Лекция 23. Биохимия опухолевой ткани

химии
д.б.н., доцент Суменкова Д.В.

из центральных в современной медицине. В последние десятилетия произошло значительное

увеличение частоты онкологических заболеваний. Злокачественные опухоли занимают второе место в списке причин смертности населения.

Особенности метаболизма опухолевой ткани
Иметь представление о механизме действия противоопухолевых лекарственных

препаратов-ингибиторов синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот, о биохимических методах диагностики

опухолевой ткани.
Биохимические основы диагностики и терапии опухолей.

аппарата (мутации) и, как следствие, опухолевую трансформацию клеток (лат. сancer

– рак).

Природа канцерогенов:
Физическая (например, ионизирующая радиация, УФО, ЭМП)
Химическая
Биологическая (например, вирусы, некоторые бактерии)

80-90% всех злокачественных опухолей вызваны химическими канцерогенами

в этиологии рака. Связал рак мошонки у трубочистов с длительным

контактом кожи с сажей.

В 19 веке была выявлена высокая частота рака кожи у немецких рабочих, имевших длительный контакт с каменоугольной смолой — основным ингредиентом сажи.

Позже было установлено и доказано экспериментальным путём, что канцерогенными веществами, которые содержатся в каменноугольной смоле и саже являются полициклические ароматические углеводороды.

метаболической модификации.

Полициклические ароматические углеводороды (например, бензопирен) - продукты неполного сгорания

каменного угля, нефти, табака, бытового мусора, выхлопных газов;
основные пищевые источники – копченое, пережаренное мясо;
становятся канцерогенами под действием ферментов детоксикации ксенобиотиков
Ароматические амины – вещества, использующиеся в производстве анилиновых красителей и резиновой промышленности

нитритами и нитратами (компоненты пищи)
Алкилирующие агенты (например, винилхлорид, поливинилхлорид)
Неорганические вещества

(свинец, кадмий, асбест, хром)

вирус Эпштейна-Барр – лимфома Ходжкина (30-50% случаев)
вирус папиломы –

рак гениталий (около 300 тыс. случаев в год)
вирус гепатита В – рак печени (в 25% случаев в странах Азии и Африки)
Бактериальный канцерогенез
большинство разновидностей рака желудка связано с инфицированием Helicobacter pylori

– молекулы ДНК (мутации)
Нерепарированные мутации генов белков, участвующих в механизмах

регуляции деления и роста клеток – основа опухолевой трансформации
Возможна наследственная предрасположенность, которая значительно увеличивает риск развития опухолей под влиянием канцерогенов:
пигментная ксеродерма (дефект ферментов репарации) сопровождается развитием карциномы кожи на участках, подверженных УФО

процессов роста и деления клеток (факторы роста, рецепторы факторов роста,

факторы транскрипции, белки сигнальных систем, ингибиторы апоптоза bcl-2 bcl-x) – протоонкогены
Протоонкогены в результате нерепарируемых мутаций превращаются в онкогены
Канцерогенные факторы повышают нерегулируемую активность протоонкогенов

представитель – ген, контролирующий синтез белка р53 (белок с молекулярным

весом 53кДа)
Р53 регулирует апоптоз, контролируя таким образом активность протоонкогенов (запускает гибель клетки, предотвращая появление вредоносных мутаций, в том числе и опухолеродных)

начале которых лежит инактивация гена р53 путем случайно или индуцированной

мутации или инактивации онкогеном (например, онкогены некоторых вирусов инактивируют р53)
«Поломка» процесса апоптоза приводит к накоплению различных мутаций, среди которых – мутации, активирующие проонкогены, которые, в свою очередь, превращаются в онкогены

накопление в клетках мутаций специфических генов и изменение структуры соответствующих

белков и, как следствие,
либо неадекватная митогенная стимуляции клетки
либо инактивация генов-супрессоров, обеспечивающих профилактику опухолевой трансформации
либо сочетание того и другого (чаще всего)

неправильной работы генов, которая может быть обусловлена, например, метилированием ДНК

Исследования

последних лет показали, что
в канцерогенезе две составляющие – генетическая и эпигенетическая, причем вклад каждой из них в конкретные формы опухолей человека варьирует в широких пределах.
Гены-супрессоры и гены репарации в опухолях инактивированы в результате либо их повреждения, либо метилирования промоторов. Поэтому канцерогенами могут быть не только мутагены, но и другие факторы, воздействующие на клеточный метаболизм (в частности, на метилирование).

