ПРОГНОСТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАТЕПСИНА И ЕГО ЭНДОГЕННЫХ ИНГИБИТОРОВ ПРИ ОПУХОЛЕВОЙ ПАТОЛОГИИ

Лизосомальные цистеиновые протеиназы (ЛЦП) играют важную роль в клеточном метаболизме, иммуногенезе, развитии артериосклероза, в патогенезе различных заболеваний, в том числе и злокачественных новообразований (ЗН) [1, 2]. При многих формах рака происходят нарушения в системе клеточного протеолиза, которые проявляются в повышении активности ЛЦП как в сыворотке крови, так и в ткани опухоли [2–5]. Среди ЛЦП пристального внимания заслуживают катепсины (Кат). Высокие уровни Кат и снижение содержания их эндогенных ингибиторов отмечали в ЗН молочной железы, желудка и предстательной железы, эти ферменты были предложены в качестве биологических маркеров ЗН и как прогностические маркеры болезни.

Роль Кат В при инвазии и метастазировании ЗН. Гипотеза о том, что цистеиновый Кат В участвует в опухолевой инвазии и метастазировании нашла свое подтверждение в исследованиях влияния его ингибиторов на инвазивные свойства и метастатическую активность опухолевых клеток (ОК) молочной (линия MCF-10A) [6] и предстательной железы (линия PC3 и DU145). Применение ингибиторов Кат предотвращало инвазию и метастазирование. Это свидетельствует, что ОК синтезируют набор Кат, которые участвуют в прогрессировании различных этапов опухолевого процесса, а также о том, что Кат могут быть потенциальной мишенью при противоопухолевой терапии [7].

Ферментативная активность Кат регулируется на посттрансляционном уровне с помощью изменения локализации ферментов, процессинга, изменения рН и взаимодействием этих ферментов с их эндогенными ингибиторами [8, 9]. Состав ферментов в нормальных клетках и ОК отличается как количественно, так и качественно (изоферментный состав), что связано с перераспределением генной экспрессии. Изменения уровня ЛЦП, нарушения их процессинга и клеточной локализации выявлены в опухолевых тканях при различных формах рака человека [1, 10]. Результаты клинических исследований соотношения цистеиновых Кат и их эндогенных ингибиторов в ЗН молочной железы, легкого, мозга, голо-

вы и шеи, в асцитной жидкости при раке яичника, в меланоме и колоректальной карциноме свидетельствуют, что этот показатель является важным в прогнозе безрецидивной общей выживаемости, а также может быть использован в диагностике и в антираковой терапии [8, 10, 11]. На основании результатов этих исследований была выдвинута гипотеза, что дисбаланс между Кат и цистатинами — эндогенными ингибиторами ЛЦП ассоциирован с метастатическим фенотипом ОК [1, 8, 10, 11].

Экспрессия Кат В, выявленная в первичных опухолях и особенно при предраковых процессах, изменение клеточной локализации фермента при увеличении инвазивных свойств опухоли, предполагает его проапоптогенные свойства. Фермент участвует в регуляции апоптоза через сложную систему взаимодействий с TNF-альфа, бикунином и TSRC1. Так, было установлено, что апоптоз клеток рака яичника OV-90, вызванный TNF, является Кат В-зависимым. Повышение содержания бикунина подавляет вызванный TNF апоптоз этих клеток, а повышение содержания специфического белка TSRC1, наоборот, — стимулирует этот процесс [12]. Активность Кат В регулируется на различных уровнях: регуляции экспрессии генов, транскрипции, путем повышения его стабильности и сродства к субстрату [8, 13, 14]. Фермент синтезируется в виде профермента и с помощью рецептора (маннозо-6-фосфат) транспортируется в лизосомы [14], где происходит его активация [14]. ОК содержат как профермент, так и 2 формы активного фермента. ПроКат В связывается с поверхностью клетки через р11 легкой цепи тетрамера аннексина II, локализованного в липидной фракции ОК. Наличие в этом слое аналогично связанных сериновых протеиназ и металлопротеиназ матрикса, по-видимому, обеспечивает каскадный механизм активации фермента, с одной стороны, и участие Кат В в активации других ферментов — с другой [14].

