Посещений: 
ПЕРСОНАЛИЗОВАННАЯ ТЕРАПИЯ РАКА
микроРНК
|
|
MicroRNAs in personalized cancer therapy S. Sethi,S. Ali,S. Sethi and
F.H. Sarkar  Clinical Genetics
Special Issue: Personalized Medicine and Clinical Genetics
Volume 86, Issue 1, pages 68–73, July 2014
|
MicroRNAs (miRNAs) are small endogenous noncoding single-stranded RNAs. They critically regulate the post-transcriptional activity of several key physiological and pathological cell processes including cancer. Through their transcriptional regulatory functions, miRNAs control tumor proliferation, invasion and metastasis. The expression of miRNAs is altered in malignancies. It could be either upregulated or downregulated depending upon the role of a particular miRNA in the pathogenetic development of the tumor. The upregulated miRNAs exert an 'oncogenic' effect leading to tumor proliferation and metastasis. The downregulated miRNAs have 'tumor suppressor' effects. Recent studies have demonstrated that miRNAs have a role in the early diagnosis, prognosis and treatment outcome assessment of cancers. Every tumor has specific miRNA alterations, i.e. some are overexpressed and others are downregulated. These altered miRNAs can be used as a tumor-specific 'signature' for potential clinical use in improving the accuracy of diagnosis, determining prognosis and as therapeutic targets for therapy. Specific miRNAs can be targeted using oligonucleotide sequences corresponding to the altered miRNAs. These are referred to as 'antagomirs'. Depending upon the miRNA alterations in the tumor of an individual patient, one could design targeted therapies for personalized medicine in patients. Hence, miRNAs have an immense role in personalized cancer therapy.
|
MiRNAs: the novel molecules
MicroRNAs (miRNAs) небольшие эндогенные некодирующие РНК, которые критически регулируют как патологические, так и физиологические процессы внутри клеток [1]. Хотя это крошечные молекулы примерно в 19-25 нуклеотидов, они играют важную роль во многих жизненно важных клеточных процессах, включая дифференцировку, пролиферацию и апоптоз клеток [2].
Во время физиологического развития плода они ассистируют дифференцировке плюрипотентных стволовых клеток плода в трех зародышевых листках: эндо-, мезо- и эктодерма. Этот процесс приводит к нормальному развитию систем органов тела. Энтодерма развивается в выстилку ЖКТ и лёгких; мезодерма развивается в зрелые мышцы, кости и кровь; а эктодерма развивается в кожу. В частности, messenger RNA (мРНК) для Lin28 является покровителем плюрипотентности, и она предупреждает накопление miRNA let-7 [1]. Подобно дифференцировке стволовых клеток плода, которая приводит нормальному развитию плода, недавние исследования показали, что рак также развивается благодаря дифференцировке раковых стволовых клеток (CSCs) в специфические опухоли, превращающиеся в специфические клоны, напр., сквамозные клеточные карциномы или аденокарциномы [2]. Эти не дифференцированные CSCs обнаруживают самообновление и туморогенный потенциал со склонностью к инвазии и метастазированию [3]. Подобно нормальному развитию плода miRNAs также регулируют опухолевое развитие из CSCs, напр. let-7 и Lin28 регулируют туморогенную способность раковых клеток [4].
Сегодня небольшие некодирующие РНК, наз. miRNAs, привлекают внимание молекулярной биологии, т.к. показано их участие в контроле за трансляцией ДНК, их роль в уровнях экспрессии мРНК и белка и их способность репрограммировать передачу молекулярных сигналов при раке. Реализуя свою жизненно важную роль в резистентности к лекарствам, они становятся диагностическими мишенями, контролирующими реакцию на лекарства при персонализованной терапии. Своевременно подумать о том, чтобы исследователи предложили US Food and Drug Administration (FDA)-одобренный kit-базирующийся метод анализа miRNA в ближайшем будущем.
Mechanism of action of miRNAs
Действие miRNAs при раке осуществляется с помощью регуляции генной экспрессии посредством репрессии трансляции и деградации транскриптов. Они действуют посредством регуляции мРНК. 5' конец miRNA соединяется с комплементарными регионами в 3' untranslated region (UTR) мРНК мишеней, приводя или к деградации мРНК или ингибированию трансляции белков, далее затрагивая пути передачи клеточных сигналов. Однако регуляторная роль miRNA в стабильности мРНК и её трансляции в белок являются сложными биологическими процессами, которые не ограничиваются связыванием miRNA только c 3'-UTR мРНК.
