Przyczyny karcynogenezy. Etapy karcynogenezy

Popkov V. M., Chesnokova N. P., Ledvanov M. Yu.,

5.1. Kancerogeneza: ogólna charakterystyka etapów rozwoju i atypizmu komórek nowotworowych

Kancerogeneza to wieloetapowy proces kumulacji zmian w genomie komórek, prowadzący do pojawienia się „komórek asocjalnych”, charakteryzujących się atypią morfologiczną, funkcjonalną, biochemiczną, autonomicznym wzrostem i „ucieczką” komórek przed wpływami humoralnymi i nerwowymi .

Jeśli chodzi o etapy karcynogenezy, należy zwrócić uwagę na szereg kolejnych etapów rozwoju nowotworu, w szczególności etap inicjacji, etap proliferacji lub promocji komórek nowotworowych oraz etap progresji nowotworu.

Etap inicjacji charakteryzuje się transformacją onkogenną komórek pod wpływem czynników egzogennych lub endogennych. Jednocześnie możliwy jest także epigenomiczny mechanizm działania czynników rakotwórczych.

Jak wiadomo, wiele chemicznych czynników rakotwórczych, a także wpływ czynników fizycznych i biologicznych na organizm, może powodować mutacje DNA, które prowokują ekspresję protoonkogenów lub depresję (utratę) antytoksyny.

Ze względu na epigenomiczny charakter działania czynników rakotwórczych, ekspresja onkogenów następuje w wyniku zakłócenia regulacji wzrostu komórek bez uszkodzenia samego materiału genetycznego. Wraz z epigenetycznym, kokarcynogennym działaniem czynników chorobotwórczych następuje inaktywacja białek – produktów antykogenów – lub aktywacja postreceptorowych czynników wzrostu. Taka ekspozycja z reguły nie powoduje rozwoju nowotworu, ale wzmacnia działanie wzrostu innych czynników, promując proliferację zmutowanych komórek i powstawanie nowotworu.

Efekt mutacji czynników rakotwórczych nazywany jest inicjowaniem, a wpływ czynników kokarcynogennych nazywa się aktywacją.

Bezpośrednie działanie genotoksyczne czynników rakotwórczych zachodzi w procesie alkilacji, delecji, translokacji i amplifikacji genów. Jeśli mutacja wpływa na geny regulujące rozmnażanie się komórki, komórka zostaje zainicjowana, to znaczy potencjalnie zdolna do nieograniczonych podziałów, ale wymaga dodatkowego wpływu na fenotypową manifestację tej właściwości.

Istnieje wiele związków chemicznych, tzw. promotorów, których przewlekłe działanie na zainicjowane komórki prowadzi do rozwoju drugiego etapu karcynogenezy – promocji, czyli intensywnej reprodukcji komórek złośliwych i powstawania nowotworu.

W mechanizmach rozwoju promocji ważną rolę odgrywają zaburzenia interakcji onkogenów i antykogenów, co prowadzi do syntezy onkoprotein w zwiększonych ilościach lub do zmiany jakościowo składu. Aktywacja protoonkogenów może nastąpić w wyniku mutacji punktowych w samym protoonkogenie, translokacji protoonkogenu lub jego amplifikacji.

W patogenezie nowotworu, zwłaszcza na etapie promocji, ważną rolę odgrywa ograniczenie syntezy białek hamujących proliferację, w wyniku tłumienia aktywności genów p53, pRb, induktorów apoptozy, enzymów naprawy DNA, jak jak również nadekspresja Myc, Ras.

Ostatnią fazą karcynogenezy jest etap progresji nowotworu. Pojęcie progresji nowotworu wprowadził L. Foulds (1948). Ten ostatni charakteryzuje się nie tylko ilościowym wzrostem komórek nowotworowych, ale także nieodwracalnymi zmianami jakościowymi we właściwościach komórek nowotworowych.

W procesie progresji nowotworu początkowo dominujący subklon komórek transformowanych onkogennie zostaje zastąpiony klonami genetycznie odpornymi na wpływy humoralne, nerwowe, immunologiczne i lekowe.

Autonomię komórek złośliwych zapewnia kilka procesów:

1) wydzielanie przez komórkę nowotworową mitogenów powodujących autokrynną stymulację proliferacji komórek, w szczególności α-czynnika wzrostu nowotworu, czynnika płytkowego i β-czynnika wzrostu nowotworu;

2) ilościowe i jakościowe zmiany w receptorach czynników wzrostu, prowadzące do zmniejszenia lub zwiększenia wrażliwości komórek nowotworowych na działanie fizjologicznych regulatorów wzrostu komórek;

3) zaburzenia w przekazywaniu sygnału do wzrostu komórek na poziomie postreceptorowym;

4) ekspresja czynników transkrypcyjnych przez onkogeny.

„Ucieczkę” nowotworu przed odpowiedzią immunologiczną zapewnia indukcja syntezy przeciwciał blokujących i uwolnienie cytokin immunosupresyjnych.

Wieloetapowy charakter kancerogenezy polega na występowaniu kolejnych mutacji w znacznej liczbie dominujących lub recesywnych onkogenów lub rozwoju efektu kokarcynogennego (synkarcynogennego) pod wpływem różnych czynników inicjujących - czynników rakotwórczych o charakterze fizycznym, chemicznym, biologicznym.