В отличие от мутаций, которые не обратимы, модификации ДНК, хотя и весьма стабильны, но в принципе обратимы, что позволяет думать о перспективах терапевтического воздействия

и белков
Особенности обмена нуклеотидов и матричных синтезов
Особенности обмена витаминов, микро-

и макроэлементов
Синтез атипичных и эмбриональных белков, факторов роста, протеаз
Биохимические особенности структурных компонентов опухолевой клетки

и имеет анаболическую направленность

глюкозы: Высокая скорость гликолиза для синтеза АТФ

Преобладание анаэробного гликолиза даже

в присутствии кислорода (обратный эффект Пастера):
чем менее дифференцирована опухоль и чем выше скорость ее роста, тем интенсивнее анаэробный гликолиз (субстратное фосфорилирование АДФ) и слабее окислительное фосфорилирование АДФ

Аномальная изоформа гексокиназы имеет высокое сродство к глюкозе (Км имеет

очень низкое значение) и не регулируется инсулином
Аномальная изоформа фосфофруктокиназы не ингибируется АТФ и цитратом
Аномальная изоформа лактатдегидрогеназы имеет высокую активность
Анаэробный гликолиз – источник повышенной секреция лактата (эффект Варбурга) и метаболического ацидоза

гипогликемии и усилению синтеза глюкозы в печени из аминокислот и

лактата (цикл Кори), что приводит к энергетическому дефициту в организме

клетки интенсивно поглощают из крови свободные жирные кислоты, холестерин и

фосфолипиды в составе липопротеинов, которые используются ими в качестве субстратов для построения липидов, входящих в состав цитоплазматических мембран.
В организме человека с опухолевым ростом усиливается липолиз (больной худеет – кахексия) и перекисное окисление липидов. Образующиеся при этом свободные радикалы повреждают ЦПМ , например, мембраны эритроцитов, приводя к гемолизу и анемии.

«ловушка азота»
Опухолевые клетки интенсивно извлекают из притекающей крови аминокислоты
В опухолевых

клетках в 50 раз интенсивнее идет синтез аминокислот
В опухолевых клетках резко снижена активность ферментов, осуществляющих дезаминирование аминокислот (катаболизм)
В организме человека с онкологическим заболеванием наблюдается отрицательный азотистый баланс за счет активации катаболизма белков

катаболизма пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов, которые используются как субстраты в

синтезе нуклеиновых кислот
Уменьшение содержания гистоновых белков в нуклеопротеидных комплексах (гистоны – супрессоры синтеза ДНК)
Повышена активность ДНК- и РНК-полимераз, идет интенсивный синтез нуклеиновых кислот (репликация и транскрипция), стимулируется синтез как хромосомной, так и митохондриальной ДНК
Повышена активность рибонуклеотидредуктазы (образование дезоксирибонуклеотидов для синтеза ДНК)
Снижена активность нуклеаз
Активация матричных синтезов – необходимое условие для активной пролиферации опухолевых клеток

ткани изучены недостаточно.
Многие водорастворимые витамины интенсивно захватываются опухолевыми клетками для

образования коферментов и обеспечения биохимических реакций, интенсивного деления и роста клеток.
Можно предположить особенно интенсивный захват опухолевыми клетками фолиевой кислоты и ее коферментов для обеспечения синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.
Различные опухоли являются «ловушкой» жирорастворимого витамина Е. Он обладает антиоксидантной активностью в связи с его способностью нейтрализовать свободнорадикальные агенты и способствовать стабилизации клеточных мембран. По-видимому, это является одним из механизмов повышения устойчивости опухолевых клеток к цитотоксическим воздействиям.

показано обеднение клеток Ca, Na, Mg, Zn и накопление в

них K и Cu.
При злокачественных новообразованиях часто наблюдается гиперкальциемия. Причины гиперкальциемии:
Синтез опухолевыми клетками паратгормон-подобных пептидов
Метастазирование в кости (слабая корреляция между метастатическим поражением костей и степенью гиперкальциемии)
Последствия гиперкальциемии для организма:
нарушение функции почек (образование камней)
уменьшение секреции паратгормона, нарушение канальцевой реабсорбции кальция, вымывание кальция из костей

вещества
Кровь, бедная питательными веществами
Развитие опухоли в организме приводит к значительным

сдвигам в обмене веществ.
Анаболическая направленность метаболизма опухоли усиливает катаболические процессы в нормальных клетках. На определенной стадии функциональные резервы органов и систем оказываются исчерпанными, возникает раковая кахексия (истощение)

Развитие кахексии отчасти связано с увеличением уровня кахектина (ФНО-альфа), который вырабатывается опухоль-ассоциированными макрофагами. Один из эффектов кахектина – увеличение затрат энергии.

обычно не производят):
карцинома легких – АКТГ
карцинома почек -

паратгормон
гепатома – хорионический гонадотропин
Аномальные белки
парапротеины – структурно аномальные и функционально неполноценные иммуноглобулины при миеломной болезни (злокачественная опухоль плазматических клеток)

кислоты, защищает от иммунного отторжения)
теломераза (фермент, достраивающий теломеры – концевые

участки хромосом, которые укорачиваются при каждой репликации и являются фактором, лимитирующим количество делений клетки; за счет работы этого фермента клетка становится бессмертной)

инвазивный рост и метастазирование
Коллагеназа
Катепсин В (активатор проколлагеназы и металлопротеаз)
Гепараза

Плазмин

факторов ангиогенеза, что является ключевым звеном в прогрессии опухоли
Способность синтезировать

гормоны и факторы роста, а также рецепторное «упрощение» позволяют опухолевой клетке «ускользать» от регуляторного влияния организма в целом и переходить на паракринно-аутокринный механизм регуляции клеточного деления и роста, приобретая таким образом «автономность».

