Базальные клетки эпителия бронхов курильщиков накапливают мутации и становятся источником опухоли

Считается, что образованию злокачественных опухолей предшествует формирование так называемых «канцерогенных полей» — популяций клеток, не имеющих видимых морфологических отличий от элементов нормальной ткани, но несущих патогенные изменения на молекулярном уровне. Изучение механизмов, обусловливающих переход канцерогенного поля к опухоли, перспективно для профилактики онкологических заболеваний.

Известно, что плоскоклеточная карцинома легкого развивается из эпителия бронхов, однако вопрос, какие именно клетки служат источником опухоли, долгое время оставался открытым. В последние годы было установлено, что воздействие факторов внешней среды (в первую очередь табакокурения) способствует появлению опухольспецифичных мутаций именно в базальных клетках бронхиального эпителия — наиболее удаленных от просвета клетках, способных делиться и отвечающих за поддержание популяции других клеток. Ученые из Великобритании и Чили отследили развитие опухоли, начиная с самых ранних этапов, — для этого они использовали мышей, подвергавшихся воздействию канцерогенов. В отличие от классической модели с генетической предрасположенностью к раку, такой подход позволяет воссоздать более сложный мутационный ландшафт, который характерен для опухолей, возникающих под воздействием внешних факторов в реальной жизни.

Мыши подвергались воздействию N-нитрозо-трис-(2-хлорэтил)мочевины (NTCU) — алкилирующего вещества, способного вызывать развитие плоскоклеточных карцином легкого. В отличие от человека, в бронхиальном древе мыши базальные клетки преимущественно располагаются в трахее и главных бронхах, но не в более мелких внутрилегочных ответвлениях. С помощью Cre-Lox-рекомбинации авторы пометили базальные клетки флуоресцентным белком tdTomato, чтобы отследить, как под воздействием NTCU они распространяются из главных бронхов в более мелкие бронхиолы. Гистологическое исследование показало, что в бронхиальном эпителии мышей, подвергавшихся действию NTCU, появлялись участки с признаками атипии и дисплазии, источником которых были меченые базальные клетки.

Кроме того, используя мозаичное (то есть затрагивающее не все базальные клетки) мечение флуоресцентным белком, ученые показали, что при обработке NTCU потомки базальных клеток формируют в процессе деления крупные сливающиеся кластеры, что отличается от дискретного распределения новообразованных клеток в нормальном эпителии. Такая аномальная клональная динамика (т.н. ненейтральная экспансия) подтвердилась при помощи математического моделирования. Исследователи предположили, что воздействие канцерогена приводит к образованию субпопуляций более приспособленных мутированных клеток.

С помощью секвенирования РНК единичных клеток исследователи выявили, что под действием NTCU менялось соотношение между субпопуляциями базальных клеток в респираторном эпителии. В частности, возрастала доля базальных клеток с высоким уровнем экспрессии кератина 14 (Krt14+), ассоциированных с повреждением эпителия, нарушением его восстановления и преинвазивными стадиями опухолевого процесса. Также увеличивалось количество клеток, экспрессирующих кератины 4 и 13 (Krt4/Krt13+), — они представляют собой переходную стадию между базальными и секреторными клетками. Анализ траекторий клеточного развития показал смещение соотношения в сторону увеличения количества переходных клеток и уменьшения количества секреторных клеток. Также в эпителии отмечалось снижение количества реснитчатых клеток. Аналогичные изменения — нарушение дифференцировки зрелых люминальных клеток с «застреванием» на промежуточной стадии и интенсификация самообновления базальных клеток — были выявлены и в респираторном эпителии курящих людей по сравнению с некурящими. При этом часть базальных клеток у мышей сохраняла способность к дифференцировке — потомки меченых базальных клеток, распространившихся под действием NTCU из начальных отделов респираторного тракта на дистальные бронхиолы, формировали псевдомногослойный эпителий, содержащий все нормальные элементы.

Полногеномное секвенирование показало, что под действием NTCU в клетках респираторного эпителия формируется специфический мутационный профиль с большим количеством однонуклеотидных замен (в том числе тимина на гуанин и аденин) и редкими двухнуклеотидными заменами, инсерциями и делециями. При построении филогенетических деревьев было показано, что клетки, дающие начало распространенным клонам, несут драйверные мутации, аналогичные возникающим при плоскоклеточном раке легкого у человека. Интеграция филогенетических данных и результатов микробиопсии респираторного тракта на разных уровнях показала, что клеточный состав трахеи гетерогенен, в то время как периферические бронхи оказываются заняты 1-2 доминирующими клонами клеток, не пересекающимися друг с другом. Это дополнительно подтверждает вывод о ненейтральной экспансии мутантных клеток. Аналогичный паттерн распространения мутантных клонов при формировании преинвазивных опухолевых очагов был показан и у людей, причем мутационные сигнатуры, ассоциированные с курением, обнаруживались на ранних этапах филогенеза, до экспансии отдельных клонов.

Полученные результаты проливают свет на изменения клональной динамики в респираторном эпителии под действием канцерогенов, предшествующие появлению опухолей. Это может помочь как в ранней диагностике плоскоклеточного рака легкого, так и в таргетировании механизмов клональной экспансии для предотвращения прогрессии опухолей.

Курение и алкоголь влияют на мутационный ландшафт слизистой оболочки щеки