Ogólna charakterystyka atypii komórek nowotworowych

W procesie wieloetapowej kancerogenezy komórki nowotworowe nabywają cech atypii morfologicznej, funkcjonalnej i metabolicznej. Ten ostatni jest szczegółowo opisany w szeregu prac.

Atypia tkankowa komórek nowotworowych objawia się zmniejszeniem ich zdolności adhezyjnych w wyniku nieodwracalnej fosforylacji białek cytoszkieletowych; w tym przypadku wiązanie komórek z substancją międzykomórkową zostaje zakłócone. Nowotworowe komórki nabłonkowe nie tworzą błon podstawnych i nie przyczepiają się do nich, tracąc funkcję powłokową. Oddzielenie komórek nowotworowych od macierzy tkankowej nie powoduje ich apoptozy, w przeciwieństwie do normalnych komórek. Komórki złośliwe wydzielają dużo cytokin, które powodują ich nieprawidłowe unaczynienie. Jednocześnie komórki złośliwe są pozbawione odpowiedniego unerwienia.

Atypia w hodowli tkankowej objawia się brakiem kontaktowego hamowania wzrostu, osłabieniem adhezji i zdolnością do namnażania w środowisku półpłynnym.

Cechy morfologiczne komórek nowotworowych obejmują zaburzenie struktury i funkcji błon cytoplazmatycznych, mitochondrialnych, lizosomalnych, utworzenie wyższego potencjału zeta komórek, zmniejszenie liczby receptorów błonowych i zmiany w ich strukturze, pojawienie się nowych receptorów , co powoduje osłabienie, wzmocnienie lub wypaczenie wpływów nerwowych i humoralnych na transformowane komórki.

Charakterystycznymi objawami atypii komórkowej są mutacje genomowe i chromosomalne w postaci poliploidii, anueploidii, delecji, duplikacji, translokacji i inwersji. Mutacje genów podczas karcynogenezy są równie stereotypowe i mogą mieć charakter mutacji miękkich i twardych.

Dobrze znanymi objawami atypii komórkowej są wzrost stosunku jądrowo-cytoplazmatycznego, ogólnie zaburzenia kształtu i wielkości komórek, wzrost liczby wolnych rybosomów niezwiązanych z retikulum endoplazmatycznym, zmiany w strukturach mitochondriów i lizosomy.

Atypia biochemiczna komórek nowotworowych objawia się spadkiem potencjału antyoksydacyjnego oraz obecnością nieprawidłowego kolistego lub jednoniciowego DNA w mitochondriach.

Jednym z przejawów atypii biochemicznej jest odwrotny efekt Pasteura, charakteryzujący się przewagą glikolizy beztlenowej nad tlenową w warunkach optymalnego dostarczania tlenu i glukozy do komórek nowotworowych. Komórki nowotworowe charakteryzują się nadmierną aktywacją cyklu pentozowego utleniania glukozy, głównego dostawcy rybozo-5-fosforanu niezbędnego do syntezy kwasów nukleinowych. Komórki nowotworowe intensywnie absorbują z krwiobiegu glukozę, kwasy tłuszczowe, cholesterol i lipoproteiny, wykorzystując je w procesie wewnątrzkomórkowych reakcji metabolicznych, powodując u wielu chorych rozwój kacheksji „nowotworowej”.

Komórki nowotworowe są potencjalnie nieśmiertelne (zjawisko unieśmiertelnienia) dzięki dużej aktywności telomerazy – enzymu przywracającego pierwotną długość telomerów po podwojeniu DNA, a także dzięki hamowaniu apoptozy komórek nowotworowych.

Poniżej zostaną przedstawione molekularne mechanizmy komórkowe właściwości biologicznych komórek nowotworowych i powstawania ich atypii.

Zwracamy uwagę na czasopisma wydawane przez wydawnictwo „Akademia Nauk Przyrodniczych”

Niezależnie od konkretnej przyczyny transformacji nowotworowej komórki, budowy histologicznej i lokalizacji nowotworu, w procesie karcynogenezy można wyróżnić kilka: etapy ogólne:

1) W pierwszym etapie czynniki rakotwórcze o charakterze chemicznym, fizycznym lub biologicznym oddziałują z protoonkogenami i antykogenami (supresorami nowotworu) genomu normalnej komórki.

Protoonkogeny– specyficzne geny normalnych komórek, które sprawują pozytywną kontrolę nad procesami proliferacji i transportu błonowego.

Pod wpływem mutacji protoonkogeny ulegają tzw. aktywacji, co przyczynia się do ich transformacji w onkogeny, których ekspresja powoduje powstawanie i progresję nowotworów. Protoonkogen może przekształcić się w onkogen, jeśli zastąpiony zostanie w nim choćby jeden z 5000 nukleotydów. Obecnie znanych jest około stu protoonkogenów. Zakłócenie funkcji protoonkogenów powoduje ich przemianę w onkogeny i sprzyja transformacji nowotworowej komórki.