Human miRNAs: types
Более 2555 последовательностей miRNA распознано у человека. Из них некоторые неправильно экспрессируются при озлокачествлении [4]. Измененные miRNAs могут оказывать отличающиеся эффекты на опухоли, как показано в Table 1 (summarized from a search:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/). Они могут быть онкогенными или супрессирующими опухоли miRNAs. Онкогенные miRNAs активированы в раковых опухолях, напр., miR-21 [5], miR-17-92 [2], miR-155 [6], miR-221 [7] and miR-222 [8]. Супрессирующие опухоли miRNAs подавлены при раке, напр., let-7 [9] и miR-15 [10, 11].
Table 1. List of upregulated or downregulated microRNAs (miRNAs) involved in different tumor types a 1. a
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/
Tumor types Upregulated miRNA | Downregulated miRNA
Breast miR-21, miR-221, miR-222, miR-17-92, miR-155 | miR-200 family, miR-342, let-7 family
Colon miR-21, miR-31, miR-378 | miR-362, miR-375, miR-200 family
Leukemia miR-155, miR-17-92, miR-21, miR-125b, miR-93, miR-196b, miR-223, miR-34a miR-15, miR-16
Lung miR-192, miR-424, miR-98, miR-155 | Let-7 family, miR-200 family, miR-194, miR-212
Pancreas miR-21, miR-17-92, miR-155, miR-221, miR-222 | Let-7 family, miR-200 family, miR-146a, miR-143
Prostate miR-20a, miR-21, miR-221, miR-222 | Let-7 family, miR-628,
Thyroid miR-155, miR-21, miR-222, miR-146b, miR-34a | miR-200 family, miR-7, miR-29C
MiRNAs in tumors
Каждая опухоль обладает уникальной комбинацией miRNAs, т.e. избыточно экспрессированными oncomiRs и недостаточно экспрессированными супрессирующими опухоли miRNAs [12]. Эти уникальные комбинации обладают потенциалом служить в качестве 'signature' для персонализованной терапии опухоли у индивидуальных пациентов [13]. Опухоль-специфические miRNAs обладают потенциалом клинического использования в качестве маркеров для улучшения диагностических возможностей, стратификации риска и прогноза и в качестве мишеней для новой персонализованной терапии. Роль miRNA ранее была опубликована для печеночно-клеточной карциномы, множественной миеломы и почечно-клеточной карциномы среди прочих [14, 15].
В отношении колоректальной карциномы Christensen et al. [16] предположили, что повышенная экспрессия особой miRNA-362-3p связана с арестом клеточного цикла и ингибирование роста опухоли. Было предположено, что повышенная экспрессия miRNA связана с лучшим прогнозом для пациентов.
Сходным образом, miRNAs обнаруживают также корреляцию с дисплазией при раке мочевого пузыря. Nordentoft et al. [17] опубликовали анализ более 600 miRNAs пациентов с опухолями с прогрессирующим раком мочевого пузыря, леченного cisplatin и установили, что 15 miRNAs играют особенно важную роль в обеспечении реакции пациентов на лечение cisplatin, 5 были связаны со временем выживания и 3 miRNAs были ассоциированы с обоими аспектами.
Detection of miRNAs in humans
В этом клиническом аспекте мы можем выявить уровни экспрессии miRNA в разных человеческих экземплярах, включая кровь, ткани (как свежие, так и зафиксированные в формалине и залитые парафином), тонко игольные пунктаты и почти во всех телесных жидкостях человека [10, 13].
Присутствие miRNA в различных телесных жидкостях предвещает разработку методов не инвазивного тестирования для детекции и ведения широко распространенных злокачественных опухолей. Особенно важно, что miRNA могут присутствовать в специальной стабильной форме в сыворотке и плазме, это делает возможным измерение их экспрессии. Стабильность этих молекул иллюстрируется их живучестью при инкубации при комнатной температуре и при множественных циклах замерзания-оттаивания. Детекция этих miRNA может быть осуществлена с помощью взятия образцов от пациентов или на xenograft модельной системе [18]. Эти сигнатуры miRNA могут помочь в улучшении аккуратности диагностики и осуществлении раннего диагноза [19].
