Дисциплина Экспериментальная патобиохимия клетки

Метастаз костной ткани молочной железы приводит к значительному снижению качества жизни пациента и при метастатическом распространении болезнь считается неизлечимой. Были идентифицированы молекулы, которые предсказывают риск развития метастазов в кости. В этом обзоре обсуждаются эти ключевые молекулы и их потенциальная полезность в решениях лечения пациентов.

Рис. Клетки рака молочной железы изменяют образование и разрушение кости, что приводит к высвобождению костных метаболических маркеров (включая P1CP, NTx и CTx). Способность клеток рака молочной железы метастазировать в кости зависит от обоих генетических факторов внутри клетки рака молочной железы (включая фактор транскрипции MAF, протеинкиназу MSK1 и белки передачи сигналов и подвижности - CAPG, GIPC1, BSP и PTHrP). Кроме того, костно-формирующие остеобласты и костно-резорбирующие остеокласты содержат основные молекулы, включая OPG, RANK, RANKL и TRACP5b, которые влияют на скорость обмена костной ткани. Все эти молекулы могут действовать как факторы для стратификации риска BCBM

Введение

Инвазивный рак молочной железы диагностируется у более 55 000 женщин ежегодно в Великобритании [1]. Несмотря на недавние успехи в лечении рака молочной железы около 10 000 женщин ежегодно умирают от рака молочной железы в Великобритании, почти все из-за метастатического распространения, что может произойти спустя годы после, по-видимому, успешного начального лечения. Более 70% всех продвинутых пациентов с раком молочной железы развивают метастатический спред к скелету [2, 3]. Рассеянные опухолевые клетки внутри кости могут оставаться бездействующими в течение многих лет, прежде чем, наконец, стать реактивированными, что в основном приводит к резорбции кости (остеолитические поражения), а также к несбалансированному формированию кости в ответ (остеобластические поражения). Современные методы лечения / профилактики скелетных осложнений у пациентов с установленным метастазисом рака молочной железы (BCBM) связаны с использованием антирезорбтивных агентов, таких как бисфосфонаты [такие как золедроновая кислота (ZA)] [4]. Также было разработано антирезортивное лечение, которое использует антитела, направленные на ключевые молекулы в индуцированном BCBM разрушении кости, то есть denosumab [5]. Эти антирезорбтивные агенты были очень эффективны в улучшении качества жизни пациентов с BCBM, но не улучшают выживаемость после установления метастазов.

Однако в последнее время большие исследования показали, что бисфосфонаты, назначаемые в качестве адъювантной терапии при раннем раке молочной железы, наряду с другими стандартными методами лечения, приводят к сокращению числа пациентов в постменопаузе, развивающих костный метастаз [6]. Адъювантная терапия также приводит к улучшению общей выживаемости, а адъювантная терапия бисфосфонатом в настоящее время входит в стандартную практику. Однако эти методы лечения не имеют побочных эффектов, включая остеонекроз челюсти [7, 8]. Поскольку только у меньшинства женщин развивается метастаз в кости, биомаркеры должны идентифицировать тех пациентов с самым высоким риском, что позволяет назначать терапию тем, кто будет пользоваться преимуществами, не жалея тех, кто этого не сделает.

Факторы риска

Клиникопатологические и демографические факторы риска

Рак молочной железы - это гетерогенное заболевание, а патологическая система постановки и классификации широко используется в обычной практике. Хотя они не являются обычно специфическими для указания риска метастазов в кости, эти системы классифицируют пациентов в подгруппы, которые определяют соответствующее лечение и риск прогрессирования. Рецептор 2 эпидермального фактора роста человека (HER2) и рецептор эстрогена (ER) имеют как прогностическую, так и прогностическую ценность и регулярно измеряются. ER представляет собой регуляторный транскрипционный фактор, регулируемый гормонами, который связывает эстроген с последующей экспрессией генов, включая рецептор прогестерона (PR). Пациенты с HER2-положительным раком молочной железы имеют более низкий прогноз, но теперь доступны целевые методы лечения. Подобно ER, HER2 также является прогностическим маркером, идентифицируя пациентов, которые могут реагировать на целевые методы лечения.