2) W drugim etapie kancerogenezy (w wyniku działania czynnika rakotwórczego na genom) następuje zahamowanie aktywności antynokogenów i przekształcenie protoonkogenów w onkogeny. Późniejsza ekspresja onkogenu jest warunkiem koniecznym i wystarczającym transformacji nowotworu.

Antyonkogeny– geny supresorowe podziałów komórkowych. Znanych jest około dwudziestu z nich, które działają jako inhibitory sygnałów regulujących wzrost w komórce i w ten sposób zapobiegają możliwości nieregulowanej proliferacji. Dlatego uważa się, że antykogeny negatywnie regulują proliferację.

Inaktywacja antykogenów spowodowana ich mutacjami (mutacje punktowe i delecje) prowadzi do niekontrolowanego wzrostu komórek. Do wyłączenia antynkogenu potrzebne są dwie mutacje w obu jego allelach (antykogeny są recesywne), natomiast do przekształcenia protoonkogenu w aktywny onkogen wystarczy tylko jedna (dominująca) mutacja.

Obecność pierwszej mutacji w jednym z alleli antykogenu predysponuje do rozwoju nowotworu, a jeśli taki zmutowany allel zostanie odziedziczony, to druga mutacja wystarczy, aby nastąpiła transformacja nowotworowa.

3) W trzecim etapie kancerogenezy, w związku z ekspresją onkogenów, dochodzi do syntezy onkoprotein i realizacji ich działania (bezpośrednio lub przy udziale komórkowych czynników wzrostu i ich receptorów). Od tego momentu zmieniona genotypowo komórka nabywa fenotyp nowotworu.

4) Czwarty etap karcynogenezy charakteryzuje się proliferacją i wzrostem liczby komórek nowotworowych, co prowadzi do powstania nowotworu (węzła nowotworowego).

Substancje potencjalnie rakotwórcze same w sobie nie powodują wzrostu nowotworu. Pod tym względem nazywane są prokarcynogenami lub substancjami prekarcynogennymi. W organizmie ulegają przemianom fizycznym i chemicznym, w wyniku czego stają się prawdziwymi, ostatecznymi substancjami rakotwórczymi.

Istnieją dwa powiązane ze sobą etapy kancerogenezy chemicznej: inicjacja i awans.

Na etapie inicjacji ostateczny czynnik rakotwórczy oddziałuje z genami kontrolującymi podział i dojrzewanie komórek (protoonkogeny). W tym przypadku następuje albo mutacja protoonkogenu (genomowy mechanizm zmiany programu genetycznego), albo jego regulacyjna derepresja (mechanizm epigenomiczny). Protoonkogen zamienia się w onkogen. Zapewnia to transformację nowotworową komórki. I chociaż taka komórka nie ma jeszcze fenotypu nowotworowego (nazywa się ją „utajoną” komórką nowotworową), proces inicjacji jest już nieodwracalny. Zainicjowana komórka zostaje unieśmiertelniona (nieśmiertelna). Pozbawiona jest tzw. granicy Hayflicka: ściśle ograniczonej liczby podziałów (zwykle około 50 w hodowli komórek ssaków).

TEORIE WYJAŚNIAJĄCE MECHANIZMY KARCYNOGENEZY

1. Teoria mutacji (G. Boveri), Zgodnie z którą transformacja normalnej komórki w komórkę nowotworową opiera się na mutacji.

2. Teoria epigenomiki (K. Heidelberg i in.). Zgodnie z tą teorią przemiana normalnej komórki w komórkę nowotworową nie jest związana z mutacjami genowymi, tj. zmiany lub uszkodzenia ich struktury, lecz jest spowodowane jednoczesną represją genów hamujących podział komórek i derepresją genów stymulujących ich podział. Prowadzi to do niekontrolowanego podziału komórek i przeniesienia ich zmian epigenomicznych na dziedziczenie.

Oprócz genów strukturalnych istnieją także geny regulatorowe: geny aktywatorowe zwiększają liczbę kopii genów, geny represorowe zmniejszają liczbę kopii genów.

Zgodnie z tą hipotezą gen aktywujący trafia do odcinka DNA odpowiedzialnego za ekspresję określonego genu, np. w plazmocytomie, objawia się to zwiększoną syntezą immunoglobulin. Jednocześnie gen aktywujący może znajdować się blisko genu kontrolującego proliferację i różnicowanie normalnej komórki. Wtedy oba te procesy mogą wymknąć się spod kontroli. Rezultatem będzie utworzenie guza. Zwykle taka aktywacja ma miejsce, gdy konieczne jest odtworzenie utraconej populacji komórek, ale jest kontrolowana.

W genach odkryto także geny hamujące rozwój nowotworu. hamują ekspresję onkogenów. na przykład w siatkówczaku, guzie siatkówki, stwierdzono brak genów hamujących ekspresję onkogenów, ten dziedziczny guz wykrywa się u dzieci najczęściej w wieku dwóch lat. W 90% przypadków gen siatkówczaka jest przekazywany przez ojca.