ЦПМ (интегриновых и адгезивных белков), что лежит в основе нарушения

межклеточных взаимодействий, нерегулируемого размножения, метастазирования и лекарственной устойчивости:
фибронектина (связывает клетки с компонентами межклеточного матрикса)
кадгерина (образует межклеточные связи)
катенина (связывает кадгерин с цитоскелетом, является компонентом сигнальных систем и регулирует пролиферацию в комплексе с АРС-белком)
Р-гликопротеина (транспортная АТФ-аза, экскретирующая ионы хлора и гидрофобные ксенобиотики, включая противоопухолевые лекарственные препараты)

ЦПМ, снижено количество кальция, участвующего в межклеточных взаимодействиях
Рецепторное «упрощение» (например,

снижено количество рецепторов к ряду гормонов, поэтому клетка теряет способность реагировать на регуляторное воздействие со стороны организма)
Антигенное «упрощение» (например, снижено количество рецепторов главного комплекса гистосовместимости, что способствует «ускользанию» от надзора имунной системы)

клетками нормальных тканей в ответ на рост опухоли.
Онкомаркёрами могут быть
Атипичные

и эмбриональные белки, т.е. продукты аномальной экспрессии генома опухолевой клетки (например, онкофетальные белки, эктопические гормоны)
Нормальные белки, но продуцируемые опухолевыми клетками в больших количествах (например, простатоспецифический антиген)
Ферменты (например, щелочная фосфатаза при метастазировании опухолей в печень)

патологических состояний, не связанных с ростом опухоли, отмечается неспецифическое, часто

незначительное повышение уровня маркёра
Идеальный маркёр может использоваться для:
Скрининга
Диагностики
Оценки прогноза
Мониторинга лечения
Дальнейшего наблюдения с целью выявления рецидивов

Многие маркёры с успехом применяются для нескольких целей одновременно, но всем требованиям отвечает хорионический гонадотропин – маркёр хориокарциномы (злокачественная пролиферация ворсин хориона). Этот маркёр является и исключительно чувствительным: позволяет обнаружить опухоли массой всего 1 мг (105 клеток)

при заболеваниях печени, поджелудочной железы, воспалительных заболеваниях кишечника
низкая чувствительность не

позволяет использовать его для скрининга
концентрация в плазме слабо коррелирует с размером опухоли

хорошо коррелирует с размером опухоли
снижение их количества – хороший показатель

эффективности лечения

большинства пациентов с циррозом, но при наличии цирроза и концентрации

α-ФП более 500 мкг/л диагноз гепатоцеллюлярной карциномы не вызывает сомнения
при тератоме яичка может эффективно использоваться для оценки прогноза, определения стадии заболевания и мониторинга лечения

ограничены тем, что присутствует в плазме в норме, его концентрация

повышена у людей пожилого возраста и при доброкачественной гипертрофии предстательной железы
вероятность рака значительно повышается при уровне ПСА более 10 мкг/л (норма до 4 мкг/л)
совершенствуются методы определения связанного и свободного ПСА (количество связанного ПСА увеличивается при раке)

терапия
Направленный транспорт лекарственных препаратов
Генная терапия

– конкурентный ингибитор Н2-фолатредуктазы в синтезе тимидиновых нуклеотидов
5-фторурацил – может

использоваться в синтезе дУМФ и образовывать неактивный комплекс с тимидилсинтазой и метилен-Н4-фолатом, ингибируя синтез тимидиновых нуклеотидов

образуют связи с основаниями в ДНК, внутри- и межцепочечные сшивки,

нарушают репликацию
Антибиотики (доксорубицин) – внедряется между основаниями ДНК, вызывают одно- и двухцепочечные разрывы, генерируют свободные радикалы
Митотические яды
Алкалоиды Vinca (винкристин и винбластин) - ингибиторы тубулина - белка микротрубочек

молекулярные механизмы заболевания, например в лечении рака молочной железы:
препараты, блокирующие

рецепторы эстрогена на гормон-зависимых опухолевых клетках молочной железы
препараты, ингибирующие ароматазу
Направленная доставка лекарств в опухолевые клетки
для доставки используют лиганды к мембранным антигенам, экспрессия которых выше в опухолевых клетках, чем в нормальных

металлопротеаз
Генная терапия: выделение клеток у пациента, включение в клетки «лечебных»

генов, которые увеличивают иммуногенность опухоли и способствуют её уничтожению (например, ген фактора некроза опухоли), реимплантация клеток больному

по вопросам:
Биохимические основы канцерогенеза
Биохимические маркёры опухолевого роста

- М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -768 с. (раздел 16)