Тканевый гомеостаз обеспечивает поддержание постоянства обшей массы клеток каждого типа, т.е. удерживает в постоянстве соотношение между стволовыми, коммитированными, дифференцированными клетками.
Стволовые клетки образуют самоподдерживающуюся популяцию, потомки их дифференцируются в нескольких направлениях под влиянием факторов дифференцировки, образуя клетки-предшественники и далее дифференцированные формы.
При вступлении стволовой клетки на путь дифференцировки возникают полустволовые, затем дифференцированные клетки со специфической функцией. Выход стволовой клетки из популяции служит сигналом для деления другой стволовой клетки по типу некоммитирующегося митоза. Общая численность стволовых клеток в условиях нормальной жизнедеятельности сохраняется постоянной.
Совокупность клеток, развивающихся из одной стволовой клетки, составляет стволовый дифферон. Контур обратной связи образуется между дифференцированными клетками ткани, которые синтезируют кейлоны, и стволовыми. Кейлоны ингибируют деление стволовых клеток. Степень торможения деления зависит от концентрации кейлона, которая определяется численностью дифференцированных клеток. Возникает зависимость между численностью дифференцированных клеток, концентрацией кейлона и митозингибирующим эффектом. Экспериментальные данные показывают, что омоложение клеток приводит к снижению концентрации кейлона и соответственно уменьшению ингибирующей силы кейлонов.
Возникает вопрос: что общего между гибелью клеток при канцерогенном воздействии, ускоренной пролиферацией, омоложением клеток, нарушением структуры тканевого гомеостаза и неконтролируемым опухолевым ростом? Эти кажущиеся разнородными, не связанные между собой проявления опухолеобразования в тканевой теории соединились в одну взаимоувязанную систему, в которой последовательность событий каждого из составляющих звеньев детермирована предыдущим процессом. Выявленная в тканевой модели взаимообусловленность процессов и составляет ту логику событий, которая приводит к раку. Цепь взаимосвязанных факторов включает не только процессы, проходящие в клетке на уровне генома, как считали раньше, но и тканевые изменения.
Характерно, что процессы, определяющие опухолеобразова-ние, являются неспецифическими. Это означает, что на начальных этапах опухолеобразования различие между регенераторным и опухолевыми процессами чисто количественное, поэтому переход от предрака к раку зависит от степени эмбрионализации и деградации тканевого гомеостаза, что определяется канцерогенным профилем. Одна из особенностей тканевой теории состоит в том, что она позволяет объяснить многие факты, не получившие до сих пор объяснения в других концепциях, в частности почему поиски принципиальных отличий раковых клеток от нормальных (низкодифференцированных) не дали ожидаемого результата. Многие исследователи приходили к выводу после длительных поисков, что такие отличия отсутствуют.
Какие экспериментальные данные подтверждают тканевую модель?
Поскольку условием трансформации в новой теории является нарушение тканевого контроля в результате прогрессирующего омоложения ткани, то отсюда вытекают следствия, которые можно проверить. Первое следствие состоит в том, что поскольку трансформация клетки не связана с повреждением генома, то при диффе-ренцировке раковые клетки должны нормализоваться. Отметим, что способность раковых клеток нормализоваться при дифферен-цировке разрушает теорию онкогена, а также эпигенетические концепции. Второе следствие сводится к тому, что поскольку обнаруживается подобие опухолевых и стволовых клеток, то это также можно проверить: следует ожидать, что стволовые клетки при изоляции и трансплантации должны проявлять злокачественный рост. И первое, и второе следствия получили экспериментальное подтверждение (Уоддингтон, 1947; Speman, 1942; Toptiklis, 1969, Ды-бан, 1988). Если ввести мышам под кожу полипотентные клетки (Evans, Kaufman, 1983; Doetchman et ai., 1985), полученные от нормальных зародышей, то у мышей возникают солидные терато-карциномы. Если же ввести эти клетки внутрибрюшинно, образуется асцитная форма тератокарциномы.
Анализируя эти факты, А.П.Дыбан (1988, с. 35) пишет: «Таким образом, хотя эти клетки были выделены из нормальных зародышей, а не из тератокарциномы, они образуют тератокарциному (т.е. злокачественную опухоль), если попадают в эктопические места. Наряду с этим они способны участвовать в эмбриогенезе и осуществлять нормальную цитодифференцировку, если попадают в состав тела зародыша. …Не только ЕС-клетки (стволовые клетки терато-карциномы), но и ЕК-клетки (стволовые клетки нормальных зародышей) в одних условиях проявляют себя как нормальные эмбриональные клетки, а в других условиях служат источником злокачественной опухоли». Таким образом, наше предположение о том, что опухолевые клетки — это стволовые клоногенные клетки, вышедшие из-под контроля в результате нарушения тканевого гомеостаза, подтверждается экспериментальными данными. С одной стороны, это подтверждают известные данные по нормализации опухолевых клеток, с другой стороны, об этом свидетельствует проявление злокачественных свойств у стволовых клеток при трансплантации без канцерогенного воздействия.