3. Teoria wirusowo-genetyczna (L.A. Zilber i in.), według którego transformacja nowotworu jest związana z wprowadzeniem wirusowego DNA (lub kopii DNA wirusowego RNA) do genomu komórkowego. Mechanizm transformacji nowotworu można przedstawić następująco: fragment wirusowego DNA staje się częścią genomu komórki gospodarza. Gen DNA staje się onkogenem. Wirusy RNA, wykorzystując odwrotną transkryptazę na matrycy RNA, syntetyzują DNA, które jest również włączane do genomu komórki gospodarza.

4. Teoria wirusów endogennych (R. Huebner, G. Todaro). Zgodnie z tą teorią geny wirusowe, czyli onkogeny, pozostają w genomie komórkowym ludzi i zwierząt w stanie stłumionym przez całe życie organizmu i są dziedziczone jak zwykłe geny komórkowe. Onkogeny wirusowe mogą zostać aktywowane przez ekspozycję na dowolny czynnik rakotwórczy, co może skutkować przekształceniem normalnej komórki w komórkę nowotworową. Uważa się, że te endogenne wirusy to dawne onkornawirusy, które we wczesnych stadiach ewolucji weszły do ​​genomu komórkowego wszystkich organizmów wielokomórkowych. Po zainfekowaniu komórek wirusowy RNA zsyntetyzował DNA poprzez własną transkryptazę – kopie, które trafiły do ​​genomu i pozostały tam na zawsze w stanie utajonym.

5. Teoria powstawania genów nowotworowych – protowirusów (N. Temin, D. Baltimore). Zgodnie z tą hipotezą, w normalnych warunkach, kopie DNA niezbędne do wzmocnienia funkcji normalnych genów są syntetyzowane na matrycach RNA za pomocą komórkowej rewerazy. Narażenie na czynniki rakotwórcze prowadzi do zakłóceń i zmian w strukturze matryc RNA, co prowadzi do ich syntezy zmutowanych kopii DNA. Te zmutowane kopie DNA mogą potencjalnie stać się matrycą do tworzenia endogennego wirusa RNA, który jest włączany do genomu komórkowego i powoduje transformację nowotworową komórki.

6. Teoria niedoboru naprawy DNA (M.M. Vilenchik). Zgodnie z tą teorią DNA komórkowe nawet w normalnych warunkach jest stale narażone na agresywne działanie mutagenów egzogennych i endogennych, m.in. geny nowotworowe. W zdecydowanej większości przypadków do transformacji nowotworowej komórek nie dochodzi ze względu na funkcjonowanie układu naprawy DNA, który eliminuje uszkodzone odcinki nukleotydów. Czynniki ograniczające aktywność układu naprawy DNA sprzyjają rozwojowi mutacji indukowanych lub samoistnych, m.in. i nowotwór, który sprzyja transformacji nowotworowej komórek.

7. Teoria niewystarczalności nadzoru immunologicznego prawidłowego składu antygenowego środowiska wewnętrznego organizmu (F. Burnet). Zgodnie z tą teorią w organizmie stale zachodzą spontaniczne mutacje, w wyniku których powstają zmutowane komórki, w tym komórki nowotworowe, zawierające antygeny niosące oznaki obcej genetycznie informacji. Komórki posiadające takie antygeny ulegają zniszczeniu przez mechanizmy efektorowe układu odpornościowego. W warunkach immunosupresji takie spontanicznie występujące komórki nowotworowe nie ulegają zniszczeniu i nadal namnażają się, tworząc nowotwór. Immunosupresja może być spowodowana różnymi czynnikami, w tym: i substancje rakotwórcze.

8. Teoria dwuetapowej karcynogenezy (I. Berenblum). Według tej teorii wyróżnia się dwa etapy:

1) indukcja (inicjacja) - stan najprawdopodobniej związany z mutacją w jednym z genów regulujących reprodukcję komórek, która prowadzi do powstania utajonej, uśpionej komórki nowotworowej. Odwrotna transformacja komórek nowotworowych w zdrowe jest mało prawdopodobna. Ale to wszystko nie oznacza, że ​​​​po pojawieniu się komórek nowotworowych w organizmie natychmiast następuje proces nowotworowy. Poprzedza go okres utajony, który trwa miesiące, lata, czasem dekady. Te. na tym etapie komórka zostaje zainicjowana, tj. potencjalnie zdolny do nieograniczonego podziału, ale wymagający szeregu dodatkowych warunków, aby przejawić tę zdolność.

2) promocje - aktywacja i proliferacja wcześniej utajonych komórek nowotworowych, powodująca powstanie nowotworu. Te. wpływ dodatkowych czynników promotorowych indukuje podział komórek nowotworowych, w wyniku czego tworzy się masa krytyczna inicjowanych komórek. To z kolei przyczynia się do:

a) po pierwsze, uwolnienie zainicjowanych komórek spod kontroli tkankowej,

b) po drugie, proces mutacji

Pojedyncze narażenie zwierząt na chemiczne czynniki rakotwórcze w eksperymencie może zamienić normalną komórkę w komórkę nowotworową, ale wtedy wymagane jest działanie promotorów. Organizm ludzki syntetyzuje działania promotorowe: hormony steroidowe, niektóre mediatory stanu zapalnego i czynniki wzrostu. Wiele z nich jest uwalnianych podczas stanu zapalnego (zwłaszcza przewlekłego), zapewniając proliferację komórek zastępczych.