Кат В может способствовать распространению ОК, так как способен, в зависимости от места локализации, разрушать не только внутриклеточный, но и экстрацеллюлярный матрикс (ЭЦМ): появление

его на поверхности клеток может быть причиной изменений конформации мембранных белков и белков ЭЦМ, повышения скорости их расщепления. Это было показано, в частности, в экспериментах на клеточных линиях рака молочной железы BT20 и BT549 [15]. Кат В также может способствовать прогрессированию опухолевого процесса косвенно, через активацию латентных протеаз или деградацию их белковых ингибиторов [8, 16].

Уровень активности Кат B повышен в ОК карцином молочной железы [2, 17–19], при раке желудка (в особенности при наличии метастазов) [20, 21], аденокарциноме поджелудочной железы [22, 23], в прогрессирующих агрессивных менингиомах человека [24–26], в ЗН предстательной железы [27], мочевого пузыря, а также в низкодифференцированной клеточной культуре карциномы мочевого пузыря J82, [28, 29], в колоректальных карциномах [20, 30–35] и аденокарциномах [33, 36], в различных типах опухолей легкого [37, 38], в карциноме яичника [39], меланоме [34], в саркоме мягких тканей [40], в глиобластомах и анапластической астроцитоме [41].

На клеточных линиях A-549 [42] и BEAS-2B [9] рака легкого было показано, что ни один из исследованных интерлейкинов (ИЛ-1, -6, -10) не оказывал влияния на уровень Кат В, а ТВР бета-1 снижал уровень мРНК этого фермента [42]. Поскольку антагонистические молекулы — ЛЦП и их эндогенные ингибиторы по-разному регулируются в гистологически различных типах опухолей легкого, возможно, дисбаланс между ними играет значительную роль в прогрессировании определенных типов опухолей [37].

Как правило, высокий уровень Кат отрицательно коррелирует с уровнем их эндогенных ингибиторов. Так, низкий уровень ингибитора Кат B — стефина В выявлен в клетках рака молочной железы [18]. Однако более высокий по сравнению с немалигнизированной тканью уровень стефина А и стефина В отмечали в ткани карциномы яичника, [43], в меланоме и колоректальном раке [34], а стефина А — в карциноме легкого [38]. В асцитной жидкости пациенток с карциномой яичника выявлено высокое содержание ингибиторов ЛЦП: цистатина С, стефинов А и В, которые не отличались по своим физико-химическим и биохимическим свойствам от ингибиторов этого семейства, выделенных из других биологических жидкостей и тканей человека [44].

Роль ЛЦП на разных этапах патогенеза ЗН остается пока недостаточно освещенной, но для Кат В достоверно установлено повышение его активности при озлокачествлении аденом (доброкачественные опухоли) в карциномы или аденокарциномы [20, 22, 23, 31–33], при озлокачествлении менингиом человека [24, 25]. Самый высокий уровень активности ЛЦП установлен на начальных стадиях развития опухоли, например колоректальной карциномы [32, 33]. Установлено также, что при карциноме яичника [39] и карциноме желудка [20] высокий уровень Кат В положительно коррелировал со стадией болезни.

Показано также, что активность Кат В значительно выше в пограничной, а не в собственно опухолевой ткани, что и обусловливает инвазию ОК [16]. Однако другими исследователями не установлено достоверных отличий в уровне Кат В между опухолевой и граничащей с нею тканью [30]. Возможно спорность в этом вопросе обусловлена различными методическими подходами исследователей: использованием одними авторами иммуногистохимического метода, другими — более чувствительного — ПЦР-анализа.

Показана зависимость содержания и активности Кат В от степени дифференциировки ОК при карциномах молочной железы женщин [17, 46], раке желудка [21], колоректальной карциноме [31, 33].