Действительно, практически все известные маркеры рака обнаруживаются в эмбриональных тканях на определенных стадиях развития эмбриона (Биология маркеров рака и беременности. Киев, 1990), что доказывает идентичность опухолевых и стволовых клоногенных клеток. Иначе говоря, трансформация клоногенных стволовых клеток не результат генетических повреждений (онкогенов), а результат нарушения тканевого контроля.
Поскольку тканевый гомеостаз играет ведущую роль в механизме канцерогенеза, необходимо выяснить механизм воспроизводства тканевой системы. Что же такое ткань с позиции саморегуляции, воспроизводства?
Обратимся вначале к определению понятия ткани. Согласно точке зрения А.А.Клишова (1975), под тканью следует понимать специализированную для выполнения определенной функции систему клеток и их производных, характеризующихся специфической дифференцировкой и интеграцией, которые обусловлены однотипной фило- и онтогенетической детерминацией.
По мнению В.П.Михайлова и Г.С.Катинаса (1977), это определение «должно быть отнесено к числу наиболее удачных, отражающих современные представления, так как под однотипной фило- и онтогенетической детерминацией следует понимать программирование всего развития тканей, которое включает и синтез определяющих ее свойства белков». С нашей точки зрения, определение, предложенное А.А.Клишовым, является недостаточным, поскольку не отражает динамический характер ткани и тип тканевой системы. Самоорганизующиеся (гомеостатические) системы основаны на механизме обратной связи, что позволяет им выдерживать большие нагрузки патогенных воздействий, поэтому в определение должно войти понятие тканевого гомеостаза, что важно при анализе заболеваний, связанных с нарушением регенерации. Иными словами, ткань — это не только структура, но процесс в системе гомеостаза. Динамический аспект воспроизводства ткани является второй стороной ее структурной определенности, поскольку стабильность структуры зависит от динамики воспроизводства.
С нашей точки зрения, под тканью следует понимать надклеточ-ную систему, выполняющую ту или иную функцию в составе органа, элементом которой являются клетки, характеризующиеся специфической дифференцировкой и интерграцией (обусловленными фило- и онтогенетической детерминацией), в основе которой лежит саморегулирующаяся система — тканевый гомеостаз, — обеспечивающая процесс воспроизводства ткани.
Достижения в изучении системно-структурной организации и биохимизма клеток отражены в определении ткани, которое дает А.А.Заварзин (1976), он пишет: «Под тканью в широком смысле понимают систему клеток и межклеточных структур, имеющих общие признаки морфобиохимической и системной организации и выполняющих общую функцию» (с. 23). В данном определении также отсутствует динамический аспект процесса воспроизводства.
Согласно В.П.Михайлову и Г.С.Катинасу (1977), -«ткань — частная система организма, относящаяся к особому уровню его иерархической организации и включающая в себя в качестве ведущих элементов клетки, которые происходят от обладающих общей исторически сложившейся эпигеномной наследственностью стволовых клеток. Каждой ткани свойственны специфические функции»·. Хотя это верное определение, но подход к тканям с точки зрения понятия гомеостаза является более конкретным выражением функциональных свойств тканей.
Между клеточным уровнем и тканью можно выделить промежуточный уровень объединения клеток, называемый дифферо-ном. Изучение гистогенеза ряда тканей позволило уточнить структурную организацию клеток, составляющих линии цито-дифференцировки, на основе чего получило развитие учение о клеточных дифферонах.
Согласно А.А.Клишову (1984), клеточный дифферон — это совокупность клеточных форм, составляющих ту или иную линию дифференцировки. Его образуют клетки возрастающей степени зрелости одного гистогенетического ряда. Исходной формой линии клеточной дифференцировки (или клеточного дифферона) является стволовая клетка. Следующую стадию гистогенетического ряда образуют субстволовые (или коммитированные) клетки-предшественники, которые могут дифференцироваться (в отличие от стволовых) лишь в каком-то одном направлении. Дифферон (или гистоге-нетический ряд клеток) заканчивается стадией зрелых функционирующих клеток. Знание структуры ткани, ее организации важно с точки зрения механизма опухолеобразования. В процессе длительной стимуляции пролиферации появляются две тенденции изменения тканевой системы: увеличение количества дифферонов и искажение структуры дифферона — нарушается соотношение между стволовыми и дифференцированными клетками. Если первая тенденция характерна для доброкачественной стадии, то вторая характеризует злокачественные опухоли.