Na etapie inicjacji ważną rolę odgrywa farmakokinetyka kancerogenu, jego metabolizm, wiązanie z DNA oraz aktywność procesów replikacji i naprawy DNA. Dalszy rozwój – o postępie komórek nowotworowych zadecydują czynniki modyfikujące. W większości mają one działanie promotorowe. Czynniki modyfikujące obejmują płeć, wiek, czynniki hormonalne i immunologiczne, styl życia i odżywianie człowieka.

9. Teoria onkogenów o charakterze wirusowym i innym (D. Baltimore, M. Bardatsid). W latach siedemdziesiątych odkryto, że genom retrowirusa (na przykład wirusa Rous) składa się z 4 genów (genom komórkowy człowieka obejmuje 50–100 tysięcy genów). Każdy gen koduje syntezę określonych białek. Jeden z tych czterech genów wirusowych okazał się onkogenem kodującym syntezę onkoproteiny „mięsaka”, która powoduje transformację normalnej komórki w komórkę nowotworową (src-onkogen). Jeśli onkogen src zostanie usunięty z wirusa Rous, wirus traci zdolność do indukowania wzrostu nowotworu. Do chwili obecnej w 20 badanych onkornawirusach odkryto około 30 onkogenów. Wszystkie wirusowe onkogeny są zwykle oznaczone trzema literami: na przykład V-src (wirus V, mięsak src-Rouse).

Ustalono, że DNA komórek somatycznych ssaków zawiera regiony homologiczne pod względem składu nukleotydowego z onkogenem src wirusa mięsaka Rousa. W normalnych komórkach wirusowy analog onkogenu jest nieaktywny. Nazywano go protoonkogenem, w przeciwieństwie do komórki nowotworowej, w której jest aktywny – zwanego onkogenem komórkowym. Ponadto w nowotworach odkryto wiele onkogenów komórkowych, których nie ma w wirusach.

Źródłem onkogenów komórkowych są protoonkogeny komórkowe – prekursory onkogenów. Uważa się, że onkogeny komórkowe i ich prekursory nie pochodzą z onkogenów wirusowych; raczej onkogeny wirusowe powstały z onkogenów komórkowych.

Zatem onkogeny onkornawirusów nie są pierwotnie nieodłączne od wirusów, ale są przez nie „skradzione” z genomu komórek, które odwiedziły. Istnieją powody, aby sądzić, że komórkowe protoonkogeny, z których bezpośrednio powstają onkogeny komórkowe, są normalnymi genami, które programują podział i dojrzewanie komórek podczas rozwoju embrionalnego płodu ludzkiego. Kiedy pod wpływem czynników rakotwórczych zmienia się ich struktura lub aktywność, zamieniają się w aktywne onkogeny komórkowe, powodując transformację nowotworową komórek.

Nowoczesny model kancerogenezy (teoria onkogenno-antykogenna) ma charakter integralny, łączący opisane powyżej czynniki etiologiczne i mechanizmy, czyli nowotwory złośliwe są obecnie uważane za polietiologiczne. Jednak wszystkie nowotwory rozwijają się zgodnie z ogólnymi prawami.

ETAPY KARCYNOGENEZY

Niezależnie od konkretnej przyczyny transformacji nowotworowej komórki, budowy histologicznej i lokalizacji guza, w procesie onkogenezy wyróżnia się trzy etapy: inicjacja, awans i progresja(ryc. 2). Czynniki rakotwórcze, w zależności od tego, czy działają w fazie inicjacji, czy promocji, dzielimy na inicjatory, promotory i kancerogeny pełne (działające w obu stadiach).

Ryż. 2 Etapy karcynogenezy

Etap inicjacji

Na etapie inicjacji ostateczny czynnik rakotwórczy oddziałuje z loci DNA zawierającymi geny kontrolujące podział i dojrzewanie komórek. Onkogeny ulegają aktywacji, a antyonkogeny są tłumione. Onkoproteiny zdają sobie sprawę ze swoich skutków. Proces inicjacji następuje w ciągu kilku minut lub godzin. I chociaż inicjowana komórka nie ma jeszcze fenotypu nowotworowego, to jej genotyp został już przekształcony w nowotworowy. Proces inicjacji jest nieodwracalny. Jednakże transformowane komórki pozostają nieaktywne bez dodatkowego bodźca do proliferacji.

Etap promocji

Pod wpływem szeregu czynników promotorowych transformowana komórka nabiera fenotypu nowotworowego i zostaje unieśmiertelniona (od angielskiego immortality, eternity, immortality). Pozbawiona jest tzw. granicy Hayflicka: ściśle ograniczonej liczby podziałów (zwykle około 50 w hodowli komórek ssaków). Tworzy się pierwotny węzeł nowotworowy. Jednakże na tym etapie guz nie jest jeszcze zdolny do infiltracji wzrostu i przerzutów. Etap awansu jest odwracalny.