Многие авторы предполагают связь между метастатическим потенциалом ОК и высокой активностью ЛЦП. Так, было установлено более высокое содержание Кат B в опухолях желудка с метастазированием в лимфатические узлы, чем в опухолях без метастазов [20, 21]. Выявлен высокий уровень Кат B [2, 18, 47] в цитозоле ОК рака молочной железы, рака яичника [48], который положительно коррелировал с метастазированием в лимфатические узлы. В исследованиях ЗН предстательной железы показано, что высокая активность Кат В положительно коррелировала с высоким метастатическим потенциалом ОК и могла быть снижена (в эксперименте) введением цистатинов — ингибиторов ЛЦП [27].

Многие исследователи отмечают, что высокие уровни ЛЦП на фоне низкого уровня их эндогенных ингибиторов являются плохим прогностическим фактором. Например, высокое содержание Кат В [19, 47] в цитозоле ОК карцином молочной железы [17, 19, 46], аденокарцином поджелудочной

железы [22, 23], карцином яичника [39, 48], колоректальных карцином [32] отрицательно коррелировало с безрецидивной и общей выживаемостью пациентов. Низкий уровень ингибитора Кат B (стефина В) в клетках рака молочной железы был ассоциирован с непродолжительным безрецидивным периодом [18, 49]. Высокие уровни Кат В положительно корррелировали с плохим прогнозом, более коротким безрецидивным периодом и низкой выживаемостью пациентов с меланомой или колоректальным раком [34].

Что касается возрастных аспектов рассматриваемой проблемы, то только в единичных исследованиях было показано, что значимой корреляции между возрастом, менопазуальным статусом женщин и активностью Кат B в цитозоле клеток ЗН молочной железы не установлено [19, 47]. В 2002 г. Fan и соавторы синтезировали высокоэффективное антитело, содержащее ингибитор Кат В и в эксперименте in vitro доказали его регуляторное влияние на активность Кат В в клетках опухоли яичника китайского хомячка [45], что открывает перспективы энзимотерапии при опухолевом росте.

Таким образом, можно сделать вывод, что высокий уровень активности Кат В положительно коррелирует с озлокачествлением опухолей, инвазивностью (агрессивностью) ЗН, метастатическим потенциалом клеток ЗН различного типа и локализации, плохим прогнозом течения болезни; отрицательно — с длительностью безрецидивного периода заболевания, что может быть использовано как в диагностике, так и для прогнозирования течения болезни.

ЛИТЕРАТуРА

1. Дилакян ЭA. Цистеиновые протеиназы при неопластической трансформации. Вопр мед хим 2000; 46 (5): 490–1.

2. Olszewska D, Drewa T, Makarewicz R, et al. Significance of cathepsin B and D in physiologic and pathologic processes. Pol Merkuriusz Lek 2001; 10 (55): 65–70.

3. Оглоблина ОГ, Арефьева ТИ. Роль протеолитических ферментов и их ингибиторов в инвазии злокачественных опухолей. Биохимия 1989; 59 (З): 340–52.

4. Сологуб ЛI, Пашковська IС, Антоняк ГЛ. Протеази клітин та їх функція. Київ: Наукова думка, 1992. 195 с.

5. Buhling F, Gerber A, Hackel C, et al. Expression of cathepsin K in lung epithelial cells. Am J Respir Cell Mol Biol 1999; 20 (4): 612–9.

6. Premzl A, Puizdar V, Zavasnik-Bergant V, et al. Invasion of ras-transformed breast epithelial cells depends on the proteolytic activity of cysteine and aspartic proteinases. Biol Chem 2001; 382 (5): 853–7.

7. Nomura T, Katunuma N. Involvement of cathepsins in the invasion, metastasis and proliferation of cancer cells. J Med Invest 2005; 52 (1–2): 1–9.

8. Sloane BF, Moin K, Krepela E, et al. Cathepsin B and its endogenous inhibitors: the role in tumor malignancy. Cancer Metastas Rev 1990; 9 (4): 333–52.

9. Gerber A, Welte T, Ansorge S, et al. Expression of cathepsins B and L in human lung epithelial cells is regulated by cytokines. Adv Exp Med Biol 2000; 477: 287–2.

10. Kos J, Lah TT. Cysteine proteinases and their endogenous inhibitors: target proteins for prognosis, diagnosis and therapy in cancer (review). Oncol Rep 1998; 5 (6): 1349–61.