Гистологический подтип, уровень опухоли, вовлечение лимфатических узлов и индекс массы тела оказывают влияние на общий риск метастазов и, следовательно, на БКБ. Хорошо известно, что метастазы в кости чаще развиваются у ER-положительных пациентов; они также могут встречаться у пациентов с ER-отрицательным состоянием. Несмотря на то, что эти патологические категории регулярно изучаются, в последнее время наблюдается сильная исследовательская акцент на открытии молекулярных факторов риска развития метастазов, включая BCBM.

Молекулярные факторы риска метастазов в кости

Генетические факторы риска

Имеются убедительные доказательства того, что риск развития рака молочной железы в кости может быть предсказан как на основе генетического подтипа первичной опухоли, так и при наличии недавно идентифицированных генов метастазов костей.

Рак молочной железы можно разделить на пять основных подтипов - просвет A, просвет B, обогащенный HER2, базальноподобный и нормальный. Опухоли люмино-подтипа метастазируют преимущественно в кости [9, 10]. Базальноподобные опухоли метастазируют преимущественно в лимфатические узлы, мозг и легкие, причем кость является относительно редким местом метастатического распространения [9]. Таким образом, внутренние подтипы опухолей, которые отражают экспрессию множественных генов, могут влиять на вероятность распространения рака молочной железы на различные целевые ткани.

Гены, которые предсказывают BCBM, были обнаружены с использованием de novo несмещенных генетических методов скрининга - включая анализ количества копий генов (CNA) - для идентификации областей амплификации генов, характерных для BCBM. В одном из таких исследований варианты костной опухоли клеток рака молочной железы были выделены путем повторной внутрисердечной инъекции у мышей с ослабленным иммунитетом и выделения метастатических клеток из кости [11]. Сравнение родительских и костно-самонаводящих клеток идентифицировало генетическую область 16q23, амплифицированную в клетках костной опухоли, которые кодировали ген для транскрипционного фактора онкогена (MAF) мускулоапоневротического фибросаркома [11]. Дальнейшие исследования определили роль MAF в качестве транскрипционного регулятора белка, связанного с паратиреоидным гормоном (PTHrP) - ключевой молекулы регулятора в порочном цикле разрушения кости в BCBM [6]. The MAF-status of primary tumours has the ability to predict the benefit of ZA treatment [12]. Patients with MAF-negative tumours have increased disease-free survival upon ZA treatment compared to control patients; however, the beneficial effects of ZA treatment are not observed in patients with MAF-positive tumours [12].

