Введение к работе
Актуальности проблемы. Плоскоклеточный рак головы и шеи представляет собой одну из сложнейших медико-социальных проблем современной онкологии. Ежегодно в мире регистрируется свыше 500 000 новых случаев злокачественных опухолей головы и шеи и более 270 000 больных умирает от этого грозного заболевания [Grandis J.R., 2004; Stewart B.W., 2003]. В структуре онкологической заболеваемости России злокачественные новообразования головы и шеи составили в 2006 году 4,4%; а для мужского населения - 7,9%. [Чиссов В.И., 2008].
По данным литературы и гистологической классификации ВОЗ (2005 г.) плоскоклеточные карциномы головы и шеи (ПКГШ) представляют собой довольно разнообразную в анатомическом отношении группу. ПКГШ включают опухоли, развившиеся из плоского эпителия полости рта, глотки и гортани [Ridge J.A., 2008]. Несмотря на то, что ПКГШ представляют собой довольно разнообразную в анатомическом отношении группу, они имеют общее гистологическое сходство и происходят из многослойного эпителия [Ridge J.A., 2008]. Считается, что опухоли, входящие в объединенную группу ПКГШ имеют не только сходное гистологическое строение, но и сходные модели клинического проявления [Пачес А.И., 2000; Любаев В.Л., 2006; Ridge J.A., 2008].
ПКГШ характеризуются долгим бессимптомным течением, поздним обращением в специализированные учреждения, ранним возникновением метастазов и высокой смертностью уже на первом году после постановки диагноза [Пачес А.И., 2000; Чойнзонов Е.Л. и др., 2003; Stewart B.W., 2003; Grandis J.R., 2004]. В значительной мере неудачи в лечении ПКГШ связаны с неудовлетворительной оценкой прогнозирования течения заболевания и его исхода, основанного на использовании стандартных прогностических критериев, включающих клинические и морфологические характеристики опухолевого процесса.
Основной причиной летальности при плоскоклеточном раке органов головы и шеи являются местные рецидивы и метастазы в лимфатические узлы шеи. Распространенность опухолевого процесса является наиважнейшим критерием прогноза и определения тактики лечения, однако далеко не всегда выявляется ее корреляция с эффективностью лечения и исходом болезни [Любаев В.Л., 2006]. Кроме того, известно, что около 25 % пациентов имеют скрытые метастазы в лимфатические узлы, которые не проявляются клинически [Kleiner D.E.,1999], поэтому на ранних стадиях опухолевого процесса клинико-морфологические прогностические факторы так же часто мало информативны. Для решения подобных практических задач возникает потребность в дополнительных молекулярных прогностических маркерах, которые могли бы отражать фактическое состояние опухолевой прогрессии и определять объективный прогноз развития заболевания.
Другой причиной, приводящей к неудачам в лечении больных ПКГШ, является отсутствие критериев индивидуальной чувствительности опухолей к лучевой терапии (ЛТ) и химиотерапии (ХТ), хотя известно, что, например, ЛТ не вызывает ремиссии опухолевого роста у 25%-40% больных [Nix P., 2004]. Поэтому, одним из приоритетных направлений клинической и теоретической онкологии является поиск надежных прогностических факторов, позволяющих идентифицировать опухоли резистентные к терапевтическим воздействиям, в частности к ЛТ и ХТ. Выявление таких биохимических маркеров является весьма актуальным для выбора индивидуальной тактики лечения и динамического наблюдения за больными данной локализацией злокачественных новообразований.
Среди большой группы потенциальных молекулярных прогностических факторов особое место занимает система матриксных металлопротеиназ, так как известно, что ключевую роль в развитии опухолей играют протеолитические процессы, которые могут наделять опухолевые клетки способностью к инвазии и метастазированию [Christofory G., 2006]. Система матриксных металлопротеиназ включает матриксные металлопротеиназы (ММП), их тканевые ингибиторы (ТИМП) и индуктор продукции матриксных металлопротеиназ – EMMPRIN [Jiang J. et all., 2002; Ruokolainen H. et all., 2005].