Следовательно, опухоль можно удержать в стабильном, доброкачественном состоянии, не давая перейти в злокачественную фазу путем повышения степени дифференцировки клеток и соответственно повышения концентрации кейлона. Имеющиеся данные показывают, что такие воздействия на опухоль в ряде случаев приводят к полному излечению (Белоусова, 1993). Почему же не во всех случаях удается достичь успеха? Ответ можно дать в рамках концепции канцерогенного профиля. Положительный результат зависит от «пролиферативной нагрузки», т.е. имеет ли место канцерогенное воздействие, вызывающее пролиферацию, и какова сила этого воздействия. Параметры канцерогенного профиля, т.е. источника повышенной пролиферации, определяются также продолжительностью действия. За счет функциональных перестроек в организме источник пролиферации может исчезнуть, усилиться или стабилизироваться на одном уровне. Это изменчивое поведение источника повышенной пролиферации будет отражаться на поведении опухоли, определяя:
1) дальнейшую прогрессию;
2) регрессию;
3) доброкачественное состояние, т.е. стабилизацию на одном уровне. Данное положение о динамическом характере источника пролиферации и влиянии этого фактора на опухолеобразование является новым аспектом, имеющим прямое отношение к терапии опухолей.
Как же ткань реагирует на внешние патогенные воздействия и функциональные нагрузки?
Согласно А.А.Клишову (1984, с.151), с гистогенетических позиций «под реактивностью тканей следует понимать изменения основных закономерных процессов гистогенеза (пролиферации, дифференцировки и интеграции клеток), происходящие под действием внешних для ткани факторов».
При самых разнообразных воздействиях (травмы, стрессовые ситуации и т.п.) ткани реагируют прежде всего понижением или повышением пролиферативной активности клеток. Угнетение митотической активности или, наоборот, ее «вспышки» — непременные показатели реактивности тканей, наблюдаемые при действии ингибиторов или стимуляторов клеточных делений. В некоторых тканях признаком реактивного изменения пролиферации клеток является эндомитоз, приводящий к полиштоидизации.
Реактивность тканей, кроме изменения степени пролиферации клеток, проявляется в изменении темпов и характера дифферен-цировки клеток. Например, механические воздействия на эпидермис вызывают явления гиперкератоза. Изменение соотношения клеточных дифферонов можно наблюдать в кишечном эпителии, в эпителии дыхательных путей и в других тканях при длительном воздействии на них повреждающих факторов. Реактивность тканей при таких воздействиях характеризуется явлениями дедифференцировки клеток.
При изменении функциональных нагрузок на ткань реактивно приспособительные изменения клеток проявляются в метаболических сдвигах, трофических нарушениях типа гипертрофии, дистрофических нарушениях, дистрофий, атрофии, гипо- или гиперсекреций и т.д. При гипертрофии наблюдается гиперплазия внутриклеточных структур (митохондрий, эндоплазматической сети, специальных органелл) как морфологический эквивалент повышенной функциональной активности.
Реактивные изменения тканей во многом зависят от силы повреждающего фактора. Каждая ткань отличается генетически детерминированным диапазоном пластичности и изменчивости клеток. Например, при постоянных механических воздействиях на эпителиальную ткань она утолщается и ороговевает, а в тех участках, где клетки слущиваются вследствие постоянного давления или трения, клеточное деление происходит с очень высокой скоростью, так что утраченные клетки замещаются быстро.
Вывод о том, что должен существовать гомеостатический механизм, приводящий скорость размножения клеток в соответствие с их численностью, хорошо обоснован экспериментально и теоретически. Даже в медленно обновляющихся тканях небольшой, но постоянный дисбаланс между образованием и утратой клеток привел бы к необратимым последствиям. Например, если удалить у крысы две трети печени, то оставшаяся часть регенерирует до нормальных размеров за неделю. Сигнал для регенерации можно обнаружить в крови. Если у двух крыс хирургическим путем создать перекрестное кровообращение и у одной удалить две трети печени, то митотическая активность будет индуцирована и в неповрежденной печени второй крысы.
Постоянство ткани обеспечивается за счет постоянного клеточного воспроизводства, регулируемого тканевым гомеостазом. У позвоночных большинство популяций дифференцированных клеток подвержено обновлению. В некоторых случаях дифференцированные клетки просто делятся, образуя дочерние клетки. Примером могут служить гепатоциты печени или эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды.
Для быстро обновляющихся тканей характерно обновление за счет деления стволовых клеток. Эти клоногенные клетки являются главным действующим лицом в процессе канцерогенеза. Стволовым клеткам присущи следующие свойства:
1) стволовая клетка не является терминально дифференцированной, она не прошла дифференцировку до конца;
2) она способна к неограниченному делению, т.е. является иммортализованной;
3) при ее делении каждая дочерняя клетка стоит перед выбором: остаться стволовой или встать на путь, необратимо ведущий к полной дифференцировке;
4) обладает автономией при делении (аутокринная стимуляция митоза);
5) содержит активизированные онкогены.