Раковые клетки молочной железы, которые метастазируют до костей, часто остаются бездействующими в течение многих лет в качестве диссеминированных опухолевых клеток (DTCs). Сигналы роста, которые еще не полностью поняты, приводят к возможной активации этих DTC и образованию макрометастатических повреждений. В недавнем исследовании с использованием функционального генетического скрининга была идентифицирована протеинкиназа [митоген и стресс-активированная киназа-1 (MSK1)], которая в ER-позитивных клетках рака молочной железы способствует дифференцировке клеток рака молочной железы и ингибирует миграцию в кости [13]. Это говорит о том, что уровень экспрессии MSK1 в ER-позитивных клетках рака молочной железы можно использовать для стратификации пациентов с точки зрения риска развития BCBM. Факторы риска экспрессии белка в BCBM. В нескольких исследованиях основное внимание уделялось измененной экспрессии белка в BCBM. Иммуногистохимическое измерение уровней циклооксигеназы-2 (СОХ2), цитокератина-5/6 (CK5 / 6), рецептора хемокинов CXC-4 (CXCR4), рецептора паратиреоидного гормона-1 (PTHR1), остеопротогерина (OPN) и кальция (CaSR) в первичных опухолях пациентов оценивали их потенциал как потенциальных предикторов последующего развития BCBM [14]. Было обнаружено, что отсутствие цитоплазматического OPN в этом исследовании является независимым фактором риска развития BCBM, тогда как экспрессия PTHR1 была связана с BCBM; однако ассоциация не была значительной в многомерном анализе, поэтому уровни PTHr1 не являются независимым предиктором BCBM [14]. Количественный протеомический анализ родительских MDA-MB-231 трехкратно отрицательных клеток рака молочной железы и сравнение с вариантом верховенства костной ткани этих клеток, выделенных повторной интракардиальной инъекцией у мышей с ослабленным иммунитетом, идентифицировали два белка как предсказание развития BCBM: PDZ-домен, содержащий белка (GIPC1) и макрофагального укупоривающего белка (CAPG) [15]. При строгом откорректированном регрессионном анализе Кокса высокая экспрессия CAPG и GIPC1 в первичных опухолях ассоциировалась с более высоким риском развития BCBM как в тренировочном наборе (n = 427), так и в последующем наборе валидации (n = 297) выбранных пациентов из большого рандомизированного исследования AZURE адъювантной ZA (AZURE-ISRCTN79831382) [15]. Высокий статус GAPGhigh / GIPC1 не был связан с развитием метастазов в кости после лечения ZA, предполагая, что эти два маркера также являются прогнозирующими преимуществами лечения. Костный морфогенетический белок-7 (BMP7) представляет собой цитокин, который может вызывать различные сигнальные исходы в клетках рака молочной железы, включая изменение скорости миграции клеток, инвазии и апоптоза, а также его роль в формировании кости [16]. При изучении уровня экспрессии BMP7 в первичных опухолях рака молочной железы высокая экспрессия BMP7 коррелировала с сокращенным временем развития BCBM в инвазивных протоковых карциномах [17]. В этом исследовании уровни BMP7 не коррелировали со временем BCBM в инвазивной дольковой карциноме [17]. Компоненты костной внеклеточной матрицы являются потенциальными маркерами риска BCBM, и в этом отношении изучено несколько белков, включая костный сиалопротеин (BSP), остеопонтин и остеокальцин [18]. BSP является компонентом костной минерализованной клеточной матрицы, которая может выполнять множество функций, включая интегриин-связывание и регуляцию ангиогенеза [19]. Было отмечено, что уровни BSP в сыворотке у пациентов с метастазированием рака молочной железы только у пациентов с костными и висцеральными метастазами, как в одномерном, так и в многомерном анализе, выше, а концентрация BSP в 24 нг / мл фактор для прогнозирования риска BCBM [20]. Маркеры оборота кости для мониторинга развития маркеров оборота BCBM являются продуктами активной резорбции и образования кости. Некоторые из этих маркеров являются продуктами метаболизма коллагена, включая про-пептид проколлагена-I пролонгагена-I (PINP) и C-концевой удлинительный пептид проколлагена-I (PICP) - маркеры формирования кости, а также C-терминальный тип-I коллагеновый телопептид (CTX) и C-терминальный телопептид (ICTP) - маркеры резорбции кости [21]. В исследовании, измеряющем уровни P1NP, CTX и 1-CTP в пределах 872 образцов сыворотки пациента, взятых на исходном уровне в исследовании AZURE адъювантной ZA, уровни P1NP, CTX и 1-CTP оказались прогностическими для будущего BCBM, но ни один из этих маркеров не являлся прогностическим для общей выживаемости или лечения скелетных метастазов от ZA [22].

В связанном исследовании [23], Lipton et al. исследовали CTX у 621 пациентов с ранним раком молочной железы в постменопаузе в 5-летнем исследовании III фазы тамоксифена +/- октреотида. Более высокая доза CTX была связана с более короткой выживаемостью без костей. Тем не менее, не было статистически значимой связи с первым событием в кости плюс одновременным рецидивом в другом месте или с первым повторением на других отдаленных участках.

В связанном исследовании сывороточные уровни общей и костно-специфической щелочной фосфатазы (BSAP), CTX, ICTP, остеокальцина, N-концевого телопептида коллагена (NTX), PINP и резистентной к тартрату кислоты (TRACP5b, маркера резорбции кости) были измерены у женщин в постменопаузе с ранней стадией инвазивной протоковой карциномы (IDC) [24]. В этом исследовании уровни TRACP5b наиболее точно предсказали развитие BCBM, с 3-маркерной панелью (BSAP, PINP и TRACP5b), служащей точной маркерной панелью для BCBM [24].