11. Lah TT, Kos J. Cysteine proteinases in cancer progression and their clinical relevance for prognosis. Biol Chem 1998; 379 (2): 125–30.

12. Talieri M, Papadopoulou S, Scorilas A, et al. Cathepsin B and cathepsin D expression in the progression of colorectal adenoma to carcinoma. Cancer Lett 2004; 8 (205): 97–106.

13. Podgorski I, Sloane BF. Cathepsin B and its role(s) in cancer progression. Biochem Soc Symp 2003; 70: 263–76.

14. Roshy S, Sloane BF, Moin K. Pericellular cathepsin B and malignant progression. Cancer Metastas Rev 2003; 22 (2–3): 271–86.

15. Sameni M, Moin K, Sloane BF. Imaging proteolysis by living human breast cancer cells. Neoplasia 2000; 2 (6): 496–4.

16. Yan S, Sloane BF. Molecular regulation of human cathepsin B: implication in pathologies. Biol Chem 2003; 384 (6): 845–54.

17. Lah TT, Cercek M, Blejec A, et al. Cathepsin B, a prognostic indicator in lymph node-negative breast carcinoma patients: comparison with cathepsin D, cathepsin L, and other clinical indicators. Clin Cancer Res 2000; 6 (2): 578–84.

18. Levicar N, Kos J, Blejec A, et al. Comparison of potential biological markers cathepsin B, cathepsin L, stefin A and stefin B with urokinase and plasminogen activator inhibitor-1 and clinico- pathological data of breast carcinoma patients. Cancer Detect Prev 2002; 26 (1): 42–9.

19. Thomssen C, Schmitt M, Goretzki L, et al. Prognostic value of the cysteine proteases cathepsins B and cathepsin L in human breast cancer. Clin Cancer Res 1995; 1 (7): 741–6.

20. Khan A, Krishna M, Baker SP, et al. Cathepsin Bexpressionand its correlation with tumor-associated laminin and tumor progression in gastric cancer. Arch Pathol Lab Med 1998; 122 (2): 172–7.

21. Bhuvarahamurthy V, Schroeder J, Kristiansen G, et al. Differential gene expression of urokinase-type plasminogen activator and its receptor in human renal cell carcinoma. Oncol Rep 2005; 14 (3): 777–2.

22. Niedergethmann M, Hildenbrand R, Wolf G, et al. Angiogenesis and cathepsin expression are prognostic factors in pancreatic adenocarcinoma after curative resection. Int J Pancreatol 2000; 28 (1): 31–9.

23. Niedergethmann M, Wostbrock B, Sturm JW, et al. Prognostic impact of cysteine proteases cathepsin B and cathepsin L in pancreastic adenocarcinoma. Pancreas 2004; 29 (3): 204–11.

24. Trinkaus M, Vranic A, Dolenc V, et al. Cathepsins B and L and their inhibitors stefin B and cystatin C as markers for malignant progression of benign meningiomas. Int J Biol Markers 2005; 20 (1): 50–9.

25. Strojnik T, Zidanik B, Kos J, et al. Cathepsins B and L are markers for clinically invasive types of meningiomas. Neurosurgery 2001; 48 (3): 598–5.

26. Levicar N, Strojnik T, Kos J, et al. Lysosomal enzymes, cathepsins in brain tumour invasion. J Neurooncol 2002; 58 (1): 21–32.

27. Colella R, Casey SF. Decreased activity of cathepsins L + B and decreased invasive ability of PC3 prostate cancer cells. Biotech Histochem 2003; 78 (2): 101–8.

28. Staack A, Koenig F, Daniltchenko D, et al. Cathepsins B, H, and L activities in urine of patients with transitional cell carcinoma of the bladder. Urology 2002; 59 (2): 308–12.

29. Staack A, Tolic D, Kristiansen G, et al. Expression ofcathepsins B, H, and Landtheirinhibitorsasmarkersoftransitional cell carcinoma of the bladder. Urology 2004; 63 (6): 1089–94.

30. Guzinska-Ustymowicz K, Zalewski B, Kasacka I, et al. Activity of cathepsin B and D in colorectal cancer: relationships with tumour budding. Anticancer Res 2004; 24 (5): 2847–51.

