Антионкогены и онкогены

Рак является генетической болезнью, связанной с потерей (или повреждением) специальных генов, называемых антионкогенами (генами-супрессорами опухолей) или активацией определенных генов, называемых онкогенами. Белковые продукты антионкогенов препятствуют возникновению опухоли, а онкогенов, наоборот, - способствуют этому процессу. Кроме того, имеются некоторые вирусы (онкогенные вирусы), способные вызывать превращение нормальной клетки в опухолевую. При этом вирусы или сами привносят в клетку онкологические гены или эти гены возникают из нормальных генов хозяина в результате, например, структурной мутации. Поскольку онкогенов и антионкогенов чрезвычайно много, то и набор мутаций в различных опухолях весьма разнообразен. Каждая опухоль имеет свой генетический портрет.

В настоящее время известно уже более 100 онкогенов, тем или иным способом связанных с контролем роста и размножения клеток. Среди онкогенов есть гены, кодирующие факторы роста, факторы активации и транскрипции и др. Важное место занимает ген, кодирующий белок р53 (53 000 – масса белка в атомных единицах). Белок р53 контролирует работу генов, способных вызвать несвоевременное деление клетки и различные нарушения в ДНК. В случае необходимости р53 сдвигает равновесие в сторону апоптоза и потенциально опасная клетка гибнет. Когда мутирует сам р53, то система регуляции клеточного деления выходит из–под контроля, что приводит к бесконечному делению клеток, то есть злокачественному перерождению. То же самое происходит в случае любых нарушений генетического кода. Если же р53 нормален, то система программированной клеточной смерти резко снижает вероятность раковых заболеваний.

Поэтому лекарственная терапия онкозаболеваний основана на использовании лекарственных препаратов, нарушающих генетический аппарат делящихся клеток. В ответ на эти нарушения включается апоптозная система.

На таком же принципе основана лучевая терапия. Ионизирующее облучение вызывает апоптоз при участии р53, прежде всего в активно делящихся (то есть раковых) клетках. Поэтому одна из задач противораковой терапии — это стимуляция апоптозной системы.

Фотодинамическая терапия

Перерожденная (раковая) клетка приобретает два основных принципиальных отличия от нормальной. Во-первых, она становится иммортабельной (бессмертной), то есть может делиться бесконечное число раз, в отличие от нормальной клетки, которая делится около 60 раз (число Хайфлика), а затем погибает. Во-вторых, клетка становится агрессивной, способной к инвазии (внедрению в здоровые ткани) и независимому размножению в этих тканях, что приводит к образованию метастаз.

Считается доказанным, что развитие раковой опухоли начинается из одной мутированной клетки. Однако при этом приблизительно половина клеток в раковой опухоли остаются нормальными. Поэтому идеальными методами разрушения раковых опухолей являются методы, позволяющие селективно уничтожать только онкологические клетки, сохраняя имеющиеся в опухоли нормальные клетки. К сожалению наиболее распространенные в настоящее время оперативные, лучевые и химиотерапевтические методы лечения не удовлетворяют этому требованию.

Впервые идея селективного разрушения онкологических клеток была реализована в США профессором Т. Догерти в 1978 г. Предложенный метод, получивший название метода фотодинамической терапии использует одно из удивительных свойств раковых клеток – их способность селективно накапливать и удерживать определенное время окрашенные вещества – порфирины (см. с. 278-281). Порфирины, существующие в организме человека или вводимые извне, доставляются к раковым клеткам комплексами белков крови с липидами - липопротеинами низкой плотности. Они адсорбируются на внешней поверхности мембраны онкоклеток, затем в течение нескольких часов проникают через мембрану внутрь клеток и адсорбируются на внутренних мембранах органелл (например, митохондрий).

Если теперь облучать раковую опухоль светом частотой , при которой свет резонансно поглощается порфиринами, то в результате облучения порфирины переходят в возбужденное активное состояние и разрушают раковые клетки, в которых находятся. Нормальные клетки, не содержащие порфиринов, слабо поглощают свет, так что не разрушаются. Интересно, что сами по себе порфирины не оказывают действия на опухоль, так же как и одно низкоэнергетическое лазерное облучение практически не влияет на опухоль. В методе фотодинамической терапии красящие вещества играют роль сенсибилизаторов, усиливающих воздействие лазерного излучения на окнкоклетку.

Существует два типа фотохимических процессов, приводящих к разрушению онкоклеток. В основе обоих механизмов лежит реакция фотовозбуждения молекул сенсибилизатора из основного состояния С в синглетное возбужденное с поглощением энергии ~200кДж/моль (рис. 9–30):

,

Затем возможен переход из состояния в долгоживущее триплетное, но также возбужденное, состояние с потерей энергии ~50 кДж/моль.