Стволовые клетки нужны в тканях, где постоянно возникает потребность в новых дифференцированных клетках, а сами дифференцированные клетки делиться не могут. Клоногенные клетки предназначены не для исполнения специализированных функций ткани, а для того, чтобы производить клетки. В этом их специализация. Поэтому стволовым клеткам часто несвойствен какой-либо характерный внешний вид и их трудно опознать (Альберте и др., 1987). Отсутствие специфической дифференцировки объясняет, почему в процессе канцерогенеза возникает конвергенция опухолевых признаков, потеря тканеспецифичности. Это связано с тем, что стволовые клетки в процессе опухолевой прогрессии постепенно вытесняют, замешают дифференцированные клетки, т.е. происходит аномальная репопуляция, вызывающая эмбрионализацию ткани. Не будучи дифференцированы, стволовые клетки тем не менее детерминированы и производят при делении клетки своей ткани.
Типичная схема воспроизводства ткани характерна для эпи-дермального слоя кожи и эпителиальной выстилки пищеварительного тракта. Эти ткани подвержены прямым повреждающим внешним воздействиям. Зрелые дифференцированные клетки быстро снашиваются и замещаются (в результате пролиферации стволовых клоногенных клеток) менее дифференцированными. В эпидермисе имеется несколько слоев клеток. Самый глубокий из внутренних слоев образован базальными (стволовыми) клетками. Именно эти клетки делятся путем митоза.
Динамика воспроизводства ткани заключается в следующем. При делении центральной базальной клетки дочерние клетки, также поделившись, двигаются к периферии. Периферические базальные клетки выталкиваются в слои шиповатых клеток. Шиповатые клетки уплощаются и в конце концов преобразуются в ороговевшие чешуйчатые клетки, теряющие ядра по мере приближения к поверхности. В различных слоях эпидермиса синтезируются разные виды кератинов. Кератин шиповатых клеток отличается от кератинов чешуйчатых клеток. По мере того как стволовая клетка, находившаяся в основании колонки, превращается в чешуйку наверху, она последовательно экспрессирует различные группы всего набора гомологичных Карагановых генов (Альберте и др., 1987). Этот процесс повышения дифференци-ровки объясняет, почему при эмбрионализации последовательно изменяется спектр белков и ферментов, вплоть до полного исчезновения части из них. В основе этого явления лежит процесс омоложения клеточного состава ткани за счет репопуляции, где стволовые и коммитированные клетки синтезируют более обедненный спектр белков из того набора, который присущ дифференцированным клеткам. Спектр белков, синтезируемых дифференцированными клетками, и спектр белков стволовых клеток сильно отличаются друг от друга, поэтому омоложение ткани приводит к искажению количественного и качественного состава синтезируемых белков, молекул адгезии, рецепторов на мембране клетки. Такая смена спектра синтезируемых белков, ферментов решает проблему, поставленную О.Варбургом и до сих пор никем не решенную, — каков механизм и причина изменения типа энергетики в опухолевых клетках.
В глубине каждой пролиферативной единицы (дифферона) лежит базальная клетка, являющаяся иммортализованной, от которой происходят все клетки этой единицы. На пути своего развития каждая смертная дочерняя клетка, образовавшаяся при делении бессмертной стволовой клетки, проходит точку, после которой обратного пути нет (Альберте и др., 1987). Это означает, что эмбрионализация возникает не за счет омоложения дифференцированных клеток, а за счет замены дифференцированных на все менее дифференцированные, т.е. в процессе репопуляции, когда скорость репаративной пролиферации (регенерации) увеличивается и нарушается процесс дифференцировки, т.е. наступает блок дифференцировки.
Если внешние слои эпидермиса удалить, скорость деления ба-зальных клеток увеличивается, что приводит к восстановлению нормальной толщины эпидермиса. В результате скорость деления в базальном слое снова падает. Это говорит о том, что дифференцированный слой ингибирует митотическую активность стволовых клеток. Осуществляется этот контроль с помощью эпидер-мального нейлона, который подавляет митозы базальных клеток так, чтобы скорость образования дифференцированных клеток соответствовала потребности. Как и любая система с обратной связью, несмотря на большую устойчивость, тканевзй гомеостаз имеет предел допустимых нагрузок,’ связанный с продолжительностью и силой воздействия. Превышение предела приводит к нарушению тканевого контроля, следствием чего является выход из строя гомеостаза и неконтролируемый злокачественный рост.