Etap progresji

Progresja polega na dodatkowych zmianach w strukturze genomu, które stale zachodzą w wyniku nabytej niestabilności genetycznej. W rezultacie powstają subklony, które są najlepiej przystosowane do zmieniających się warunków życia i są agresywne w stosunku do organizmu gospodarza. W wyniku ich selekcji wzrasta złośliwość guza, który nabywa zdolność do inwazyjnego wzrostu i przerzutów.Stadium progresji jest nieodwracalne.

Obecnie ustalono, że rak, czyli nowotwór złośliwy, jest chorobą aparatu genetycznego komórki, która charakteryzuje się długotrwałymi przewlekłymi procesami patologicznymi, czyli prościej karcynogenezą, która rozwija się w organizmie przez dziesięciolecia. Przestarzałe poglądy na temat przemijania procesu nowotworowego ustąpiły miejsca bardziej nowoczesnym teoriom.

Proces przekształcania normalnej komórki w komórkę nowotworową jest spowodowany nagromadzeniem mutacji spowodowanych uszkodzeniem genomu. Do powstania tych uszkodzeń dochodzi zarówno w wyniku przyczyn endogennych, takich jak błędy replikacji, niestabilność chemiczna zasad DNA i ich modyfikacja pod wpływem wolnych rodników, jak i pod wpływem zewnętrznych czynników sprawczych o charakterze chemicznym i fizycznym.

Teorie karcynogenezy

Badanie mechanizmów transformacji komórek nowotworowych ma długą historię. Do chwili obecnej zaproponowano wiele koncepcji próbujących wyjaśnić karcynogenezę i mechanizmy transformacji komórki normalnej w komórkę nowotworową. Większość z tych teorii ma jedynie znaczenie historyczne lub stanowi integralną część uniwersalnej teorii kancerogenezy akceptowanej obecnie przez większość patologów – teorii onkogenów. Onkogenna teoria karcynogenezy umożliwiła zbliżenie się do zrozumienia, dlaczego różne czynniki etiologiczne powodują w zasadzie jedną chorobę. Była to pierwsza ujednolicona teoria pochodzenia nowotworów, obejmująca postęp w dziedzinie karcynogenezy chemicznej, radiacyjnej i wirusowej.

Główne założenia teorii onkogenu zostały sformułowane na początku lat 70. XX wieku. R. Huebnera i G. Todaro, którzy zasugerowali, że aparat genetyczny każdej normalnej komórki zawiera geny, które, jeśli zostaną przedwcześnie aktywowane lub upośledzone, mogą przekształcić normalną komórkę w komórkę nowotworową.

W ciągu ostatnich dziesięciu lat onkogenna teoria karcynogenezy i nowotworów zyskała nowoczesną formę i można ją sprowadzić do kilku podstawowych postulatów:

• onkogeny – geny, które ulegają aktywacji w nowotworach, powodując wzmożoną proliferację i reprodukcję oraz hamowanie śmierci komórek; onkogeny wykazują właściwości transformujące w eksperymentach transfekcji;
• niezmutowane onkogeny działają na kluczowych etapach procesów proliferacji, różnicowania i programowanej śmierci komórki, będąc pod kontrolą systemów sygnalizacyjnych organizmu;
• uszkodzenia genetyczne (mutacje) w onkogenach prowadzą do uwolnienia komórki od zewnętrznych wpływów regulacyjnych, co leży u podstaw jej niekontrolowanego podziału;
• mutacja w jednym onkogenie jest prawie zawsze kompensowana, więc proces transformacji złośliwej wymaga połączenia zaburzeń w kilku onkogenach.

Karcynogeneza ma także drugą stronę problemu, która dotyczy mechanizmów hamowania transformacji nowotworowej i jest związana z funkcją tzw. antykogenów (genów supresorowych), które normalnie działają inaktywująco na proliferację i sprzyjają indukcji apoptozy. Antyonkogeny mogą powodować odwrócenie złośliwego fenotypu w eksperymentach transfekcji. Prawie każdy nowotwór zawiera mutacje w antykogenach, zarówno w postaci delecji, jak i mikromutacji, a inaktywujące uszkodzenie genów supresorowych jest znacznie częstsze niż aktywujące mutacje w onkogenach.

Karcynogeneza obejmuje molekularne zmiany genetyczne, na które składają się następujące trzy główne elementy: mutacje aktywujące w onkogenach, mutacje inaktywujące w antykogenach i niestabilność genetyczna.

Ogólnie rzecz biorąc, karcynogenezę na współczesnym poziomie uważa się za konsekwencję naruszenia prawidłowej homeostazy komórkowej, wyrażającej się utratą kontroli nad rozmnażaniem oraz wzmocnieniem mechanizmów ochronnych komórki przed działaniem sygnałów apoptozy, czyli zaprogramowaną śmiercią komórki . W wyniku aktywacji onkogenów i wyłączenia funkcji genów supresorowych komórka nowotworowa uzyskuje niezwykłe właściwości, objawiające się unieśmiertelnieniem (nieśmiertelnością) i zdolnością do przezwyciężenia tzw. starzenia replikacyjnego. Zaburzenia mutacyjne w komórce nowotworowej dotyczą grup genów odpowiedzialnych za kontrolę proliferacji, apoptozy, angiogenezy, adhezji, sygnałów transbłonowych, naprawy DNA i stabilności genomu.