Вывод

Метастатическое распространение клеток рака молочной железы в кости - это многоступенчатый процесс, в котором раковые клетки должны проникать в организм и выживать в кровообращении, а затем, наконец, покидать кровообращение и входить (и адаптироваться) к микробной среде кости. Молекулярное профилирование клеток рака молочной железы как на генетическом, так и на белком уровне выявило ряд молекул, которые играют решающую роль в этом сложном процессе. Таким образом, дифференциальная экспрессия этих молекул в первичных образцах опухоли пациента может быть использована для расслоения пациентов с ранним раком молочной железы с точки зрения риска BCBM и принятия решений по лечению. На сегодняшний день основной подтип опухоли оказался наиболее эффективным наблюдением, прогнозирующим риск развития БКБ; однако недавние исследования выявили новые молекулярные компоненты в костных метастатических клетках рака молочной железы (включая ключевые факторы транскрипции и белки, важные для клеточной передачи сигналов и миграции клеток), которые могут стать основой будущих тестов.

Как только в кости, клетки рака молочной железы вызывают изменения в костной микро-среде, которые способствуют выживанию DTC. Позднее, когда образуются макроскопические метастазы, измененные темпы формирования и разрушения кости приводят к образованию продуктов метаболизма костей, которые могут быть измерены у пациентов. Измененные уровни этих продуктов метаболизма кости предсказывают развитие BCBM, а также могут использоваться для мониторинга ответов на лечение. Особенно полезны в этом отношении компоненты внеклеточной матрицы, включая BSAP, PINP, TRACP5b, CTX и 1-CTP.

Исследования на сегодняшний день иногда приводят к противоречивым результатам. Это может отражать использование широко отличающихся источников выборки (от моделей животных моделей до образцов, полученных пациентом), а также вариаций в когортах пациентов, используемых для разных клинических исследований. Несмотря на эти ограничения, ключевые молекулы становятся очевидными, которые можно измерить и использовать для прогнозирования риска BCBM. Будущие исследования с использованием этих молекул-кандидатов в более крупных многоцентровых клинических испытаниях дополнительно уточнят панель тестирования для прогнозирования риска BCBM.

