощью оригинальной методики — парамагнитного резонанса (ЭПР) удалось выяснить особенности свободнорадикальных процессов при химическом, вирусном, гормональном и лучевом канцерогенезе.

Известно, что опухоли встречаются практически во всех органах и тканях, включая кровь, лимфу, мозг и нервы и даже сердечную мышцу. Вышедшие из-под контроля клетки начинают безудержно делиться, образуя своеобразные конгломераты. Как уже было упомянуто, в 1 г опухоли содержится до миллиарда раковых клеток. И каждая из них способна, в свою очередь, активно делиться.

В лимфатических путях раковые клетки чаще всего задерживаются первым бастионом прикрытия, первым фронтом защиты — лимфатическими железами близлежащей от тока лимфы зоны. Так, например, при поражении молочной железы на первой стадии весь процесс концентрируется в самой железе, а на второй он заявляет о себе увеличением и иногда уплотнением лимфатических узлов в подмышечной области. Это еще не означает распространения процесса, однако проникновение клеток в лимфу уже наступило. Но есть и другой путь распространения — кровеносные сосуды. Током крови клетки могут быть унесены в различные органы и ткани. Чаще всего они задерживаются в легких, печени, костной и мозговой тканях.

Было обращено внимание на весьма интересный факт: после оперативного вмешательства количество опухолевых клеток в крови на некоторое время возрастает, а через 7—10 дней значительно уменьшается. Стало быть, есть активные защитные силы организма, которые побеждают эти клетки. Следовательно, наличие раковых клеток в крови еще не является фатальным фактором, борьба со злокачественными опухолями при этом продолжается и нередко дает успехи.

Раковые клетки не следует рассматривать изолированно от организма. Только на первых стадиях своего развития клетки находятся в ограниченной зоне первичного очага опухолей, а затем начинается их миграция. И тут вступает в силу сложная система взаимодействия между опухолью и организмом. Его реактивность может оказаться решающим фактором борьбы. Это — линия фронта, на ней идут бои между раковым ростом и защитными силами. Проникнуть в законы этих боевых операций, стратегию опухолей и организма — значит, найти наиболее верные пути в борьбе с опухолями.

Большое количество исследований проведено в отношении различных стадий развития опухолей. Одна группа ученых полагает, что начальная стадия — инициация, выражающаяся в опухолевой трансформации — мутации клеток, сменяется последующей стадией — промоцией, т. е. размножением трансформированных клеток. Согласно этим представлениям начальная стадия протекает очень быстро, в течение нескольких часов или суток после хронического, а иногда однократного воздействия канцерогенов. Быстротечность и неуловимость инициации, со­гласно этим утверждениям, свидетельствуют в пользу теории скачкообразного развития опухолей.

Хорошо известна и вторая, более распространенная точка зрения. Она говорит о формировании опухоли в течение продолжительного времени через 4 последовательно сменяющие друг друга стадии морфогенеза: под влиянием различных агентов диффузной неравномерной гиперплазии, очаговых пролифератов, доброкачественных и наконец злокачественных опухолей, причем начальные, вторая и третья, стадии могут быть обратимыми, а на завершающей стадии уже имеется опухолевое поле, включающее весь набор стадийных изменений. Это удалось проследить в условиях экспериментальных, и есть все основания перенести эти данные на человека.

На какой стадии развития клетки наиболее чувствительны и могут трансформироваться в опухолевые? Когда они становятся мишенями для канцерогенов? И можно ли предупредить эти превращения?

Если на первые два вопроса сегодня еще нет однозначного ответа, то на последний подавляющее большинство ученых отвечают положительно. Одним из основоположников теории антиканцерогенеза — поисков возможностей обратного развития опухолевой клетки — справедливо считается наш соотечественник Р. Е. Кавецкий. Он высказал вполне обоснованное предположение, что усиление иммунологического надзора с целью поддержания генетического гомеостаза может регулировать процессы деления клеток и дифференцировки клеток опухоли. Кавецкий считал, что факторы антиканцерогенеза могут быть как надклеточными, так и внутриклеточными. Развивая свои идеи, Р. Е. Кавецкий пришел к выводу, что могут быть созданы условия, методы, агенты, препятствующие не только возникновению опухоли на стадии трансформации клеток, но и ее росту при наличии уже развившегося опухолевого зачатка.