Роль компонентов системы ММП при опухолевом росте трудно переоценить благодаря их уникальным свойствам участвовать во всех этапах опухолевой прогрессии [Lynch C.C., 2002; Wiegand S., 2005]. Эти протеазы гидролизуют основные структурные белки экстраклеточного матрикса (ЭКМ) и базальной мембраны, чем способствуют инвазивному росту и метастазированию злокачественных новообразований [Christofory G., 2006]. Кроме участия в протеолитических процессах, молекулы системы ММП являются частью регуляторных механизмов, определяющих взаимоотношения экстраклеточного микроокружения и опухолевых клеток. Эти взаимоотношения влияют, в частности, на миграцию, пролиферацию и апоптоз опухолевых клеток, образование в опухоли новых кровеносных сосудов и реакцию иммунной системой [Hofmann U., 2000; Lynch C.C., 2002; Wiegand S., 2005; Rundhaug J.E., 2005]. Кроме того, по данным последних лет, одним из патогенетических механизмов, лежащих в основе индуцированной химио- и радиорезистентности является продукция опухолью ряда металлопротеиназ и их ингибиторов [Powell et all., 1999; Kumar A. et all., 2002; Susskind H. et all., 2003; Tamatani T. et all., 2004].
Учитывая многогранность эффектов ММП и ТИМП в прогрессии ПКГШ и участие этих маркеров в формировании ответа опухоли на проводимое лечение, исследование компонентов системы ММП в качестве факторов прогноза развития ПКГШ и предсказательных факторов индивидуальной чувствительности карцином к химио- и лучевому лечению представляется актуальным.
Цель исследования. Комплексное изучение системы матриксных металлопротеиназ у больных плоскоклеточными карциномами головы и шеи для выявления их роли в патогенезе заболевания и определения прогностической значимости.
Задачи исследования.
-
Оценить особенности экспрессии ММП, их ингибиторов и индуктора EMMPRIN в тканях опухолей головы и шеи.
-
Изучить взаимосвязь экспрессии показателей системы ММП в клетках опухоли и в клетках, образующих строму, для выяснения патогенетических механизмов прогрессии ПКГШ.
-
Изучить экспрессию ММП, их ингибиторов и индуктора EMMPRIN в ПКГШ во взаимосвязи с клинико-морфологическими параметрами у больных данной локализацией опухолевого процесса.
-
Провести сравнительный анализ уровня ММП и их ингибиторов в сыворотке крови больных ПКГШ и здоровых лиц.
-
Оценить взаимосвязь уровня ММП и их ингибиторов в сыворотке крови больных ПКГШ с клинико-морфологическими параметрами заболевания.
-
Изучить прогностическую значимость уровня ММП и их ингибиторов в сыворотке крови больных ПКГШ.
-
Выявить молекулярные критерии прогноза эффективности лучевой и химиолучевой терапии больных опухолями головы и шеи на основе определения ММП и ТИМП.
-
Создать математические модели для оценки эффективности проводимого лучевого и химиолучевого лечения с учетом клинико-морфологических параметров заболевания и уровня ММП и ТИМП в сыворотке крови.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование матриксных металлопротеиназ и их тканевых ингибиторов у больных опухолями головы и шеи с учетом их экспрессии клетками опухоли и стромальными компонентами. Выявлено неравномерное распределение компонентов системы ММП между раковыми и стромальными клетками: в плоскоклеточных карциномах экспрессия ММП-1,-2-,9 и ТИМП-2 была значительно выше в строме, чем в опухолевых клетках, в то время как преимущественная экспрессия ТИМП-1 и EMMPRIN наблюдалась в клетках карциномы. У больных ПКГШ высокий уровень экспрессии индуктора, локализованного на поверхности опухолевых клеток, связан с экспрессией ММП-2 и ММП-9 стромальными клетками, а экспрессия EMMPRIN на поверхности стромальных клеток связана с экспрессией ММП-1 клетками опухоли и экспрессией ММП-9 клетками стромы, что показывает важную роль EMMPRIN в индукции ММП в тканях опухолей головы и шеи.