Jakie są etapy karcynogenezy?

Kancerogeneza, czyli rozwój nowotworu przebiega w kilku etapach.

Kancenogeneza pierwszego etapu - etap transformacji (inicjacji) - proces przekształcenia komórki normalnej w komórkę nowotworową (nowotworową). Transformacja jest wynikiem interakcji normalnej komórki z czynnikiem transformującym (kancerogenem). Podczas I etapu karcynogenezy dochodzi do nieodwracalnego uszkodzenia genotypu komórki prawidłowej, w wyniku czego przechodzi ona w stan predysponowany do transformacji (komórka utajona). Na etapie inicjacji czynnik rakotwórczy lub jego aktywny metabolit wchodzi w interakcję z kwasami nukleinowymi (DNA i RNA) oraz białkami. Uszkodzenie komórki może mieć charakter genetyczny lub epigenetyczny. Zmiany genetyczne odnoszą się do wszelkich modyfikacji sekwencji DNA lub liczby chromosomów. Należą do nich uszkodzenie lub rearanżacja pierwotnej struktury DNA (na przykład mutacje genów lub aberracje chromosomowe) lub zmiany w liczbie kopii genów lub integralności chromosomów.

Karcynogeneza drugiego etapu to etap aktywacji, czyli promocji, którego istotą jest namnażanie transformowanej komórki, powstawanie klonu komórek nowotworowych i guza. Ta faza karcynogenezy, w odróżnieniu od fazy inicjacji, jest odwracalna, przynajmniej w początkowej fazie procesu nowotworowego. Podczas promocji zainicjowana komórka nabywa właściwości fenotypowych komórki transformowanej w wyniku zmienionej ekspresji genów (mechanizm epigenetyczny). Pojawienie się komórki nowotworowej w organizmie nie musi nieuchronnie prowadzić do rozwoju choroby nowotworowej i śmierci organizmu. Indukcja nowotworu wymaga długotrwałej i stosunkowo ciągłej ekspozycji na promotor.

Promotory wywierają różnorodny wpływ na komórki. Wpływają na stan błon komórkowych, które posiadają specyficzne receptory dla promotorów, w szczególności aktywują błonowe kinazy białkowe, wpływają na różnicowanie komórek i blokują komunikację międzykomórkową.

Rosnący guz nie jest zamrożoną, stacjonarną formacją o niezmienionych właściwościach. W procesie wzrostu jego właściwości stale się zmieniają: niektóre cechy znikają, inne pojawiają się. Ta ewolucja właściwości nowotworu nazywana jest „progresją nowotworu”. Progresja jest trzecim etapem wzrostu nowotworu. Wreszcie czwarty etap jest wynikiem procesu nowotworowego.

Karcynogeneza powoduje nie tylko trwałe zmiany w genotypie komórki, ale ma także różnorodny wpływ na poziomie tkanek, narządów i organizmów, tworząc w niektórych przypadkach warunki sprzyjające przetrwaniu transformowanej komórki, a także późniejszemu wzrostowi i progresji nowotworów . Według niektórych naukowców schorzenia te wynikają z głębokich dysfunkcji układu neuroendokrynnego i odpornościowego. Niektóre z tych zmian mogą się różnić w zależności od charakterystyki czynników rakotwórczych, co może wynikać w szczególności z różnic w ich właściwościach farmakologicznych. Najczęstszymi reakcjami kancerogenezy, istotnymi dla powstania i rozwoju nowotworu, są zmiany w poziomie i stosunku amin biogennych w ośrodkowym układzie nerwowym, zwłaszcza w podwzgórzu, wpływające m.in. proliferację komórek, a także zaburzenia metabolizmu węglowodanów i tłuszczów, wymianę, zmiany w funkcjonowaniu różnych części układu odpornościowego.

Rozwój nowotworu w wyniku działania chemicznych czynników rakotwórczych, obecnie uważa się, że jest to proces wieloetapowy, a nie jednoetapowy. Wieloetapowy charakter karcynogenezy może mieć dwa aspekty: 1) etnologiczny – każdy etap jest wywoływany przez swój własny specyficzny czynnik, 2) morfologiczny – każdy etap ma jedynie swoje własne objawy morfologiczne i biologiczne.

Rozważenie pierwszego aspektu jest bezpośrednio związane ze zrozumieniem czynników etiologicznych, które odgrywają rolę w występowaniu i rozwoju ludzkich nowotworów złośliwych. Najbardziej akceptowanym obecnie schematem jest schemat dwuetapowy: w pierwszym etapie (inicjacji) następuje opisane powyżej oddziaływanie genotoksycznego czynnika rakotwórczego z genomem komórki, prowadzące do jej całkowitej lub częściowej transformacji.

Na drugim etapie(promocja) następuje albo transformacja częściowo transformowanej komórki w komórkę nowotworową, albo proliferacja całkowicie transformowanej komórki z utworzeniem guza. Hipotezę o dwuetapowym rozwoju nowotworów wysunięto ponad 40 lat temu na podstawie eksperymentów przeprowadzonych na skórze myszy, gdzie pojedyncza subkaniogenna dawka BP, MX lub DMBA (7,12-dimetylobenz(a) antracen) zastosowano jako inicjator, a promotor – długotrwałe stosowanie oleju krotonowego.