Исходя из того что возникновение опухолей связано с нарушением генетической информации, исследователь предлагал ряд методов, корректирующих этот процесс. Среди них средства, воздействующие на ревертазу, синтезирование нормального гена и введение его в клетку, использование кейлонов, или веществ, активно способствующих дифференцировке клеток и тем самым понижающих опасность злокачественного роста. Наряду с этим Р. Е. Кавецкий предлагал активные методы повышения иммунного надзора за клеточным делением.

Большой ученый, гуманист, организатор науки, видный общественный деятель Р. Е. Кавецкий скончался в 1978 г. Его имя присвоено Киевскому институту проблем онкологии АН СССР.

Сложен, очень сложен процесс опухолевого роста. По мнению профессора В. М. Дильмана, определенное влияние на клеточный аппарат оказывают гормоны. Жизнедеятельность клеток и органов без некоторых гормонов не может осуществляться. Так, например, транспорт глюкозы без инсулина практически прекращается и возникает сахарный диабет. Тут есть определенная закономерность, при которой нарушается углеводный обмен. Весьма характерно, что раковые клетки в значительно большем количестве, чем нормальные, потребляют глюкозу. Член-корреспондент АМН СССР В. С. Шапот не случайно считал, что опухоли являются «ловушками» глюкозы.

В последние годы выявлено, что злокачественные клетки обладают высокой способностью к активному концентрированию аминокислот и сахара из окружающих тканей. Все очевиднее становятся нарушения в опухолевых регуляторных механизмах обмена веществ. Так, в отличие от нормальных исходных тканей опухоли на определенных стадиях не способны или почти не способны к синтезу ферментов. Это явление может быть поставлено в связь с автономностью опухолевого роста.

Какие же нарушения происходят в ядерном аппарате опухолевой клетки? Наступает изменение соотношения белков и нуклеиновых кислот в ядре, накапливаются белки кислого характера, в особенности инертные и, по-видимому, балластные, отмечается повышенное содержание в клеточном ядре рибонуклеиновых кислот. Нарушение регуляции гликолиза находится в связи с повреждением митохондрий, неспособностью их к активному сокращению и изменению проницаемости.

Установлено, что при злокачественном процессе в организме имеет место нарушение щелочно-кислотного равновесия в сторону алкалоза; при этом наблюдаются гипоксия и значительное увеличение количества калия. Накапливается молочная кислота, что вызывает реакцию компенсации со стороны организма — повышение выделения СО2 и мобилизацию щелочных элементов. Сдвиг реакций в щелочную сторону создает благоприятные условия для гликолиза, а это основной источник энергии для белкового синтеза, который в свою очередь является основой бурного опухолевого роста.

Большая роль в познании особенностей клеточного строения и обнаружения ранних изменений клеток принадлежит известному русскому ученому XIX в. М. М. Рудневу и его ученикам. Еще в 70-х гг. прошлого века они определенным образом связывали опухолевый рост с состоянием нервной системы. Они также применили биопсию для диагностики и изучения опухолей.

За прошедшее столетие, естественно, человечество значительно продвинулось в познании опухолевого роста. Так, было установлено, что многочисленные опухоли человека имеют разнообразное строение. Это затрудняло составление единой классификации. Более 18 существующих классификаций дополняли друг друга и во многом зависели от точки зрения ученых на патогенез опухолей. Большой вклад в этом направлении был сделан отделом опухолей ВОЗ: созданы центры по отдельным локализациям опухолей, опубликованы тома, иллюстрированные слайдами, содержащие характеристики тех или иных их видов. Благодаря этой работе сегодня ясно, что у человека наиболее распространены раки эпителиальные, образующиеся из эпителиальных тканей (кожи, полости рта и гортани, пищеварительного тракта, половых и эндокринных желез, дыхательного аппарата, мочевой системы). Затем идут раки соединительной ткани, опухоли нервной системы и меланомы и, наконец, раки эмбриональные, связанные с пороками развития в период зародышевого роста. Распространены и злокачественные новообразова­ния кроветворной системы — лейкемии, или лейкозы.