Clinical potential of miRNAs
Т.к. каждая опухоль обладает уникальной сигнатурой miRNA, то это может быть использовано как биомаркер для идентификации опухолей на более ранних стадиях опухолевого развития. Это особенно важно, т.к. если опухоль обнаружена рано, то лечение может быть начато немедленно и прогноз станет существенно лучше, чем для опухолей, обнаруженных поздно[20].
У плохо дифференцированных опухолей часто существует диагностическая дилемма и точную природу опухоли трудно определить с помощью только гистоморфологических признаков. В таких случаях сигнатуры miRNA, специфичные для опухолей несут надежду на постановку аккуратного диагноза [19]. Молекулярные miRNA опухоль-специфические сигнатуры будут очень важны для организации оптимального первичного лечения злокачественности, чтобы предотвратить и элиминировать будущую пролиферацию опухоли и даже метастазы. Для этого целенаправленное обнаружение miRNAs д. стать новой прогностической и терапевтической стратегией для предупреждения опухолевой пролиферации и будущего развития метастазов [19].
Первоначальная классификация miRNA на онкогенные и супрессирующие опухоли становится не совсем аккуратной. Теперь известно, что одиночные miRNA могут выполнять обе эти роли. Создание имитирующих miRNA и молекул, замалчивающих miRNA, позволит нам модулировать экспрессию miRNA в опухолях, демонстрируя, что miRNAs могут быть использованы эффективно как терапевтические агенты. Здесь мы сфокусируемся на таких находках, которые кажутся пригодными для использования miRNAs в качестве 'нацеленных' на пациентов противораковых агентов.
miRNAs as therapeutic targets
Появляющиеся доказательства чётко подтверждают, что miRNAs могут представлять собой привлекательные, новые терапевтические мишени для лечения рака. Они также обнаруживают потенциал для использования их в качестве мишеней для терапии [19]. Более того, как только появляются метастазы, опухоль может подвергаться воздействию miRNA мимиков для индукции их экспрессии для лечения. Разработка miRNA-базирующейся профилактической терапии д. служить в качестве персонализованной медицины против дальнейшего развития метастазирования рака. Эти стратегии смогут в конечном счете улучшать качество жизни пациентов и выживаемость в целом.
Role of miRNAs in therapeutic resistance
Стратегия miRNA-нацеленных подходов чрезвычайно важна клинически в случаях устойчивости к лечению. Часто наблюдалось, что опухоли могут первоначально отвечать на терапевтический подход; однако, реакция временная и опухоль возобновляет рост и даже метастазирует, приводя к плохому прогнозу для пациента. Первоначально феномен был описан в отношении гибели опухолевых клеток на терапевтический агент. Однако, CSCs в целом являются не чувствительными к лечению. Такие CSCs затем восполняют опухолевые клетки, так что она больше не реагирует на терапевтический агент и даже делает опухоль более агрессивной [4].
При злокачественности развивается и устойчивость к лечению, обнаруживаются отклонения экспрессии miRNAs, напр. miR-192, miR-424 и miR-98 избыточно экспрессируются, а miR-194, miR-200b и miR-212 экспрессируются недостаточно в клетках docetaxel-резистентного Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC) [21]. Индивидуальные опухоли, обладающие опухоль специфичной комбинацией разрегулированных miRNAs, которые вносят вклад в резистентность к лечению, делают miRNAs привлекательными терапевтическими мишенями для персонализованных подходов в отношении преодоления устойчивости. С этой целью miRNAs используются для восстановления чувствительности к химиотерапии клеток, резистентных к лекарствам, и предупреждают повторное появление опухоли [22].
Было установлено, что нокдаун miR-221 и miR-222 сенсибилизирует клетки рака груди к tamoxifen-индуцируемому апоптозу [23]. В раковых клетках, резистентных к лечению с помощью 5-FU, miR-140 блокирована, а повторная экспрессия miR-200 увеличивает чувствительность к нацеленным на микротрубочки химиотерапевтическим агентам [24].