Niektórzy wzorce inicjacji- inicjator kombinacji promocji – promotor działa tylko we wskazanej kolejności, a nie w odwrotnej kolejności; inicjacja jest nieodwracalna, a promocja jest odwracalna do pewnego momentu, czyli zniesienie promotora może prowadzić do regresji powstających brodawczaków, inicjator można zastosować jednorazowo, ale promotor trzeba stosować długoterminowo; efekt połączenia inicjatora z promotorem jest wielokrotnie większy niż suma efektów każdego z nich wziętych z osobna itp. Szczególnie ten ostatni był szczególnie demonstracyjny: jeśli dawka zastosowanych WWA i dawka oleju krotonowego użytego przez same w sobie albo w ogóle nie powodowały brodawczaków skóry, albo powodowały pojedyncze nowotwory, ich kombinacja w określonej kolejności doprowadziła do pojawienia się brodawczaków mnogich u wszystkich lub prawie wszystkich myszy. Przy odpowiednio długotrwałym stosowaniu oleju krotonowego część brodawczaków stała się złośliwa.

Ponieważ w tych eksperymentach zastosowaną dawkę oleju krotonowego sam w sobie nie powodował nowotworów, stwierdzono, że promowanie inicjacji oznacza wzrost karcynogenezy przez czynnik nierakotwórczy. Praktyczne znaczenie tego wniosku powinno być ogromne, biorąc pod uwagę, że w środowisku człowieka istnieje oczywiście więcej czynników nierakotwórczych zdolnych do stymulacji wzrostu nowotworów niż samych czynników rakotwórczych.Rozwój nowotworów pod wpływem samych czynników rakotwórczych (bez żadnych dodatkowych wpływami) tłumaczono faktem, że nie mają one działania inicjującego i promotorowego, i zaczęto je nazywać „pełnymi” substancjami rakotwórczymi.

Podczas trzy dekady zjawisko to reprodukowano wyłącznie na skórze myszy, dlatego zaczęto je uważać za ciekawostkę eksperymentalną, nie związaną tylko z człowiekiem, ale także z rozwojem nowotworów w innych narządach zwierząt.Od lat 70. XX w. zjawisko inicjacji - Promocję odtworzono na nowotworach narządów wewnętrznych myszy, szczurów i chomików, wywołanych przez szeroką gamę czynników rakotwórczych. Ponieważ hipoteza dwuetapowej karcynogenezy jest obecnie stale wykorzystywana w analizie możliwych przyczyn rozwoju nowotworów u ludzi, powinniśmy pokrótce zatrzymać się nad nowymi eksperymentalnymi modelami inicjacji i promocji.

Zastosowanie tych modeli umożliwiło identyfikację 2 grupy stymulantów kancerogenezy niektóre wpływające na transport, metabolizm czynników rakotwórczych, ich wiązanie z DNA, czyli etap inicjacji nowotworu (nazywano je kokarcynogenami), a inne - promotory stymulujące proliferację w już powstałych komórkach nowotworowych, czyli przyspieszające wzrost guza, bez względu na wszystko czynnik rakotwórczy, który może być spowodowany przez Modyfikatory, które hamują te etapy karcynogenezy, nazywane są odpowiednio czynnikami promieniotwórczymi i antypromotorami. Zatem jeśli modyfikator zostanie wprowadzony przed lub jednocześnie z działaniem czynnika rakotwórczego, będzie to miało wpływ na inicjację.Aby zbadać aktywność promotora, modyfikator należy wprowadzić po ustaniu działania czynnika rakotwórczego.

Jako inicjatorzy w takich eksperymentach stosuje się substancje rakotwórcze działające tropowo na ten narząd.Najwięcej badań przeprowadzono na nowotworach wątroby szczurów: tutaj działanie promotorowe wywierał fenobarbital, polichlorowane bifenyle, pestycydy, DDT i dieldryna, heksachlorobenzen, estrogen opracowano leki, kwasy żółciowe i systemy przyspieszone do wykrywania aktywności promotora. W przypadku nowotworów okrężnicy u szczurów promotorami są niektóre kwasy żółciowe, dieta wysokotłuszczowa. W przypadku nowotworów pęcherza moczowego - sacharyna, allopurinol, askorbinian sodu, erytorbinian sodu, fenylofenol sodu , fenotiazyna, butylohydrokswaninzol. W przypadku nowotworów nerek u szczurów promotorami były propionian testosteronu, środki nefrotoksyczne (kwas foliowy, leukcynimid dichlorofeiny, sól sodowa kwasu nitrylooctowego, cyklodekstryna itp.).

Indukcja nowotworów macicy i gruczołu sutkowego mogą być przyspieszane przez estrogeny, a nowotwory gruczołowego żołądka u szczurów - przez kwasy żółciowe, sól kuchenną, nowotwory tarczycy - przez metylo- i propylotiouracyl, dietę ubogą w jod, 3-amio-1,2 ,4-triazol, fenobarbital, 4,4"-diaminodifenylometan