Рис. 9–30. Схема энергетических уровней сенсибилизатора: С – основное состояние, – возбужденное состояние с энергией на 200 кДж/моль выше основного, - долгоживущее триплетное состояние с энергией ~150 кДж/моль. Переходы из возбужденных состояний в основное, указанные пунктиром (флуоресценция) не приводят к химическим реакциям в клетке. Окислительные реакции I типа идут, главным образом, из состояния . Взаимодействие сенсибилизатора в состоянии с молекулой кислорода, находящейся в основном триплетном состоянии, может привести к переходу кислорода в активное возбужденное синглетное состояние. Окислительные реакции II типа осуществляются синглетным кислородом

При первом механизме (I) активная форма сенсибилизатора (или реже ) непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата клетки RH, давая два радикала (т.1, стр.138):

. (1.17)

Гидрированная форма сенсибилизатора окисляется кислородом воздуха в исходную структуру:

.

Радикал субстрата может окислять другие субстраты или, присоединив кислород, образовать перекисный радикал:

.

Окисление внутренних элементов клеток приводит к их гибели.

Во втором механизме (II), если время жизни молекул сенсибилизатора в состоянии достаточно велико, а энергия состояния превышает 94 кДж/моль, молекула сенсибилизатора, взаимодействуя с кислородом, приводит к образованию синглетного кислорода:

. (9.18)

Рис. 9–31. Схемы образования энергетических уровней молекулярных орбиталей в молекуле О₂: в основном триплетном состоянии ³О₂ (а) с суммарным спином 1 и в возбужденном синглетном состоянии ¹О₂ (б) с суммарным спином 0

Структура распределения электронов на энергетических уровнях у молекулы О₂ в основном триплетном (с суммарным спином электронов 1) и возбужденном синглетном (с суммарным спином 0) приведена на рис. 9–31. Энергия возбужденного синглетного состояния, составляющая 94,1 кДж/моль, определяется величиной обменного интеграла, ответственного за сдвига π_р энергетического уровня при антипараллельной ориентации спинов. Время жизни молекулы кислорода в этом состоянии ~45 минут, то есть состояние является долгоживущим. Кислород в синглетном состоянии более активен, обладает большей подвижностью, чем молекулы сенсибилизатора в возбужденных состояниях и , а поэтому значительно эффективнее окисляет внутренние элементы клеток (рис. 9–32), что приводит к разрушению внутренних мембран и некрозу (гибели) раковых клеток.

Рис. 9–32. Реакции окисления активным синглетным кислородом: (а) – ненасыщенных липидов (составляющих мембран); (б) – холестерина; (в) – гистидина

Следует отметить, что в организме человека небольшая доля поглощаемого кислорода постоянно превращается в свободные радикалы, способные повредить любую часть здоровой клетки (в том числе и гены). Свободные радикалы переносятся кровью и могут разрушать митохондрии клеток мозга.

Кислород, превращаемый в свободные радикалы, разрушает человека изнутри. Организм как бы «ржавеет» от кислорода. Чем больше поглощается кислорода (например, при интенсивном движении), тем больше производится свободных радикалов, тем больше вреда организму.

Для эффективного использования метода фотодинамической терапии в онкологии необходимо создание сенсибилизаторов, удовлетворяющих следующим требованиям.

– Они должны концентрироваться, в основном, в раковых клетках и в минимальной степени в здоровых.

– Обладать низкой токсичностью.

– Обладать устойчивостью при хранении и введении в организм.

– Иметь высокий квантовый выход триплетного долгоживущего состояния с энергией более 94 кДж/моль.

– Иметь максимум поглощения в области длин волн (660 ÷900) нм, соответствующих инфракрасному диапазону световых волн, не разрушающих здоровые клетки.

В настоящее время метод фотодинамической терапии успешно используется для лечения ряда онкологических заболеваний во многих странах. Сначала внутривенно вводится раствор сенсибилизатора. После накопления его в опухолевых клетках (в течение нескольких часов) по флуоресценции сенсибилизатора диагностируется расположение и размеры опухоли. В здоровых клетках концентрация сенсибилизатора в (3÷10) раз меньше. Лазерное облучение производится в течение (15÷20) минут с помощью системы световодов, позволяющей доставлять свет во внутренние органы. Далее в течение (2÷4) недель злокачественная опухоль разрушается, а пораженные участки частично или полностью восстанавливаются.