31. Talieri M, Papadopoulou S, Scorilas A, et al. Cathepsin B and cathepsin D expression in the progression of colorectal adenoma to carcinoma. Cancer Lett 2004; 8 (205): 97–6.

32. Campo E, Munoz J, Miquel R, et al. Cathepsin B expression in colorectal carcinomas correlates with tumor progression and shortened patient survival. Am J Pathol 1994; 145 (2): 301–9.

33. Hazen LG, Bleeker FE, Lauritzen B, et al. Comparative localization of cathepsin B protein and activity in colorectal cancer. J Histochem Cytochem 2000; 48 (10): 1421–30.

34. Kos J, Werle B, Lah T, et al. Cysteine proteinases and their inhibitors in extracellular fluids: markers for diagnosis and prognosis in cancer. Int J Biol Markers 2000; 15 (1): 84–9.

35. Sheahan K, Shuja S, Murnane MJ. Cysteine protease activities and tumor development in human colorectal carcinoma. Cancer Res 1989; 49 (14): 3809–14.

36. Satoh Y, Higashi T, Nouso K, et al. Cathepsin B in the growth of colorectal cancer: increased activity of cathepsin B in human colorectal cancer. Acta Med Okayama 1996; 50 (6): 305–11.

37. Heidtmann HH, Salge U, Abrahamson M, et al. Cathepsin B and cysteine proteinase inhibitors in human lung cancer cell lines. Clin Exp Metastasis 1997; 15 (4): 368–81.

38. Krepela E, Prochazka J, Karova B, et al. Cysteine proteases and cysteine protease inhibitors in non-small cell lung cancer. Neoplasma 1998; 45 (5): 310–8.

39. Scorilas A, Fotiou S, Tsiambas E, et al. Determination of cathepsin B expression may offer additional prognostic information for ovarian cancer patients. Biol Chem 2002; 383 (7–8): 1297–303.

40. Wurl P, Taubert H, Meye A, et al. Immunohistochemical and clinical evaluation of cathepsin expression in soft tissue sarcomas. Virchows Arch 1997; 430 (3): 221–5.

41. Sivaparvathi M, Sawaya R, Wang SW, et al. Overexpression and localization of cathepsin B during the progression of human gliomas. Clin Exp Metastasis 1995; 13 (1): 49–6.

42. Park DW, Ryu HS, Choi DS, et al. Localization of matrix metalloproteinases on endometrial cancer cell invasion in vitro. Gynecol Oncol 2001; 82 (3): 442–9.

43. Kastelic L, Turk B, Kopitar-Jerala N, et al. Stefin B, the major low molecular weight inhibitor in ovarian carcinoma. Cancer Lett 1994; 82 (1): 81–8.

44. Kalman J, Kitajka K, Pakaski M, et al. Gene expression profile analysis of lymphocytes from Alzheimer’s patients. Psychiatr Genet 2005; 15 (1): 1–6.

45. Fan X, Kopitar-Jerala N, Premzl A, et al. Molecular cloning and chimerisation of an inhibitory anti-cathepsin B anti-body and its expression in Chinese hamster ovary cells. Biol Chem 2002; 383 (11): 1817–20.

46. Lah TT, Kalman E, Najjar D, et al. Cells producing cathepsins D, B, and L in human breast carcinoma and their association with prognosis. Hum Pathol 2000; 31 (2): 149–60.

47. Foekens JA, Kos J, Peters HA, et al. Prognostic significance

    of cathepsins B and L in primary human breast cancer. J Clin Oncol 1998; 16 (3): 1013–21.

48. Козырева ЕА, Жордания КИ, Бассалык ЛС и др. Прогностическое значение определения катепсина В в злокачественных опухолях яичников. Вопр мед химии 1994; 40 (1): 26–9.

49. Harbeck N, Alt U, Berger U, et al. Prognostic impact of proteolytic factors (urokinase-type plasminogen activator, plasminogen activator inhibitor 1, and cathepsins B, D, and L) in primary breast cancer reflects effects of adjuvant systemic therapy. Clin Cancer Res 2001; 7 (9): 2757–64.