References
1. Cancer Research UK (CRUK). Breast cancer statistics (http: //www.cancerresearchuk.org/health-professional/cancer-statistics/statistics-by-cancer-type/breast-cancer).
2. Scheid V, Buzdar AU, Smith TL, Hortobagyi GN. Clinical course of breast cancer patients with osseous metastasis treated with combination chemotherapy. Cancer 1986; 58(12): 2589–2593.
3. Coleman RE. Metastatic bone disease: clinical features, pathophysiology and treatment strategies. Cancer Treat Rev 2001; 27(3): 165–176.
4. Wilson C, Bell R, Hinsley S, Marshall H, Brown J, Cameron D, Dodwell D, Coleman R. Adjuvant zoledronic acid reduces fractures in breast cancer patients; an AZURE (BIG 01/04) study. Eur J Cancer 2018; 94: 70–78.
5. Lipton A, Fizazi K, Stopeck AT, Henry DH, Smith MR, Shore N, Martin M, Vadhan-Raj S, Brown JE, et al. Effect of denosumab versus zoledronic acid in preventing skeletal-related events in patients with bone metastases by baseline characteristics. Eur J Cancer 2016; 53: 75–83.
6. Guise TA, Kozlow WM, Heras-Herzig A, Padalecki SS, Yin JJ, Chirgwin JM. Molecular mechanisms of breast cancer metastases to bone. Clin Breast Cancer 2005; 5 Suppl(2): S46–53.
7. Stopeck AT, Fizazi K, Body JJ, Brown JE, Carducci M, Diel I, Fujiwara Y, Martín M, Paterson A, et al. Safety of long-term denosumab therapy: results from the open label extension phase of two phase 3 studies in patients with metastatic breast and prostate cancer. Support Care Cancer 2016; 24(1): 447–455.
8. Rathbone EJ, Brown JE, Marshall HC, Collinson M, Liversedge V, Murden GA, Cameron D, Bell R, Spensley S, et al. Osteonecrosis of the jaw and oral health-related quality of life after adjuvant zoledronic acid: an adjuvant zoledronic acid to reduce recurrence trial subprotocol (BIG01/04). J Clin Oncol 2013; 31(21): 2685–2691.
9. Huber KE, Carey LA, Wazer DE. Breast cancer molecular subtypes in patients with locally advanced disease: impact on prognosis, patterns of recurrence, and response to therapy. Semin Radiat Oncol 2009; 19(4): 204–210.
10. Ignatov A, Eggemann H, Burger E, Ignatov T. Patterns of breast cancer relapse in accordance to biological subtype. J Cancer Res Clin Oncol 2018; doi: 10.1007/s00432-018-2644-2.
11. Pavlovic M, Arnal-Estape A, Rojo F, Bellmunt A, Tarragona M, Guiu M, Planet E, Garcia-Albéniz X, Morales M, et al. Enhanced MAF oncogene expression and breast cancer bone metastasis. J Natl Cancer Inst 2015; 107(12): djv256.
12. Coleman R, Hall A, Albanell J, Hanby A, Bell R, Cameron D, Dodwell D, Marshall H, Jean-Mairet J, et al. Effect of MAF amplification on treatment outcomes with adjuvant zoledronic acid in early breast cancer: a secondary analysis of the international, open-label, randomised, controlled, phase 3 AZURE (BIG 01/04) trial. Lancet Oncol 2017; 18(11): 1543–1552.
13. Gawrzak S, Rinaldi L, Gregorio S, Arenas EJ, Salvador F, Urosevic J, Figueras-Puig C, Rojo F, Del Barco Barrantes I, et al. MSK1 regulates luminal cell differentiation and metastatic dormancy in ER(+) breast cancer. Nat Cell Biol 2018; 20(2): 211–221.
14. Winczura P, Sosinska-Mielcarek K, Duchnowska R, Badzio A, Lakomy J, Majewska H, Pęksa R, Pieczyńska B, Radecka B, et al.Immunohistochemical Predictors of Bone Metastases in Breast Cancer Patients. Pathol Oncol Res 2015; 21(4): 1229–1236.
15. Westbrook JA, Cairns DA, Peng J, Speirs V, Hanby AM, Holen I, et al. CAPG and GIPC1: breast cancer biomarkers for bone metastasis development and treatment. J Natl Cancer Inst 2016; 108(4): doi: 10.1093/jnci/djv360.
16. Alarmo EL, Parssinen J, Ketolainen JM, Savinainen K, Karhu R, Kallioniemi A. BMP7 influences proliferation, migration, and invasion of breast cancer cells. Cancer Lett 2009; 275(1): 35–43.
17. Alarmo EL, Korhonen T, Kuukasjarvi T, Huhtala H, Holli K, Kallioniemi A. Bone morphogenetic protein 7 expression associates with bone metastasis in breast carcinomas. Ann Oncol 2008; 19(2): 308–314.
18. Bahrami A, Hassanian SM, Khazaei M, Hasanzadeh M, Shahidsales S, Maftouh M, Ferns GA, Avan A. The therapeutic potential of targeting tumor microenvironment in breast cancer: rational strategies and recent progress. J Cell Biochem 2018; 119(1): 111–122.
19. Bouleftour W, Granito RN, Vanden-Bossche A, Sabido O, Roche B, Thomas M, Linossier MT, Aubin JE, Lafage-Proust MH, et al.Bone shaft revascularization after marrow ablation is dramatically accelerated in BSP-/- mice, along with faster hematopoietic recolonization. J Cell Physiol 2017; 232(9): 2528–2537.
20. Bellahcene A, Kroll M, Liebens F, Castronovo V. Bone sialoprotein expression in primary human breast cancer is associated with bone metastases development. J Bone Miner Res 1996; 11(5): 665–670.
21. Glendenning P, Chubb SAP, Vasikaran S. Clinical utility of bone turnover markers in the management of common metabolic bone diseases in adults. Clin Chim Acta 2018; 481: 161–170.
22. Brown J, Rathbone E, Hinsley S, Gregory W, Gossiel F, Marshall H, et al. Associations between serum bone biomarkers in early breast cancer and development of bone metastasis: results from the AZURE (BIG01/04) trial. J Natl Cancer Inst 2018; doi: 10.1093/jnci/djx280.
23. Lipton A, Chapman JA, Demers L, Shepherd LE, Han L, Wilson CF, Pritchard KI, Leitzel KE, Ali SM, Pollak M. Elevated bone turnover predicts for bone metastasis in postmenopausal breast cancer: results of NCIC CTG MA.14. J Clin Oncol 2011; 29(27): 3605–3610.
24. Lumachi F, Basso SM, Camozzi V, Tozzoli R, Spaziante R, Ermani M. Bone turnover markers in women with early stage breast cancer who developed bone metastases. A prospective study with multivariate logistic regression analysis of accuracy. Clin Chim Acta 2016; 460: 227–230.