У больных ПКГШ экспрессия ТИМП-1 и ТИМП-2 обнаружена как в опухолевых, так и в стромальных клетках, причем ТИМП-1 регулирует экспрессию ММП-1 и ММП-9, а ТИМП-2 регулирует экспрессию ММП-2 и ММП-9.
Приоритетными являются полученные данные о патогенетических связях между экспрессией металлопротеиназ, их эндогенных ингибиторов и индуктора EMMPRIN в тканях и строме ПКГШ. Была выявлена связь увеличения экспрессии ММП-9 и снижения экспрессии ММП-1 опухолевыми клетками при снижении степени гистологической дифференцировки ПКГШ. Получены новые данные о связи низкого уровня экспрессии ТИМП-1 стромальными клетками и экспрессии ТИМП-2 непосредственно опухолевыми клетками ПКГШ с регионарным метастазированием.
Впервые показано, что в сыворотке крови больных ПКГШ содержится более высокий уровень ТИМП-1и ММП-9 по сравнению с уровнем этих показателей в сыворотке крови здоровых доноров. Впервые выявлена связь высокого уровня ММП-3 и ТИМП-2 в сыворотке крови больных ПКГШ с возрастом.
Впервые показано, что у больных с начальной стадией злокачественных карцином головы и шеи уровень содержания ММП-2 в 1,2 раза выше, а уровень ТИМП-1 в 1,5 выше, чем уровень этих маркеров в крови здоровых людей.
Впервые показано, что высокий уровень ТИМП-1в сыворотке крови больных ПКГШ связан с лимфогенным метастазированием.
Получены новые данные о связи высоких серологических концентраций ММП-3 и ТИМП-2 со снижением степени гистологической дифференцировки ПКГШ. Впервые показана связь уровня тканевых ингибиторов ММП в сыворотке крови с эффективностью ЛТ и ХЛТ.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные результаты исследования позволяют расширить теоретические представления об особенностях опухолевой экспрессии протеаз у больных злокачественными новообразованиями головы и шеи.
Представленные в работе исследования свидетельствуют о важной роли опухолевого микроокружения в развитии ПКГШ, а выявленные закономерности позволяют предложить комплексную схему патогенеза ПКГШ, согласно которой, клетки карциномы экспрессируют EMMPRIN, который находясь на цитоплазматической мембране, может при контакте увеличивать продукцию ММП-2 и ММП-9 клетками микроокружения. Продукция ММП-2 клетками стромы ПКГШ усиливается стимулирующим действием ТИМП-2, произведенным этими же клетками. Невысокий уровень экспрессии ММП-1 опухолевым микроокружением, объясняется регулирующим эффектом ТИМП-1 как опухолевого, так и стромального происхождения. Продукция ММП-1, ММП-2 и ММП-9 опухолью регулируется ТИМП-1, произведенным микроокружением и собственной экспрессией ТИМП-2.
Выявленная экспрессия ММП, индуцированная опухолью, пропорционально усиливает продукцию ТИМП, что увеличивает агрессивный потенциал ПКГШ. Результаты исследования уточняют представление о биохимических закономерностях взаимодействия металлопротеиназ и их эндогенных ингибиторов в развитии ПКГШ.
Высокие значения ММП-2 и ТИМП-1 в сыворотке крови больных ПКГШ на начальной стадии опухолевого процесса являются основой дальнейшего изучения по их использованию для ранней диагностики рака данной локализации.