MiRNAs участвуют в предупреждении резистентности рака груди у пациенток, получающих химиотерапию в виде tamoxifen. Присутствие miRNA-342 было установлено в чувствительных к tamoxifen клетках рака груди, а подавление этой специфической miRNA сопровождалось развитием резистентности к лечению. Т.о., логично предположить, что из-за обратного взаимоотношения между miRNA и резистентностью к лекарствам, увеличение экспрессии miRNA-342, напр., может приводить к более успешному терапевтическому подходу при лечении рака груди [25].
Current approach in the management of cancer patients
В настоящее время ведение пациентов со злокачественными опухолями базируется на идентификации морфологии опухоли. В основном это фенотипическое проявление, которое идентифицирует, какой протокол пациент будет предложен для лечения данной опухоли. С быстрой разработкой идентификации и детекции молекулярных отклонений, открывается новый образец ведения пациента.
Personalized medicine: the new approach
Быстрое развитие в области как медицины, так и молекулярной биологии привело к открытию большого количества новых биомаркеров, которые открывают прекрасную перспективу для клинического ведения пациентов с диагностированным раком. Это стало возможным с тестом, который позволяет обнаруживать эти биомолекулы в рутинных биологических экземплярах, получаемых от пациента. Недавнее исследование продемонстрировало потенциал использования этих новых молекулярных мишеней для более раннего и аккуратного диагноза, прогноза и исхода лечения. Это привело к новому подходу ведения пациентов: 'персонализованной медицине'. Этот подход объединяет информацию, полученную о молекулярных альтерациях с фенотипическим гистоморфологическим проявлением и клиническими факторами, чтобы выстроить нацеленное на пациента ведение, подходящее для данного индивида. Большинство клинических решений по ведению пациентов базируется на подходе 'one-size-fits-all'. исследования продемонстрировали, что этот подход пригоден не всем пациентам. Не только все опухоли отвечают сходным образом, но также внутренняя среда пациента отличается, что прекрасно известно, как микроусловия для развития опухоли. Микроокружение опухоли оказывает существенное влияние на реакцию или отсутствие таковой на терапевтические стратегии. Это приводит к нескольким вредным и выводящим из строя побочным эффектам, которые увеличивают болезненность пациентов, делая этот генерализованный подход не идеальным в 21-м веке. Необходим персонализованный подход к преодолению этих ограничений генерализованного подхода. Он предоставляет возможность транслировать успехи молекулярной медицины на клинику у постели больного. Повышенное клиническое использование персонализованного подхода в медицине может воздействовать на разные аспекты ведения пациентов. Мы можем использовать новые молекулярные тесты для увеличения аккуратности диагностики, помогая раннему и быстрому установке диагноза, прогнозированию течения болезни и идентификации факторов риска для прогнозирования. Он также может улучшить специфический для пациента 'сделанный на заказ' терапевтический подход с учетом уникальной опухоль-специфической молекулярной сигнатуры в качестве мишени для терапии.
MiRNAs for Personalized medicine
Имеется множество мишеней для персонализованной терапии, которые обнаруживают ограниченный успех. Однако персонализованный целенаправленный терапевтический подход с использованием miRNAs в качестве мишеней открывает прекрасные перспективы в революцинизации догмы лечения пациента. Фактически мы продвинулись в направлении эры персонализованной медицины, терапевтических решений, делающих клиническую онкологию современной в процессе перехода к персонализованной фармакотерапии. Опухоли обладают значительно большими молекулярными характеристиками, чем только гистоморфологические признаки [13]. Клинически очень важно, что miRNAs могут стать потенциальными мишенями для противоопухолевой терапии. экспрессия miRNAs может замалчиваться с использованием 'antagomirs', или повторной экспрессии miRNAs, которые теряются раковыми клетками и могут быть замещены избыточной экспрессией miRNA миметиков.
Описана сигнатура miRNA, ассоциированная у человека с метастазированием медуллярной тироидной карциномы и др. злокачественных опухолей, это определенно открывает новые пути для разработки miRNA-нацеленной терапии. С этой целью, химически модифицированные anti-miRNA олигонуклеотиды, которые нацелены на специфические последовательности miRNAs приведут к инактивации активности miRNA, предупреждая тем самым дельнейшие пролиферацию, инвазию и метастазирование опухоли.
MiRNAs as predictors of response to personalized cancer therapy
Как только протокол лечения будет предписан пациенту, то сигнатуры miRNA, специфичные для опухоли станут потенциально пригодными для мониторинга реакции на терапию и мониторинга возвращения опухоли [20].