Впервые разработаны вспомогательные биохимические критерии прогноза 2-х летней общей, безрецидивной и безметастатической выживаемости больных ПКГШ, основанные на определении сывороточных концентраций ММП-2,-9 и ТИМП-2,-9, оцененных до начала лечебных процедур. Практическую значимость проведенной работы определяет возможность использования металлопротеиназ ММП-2,-9 и их ингибиторов ТИМП-1,-2 в качестве критерия прогноза течения заболевания ПКГШ, выявления вероятности возникновения рецидивов и регионарных метастазов для выбора индивидуальной тактики лечения и динамического наблюдения больных ПКГШ.
Впервые с помощью наиболее прогностически значимых клинических показателей и маркеров системы ММП разработаны математические модели в виде формул для прогноза эффективности лучевой и химиолучевой терапии. Разработанная математическая модель позволяет формировать группы риска с низкой эффективностью ЛТ среди больных ПКГШ, которым проводится облучение в качестве самостоятельного метода лечения. Чувствительность и специфичность полученной математической модели составляет, соответственно, 96% и 75%, диагностическая точность – 89%. Чувствительность и специфичность дискриминантной модели прогноза эффективности химиолучевой терапии у больных ПКГШ составляет, соответственно, 85% и 63%, диагностическая точность – 77%.
Положения, выносимые на защиту.
-
При плоскоклеточных карциномах головы и шеи преимущественная экспрессия металлопротеиназ происходит в клетках стромы опухолей и связана с экспрессией индуктора металлопротеаз EMMPRIN опухолевыми клетками. Экспрессия ТИМП-1 наблюдается главным образом в опухолевых клетках и связана с экспрессией ММП-1 клетками стромы и опухоли, а экспрессия ТИМП-2 наблюдается преимущественно в клетках стромы и связана со стромальной экспрессией ММП-2 и ММП-9.
-
При плоскоклеточных карциномах головы и шеи экспрессия компонентов системы ММП в опухолях и содержание в сыворотке зависит от возраста больных, гистологического типа опухоли и стадии опухолевого процесса. Уровни ТИМП-1 и ММП-9 в сыворотке крови больных ПКГШ являются прогностически значимыми факторами в отношении общей и безрецидивной 2-летней выживаемости при ПКГШ.
-
Уровни ингибиторов ТИМП-1,-2 и металлопротеиназ ММП-2,-9 в сыворотке крови больных ПКГШ являются факторами высокого риска возникновения лимфогенных метастазов в течение 2 лет после лечения.
-
Использование прогностически наиболее значимых клинико-морфологических показателей и определение уровня содержания ТИМП-1,-2 в сыворотке крови до начала лечения дает возможность определить эффективность лучевой и химиолучевой терапии у больных ПКГШ.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на российской научно-практической конференции с международным участием «Новые технологии в онкологической практике», Барнаул, 2005; на lV симпозиуме «Химия протеолитических ферментов», Москва, 2007; на международной конференции «Протеолиз, механизмы его регуляции и роль в физиологии и патологии клетки», Минск, 2007; на Всероссийской конференции с международным участием «Молекулярная онкология», Новосибирск, 2008; на 5-ой международной конференции по экспериментальной и трансляционной онкологии, Краньска Гора, Словения, 2008; на Сибирско-Тайваньском форуме «Опыт научно-технического и инновационного сотрудничества Томской области и Тайваня», Томск, 2009 г; на российской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы современной онкологии» Барнаул, 2009; на III конгрессе с международным участием «Опухоли головы и шеи», Сочи, 2009; На 6-й Российской конференции по фундаментальной онкологии «Петровские чтения», Санкт-Петербург, 2010.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 47 печатных работах, в том числе 13 статей в отечественных реферируемых журналах, 12 из которых являются изданиями, рекомендованные ВАК.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 258 страницах и иллюстрирована 28 рисунками и 27 таблицами. Библиография включает 331 литературных источника, из которых 25 отечественных и 306 иностранный.