MiRNAs as prognostic markers of personalized cancer therapy
Эти молекулы являются клинически важными, т.к. miRNAs обладают также потенциалом клинического использования в качестве биомаркеров для прогнозирования. Было установлено, что miRNAs или усиливают или ослабляют свою экспрессию в опухолях и эти уровни экспрессии коррелируют с опухолевым поведением, тем самым становятся потенциально пригодными для предсказания исхода лечения опухоли [26].
Впервые было показано Calin et al. [27], что уровни miRNA подавляются у большинства пациентов с хроническим лимфолейкозом (chronic lymphocytic leukemia (CLL)). В частности, miR15 и miR16, расположенные на хромосоме 13q14, подавляются благодаря потере региона в 30-kb у пациентов с CLL.
Сходным образом, избыточная экспрессия miR-155, и пониженная экспрессия let-7a-2 позитивно коррелировали с плохим выживанием пациентов с раком лёгких [28]. Пониженная экспрессия let-7b у пациентов с NSCLC коррелирует с повышенной смертностью, тогда как уровни экспрессии miR-155 не обнаруживают клинически достоверных корреляций [29].
Т.о., роли многих разных miRNA были описаны при разных опухолях. Однако, многие исследования всё ещё необходимы для полного понимания роли miRNA в качестве биомаркеров и использования их для персонализованной терапии рака.
Future challenges of miRNAs in personalized medicine
Поскольку будущее miRNA кажется чрезвычайно многообещающим, д. быть решены определенные задачи прежде, чем методы, базирующиеся на miRNA, станут широко используемые в клинической практике. Участие miRNAs было предположено в ряде часто противоречащих функций, таких как супрессия и пролиферация опухолей. Некоторые miRNA могут обладать множественными фенотипическими эффектами [30]. Напр., это проявляется в действии miRNA-15a/16-1 на лейкемические клетки с делецией 13q. Кластер miR имеет мишени как в анти-апоптическом BCL2, так и в про-апоптическом p53. У индивидов с лейкемией и делецией 13q и с соотв. снижение экспрессии miRNA, усиление экспрессии кластера miR приводит к выраженному анти-лейкемическому эффекту [31].
Возникает вопрос, обеспечивает ли целенаправленное воздействие на miRNA, достаточно специфичное, чтобы повлиять на клеточную функцию только намеченным способом, чтобы избежать побочных последствий, означает, что нацеленная на miRNA терапия должна рассматриваться в зависимости от контекста. В нашем недавнем исследовании мы предположили, что изменения, наблюдаемые при альтерациях miRNA являются результатом влияния на множественные гены [32].
Др. вопрос, который требует дальнейшего понимания - это величина изменения экспрессии miRNA, необходимая для достижения необходимого уровня клеточной реакции. В то время как неадекватная модуляция может привести к недостаточному противоопухолевому ответу, избыток изменчивости в miRNA может приводить к непредусмотренным последствиям, особенно из-за того, что одна miRNA может целенаправленно воздействовать на множественные гены (мРНК), которые также зависят от контекста. Др. вопросы, такие как предпочтительные пути введения лекарства и продолжительность действия также д. учитываться, как и разработка оптимальной персонализованной miRNA-нацеленной терапии рака [32].
Дальнейшее понимание может также помочь нам установить, является ли эффект miRNA как исключительно лечебная опция или общий прогноз будет улучшаться от одновременного применения нескольких опций воздействия. Мы должны гарантировать, что изменение экспрессии miRNA не будет запускать нежелательный процесс, который в дальнейшем осложнит будущие терапевтические методики.
Conclusions
In summary, since the recent discovery of the role of miRNA in cellular activity, our knowledge on their action has improved tremendously in the last decade. At this time, we have been able to ascertain the role of miRNA in several physiological processes associated with the initiation and development of various solid as well as nonsolid cancers. We have illustrated the role of specific miRNA, such as let-7 and miR-155 as either tumor suppressors or oncogenic molecules, respectively, identified their role in early detection, and in the prognosis and therapy of patients. If the last decade is any indication of scientific breakthrough in miRNA research, the future appears to be extremely promising for the use of miRNAs in the delivery of personalized medicine for improving the overall treatment outcome and survival of cancer patients, although the success of miRNA-targeted therapy looks brighter than ever before.
|