Raziskovanje zunajcelične RNA kot gonilne sile odpornosti na kemoterapijo pri raku

From Wiki FKKT
Jump to navigationJump to search

Uvod

Zdravljenje raka temelji na kombinaciji različnih pristopov, kot so kirurgija, obsevanje in kemoterapija. Kemoterapija kot sistemska terapija deluje na rakave celice po celotnem telesu, zato se uporablja pri različnih stadijih bolezni. Uporablja se lahko pred operacijo za zmanjšanje tumorja ali po njej kot adjuvantna terapija za odstranitev preostalih celic. Kljub njeni učinkovitosti se pogosto pojavi odpornost rakavih celic na zdravljenje, kar močno omeji uspeh terapije. Do odpornosti pride zaradi genetskih sprememb, izločanja zdravil iz celic ter vpliva tumorskega mikrookolja. Pomembno vlogo pri teh mehanizmih imajo zunajcelične RNA (exRNA), ki sodelujejo pri medcelični komunikaciji prek eksosomov. MikroRNA, lncRNA in krožne RNA vplivajo na rast tumorja, angiogenezo ter imunski odziv. Zaradi svoje stabilnosti pa exRNA predstavljajo tudi obetavne biomarkerje in nove tarče za premagovanje odpornosti na zdravljenje.

Mehanizmi kemoterapevtske odpornosti

Kemoterapija je ena ključnih oblik zdravljenja raka, a njeno učinkovitost pogosto zmanjša pojav odpornosti rakavih celic. Do kemorezistence pride zaradi genetskih in epigenetskih sprememb, izločanja zdravil iz celic, motenj v popravljanju DNA ter vpliva tumorskega mikrookolja (TME). Pomembno vlogo v teh procesih imajo zunajcelične RNA (exRNA), kot so miRNA, lncRNA in krožne RNA, ki se prenašajo prek eksosomov. ExRNA omogočajo komunikacijo med celicami in prenos odpornosti z ene rakave celice na drugo. Prispevajo k ohranjanju rakavih matičnih celic (CSC), ki so naravno odporne na terapijo, ter vplivajo na angiogenezo, metastaze in imunski odziv v TME. Eksosomi, bogati z exRNA, lahko prenašajo molekule, ki zavirajo apoptozo in povečujejo razstrupljanje zdravil. ExRNA so tudi obetavni biomarkerji za zgodnje odkrivanje raka in napovedovanje učinkovitosti zdravljenja. Terapevtsko ciljanje exRNA (npr. z miRNA mimetiki ali inhibitorji) predstavlja novo strategijo za premagovanje odpornosti. Kljub velikemu potencialu pa ostajajo izzivi na področju standardizacije metod in klinične uporabe exRNA.

Izločanje in razstrupljanje zdravil kot mehanizma odpornosti na kemoterapijo

Eden ključnih mehanizmov, ki prispevajo k razvoju odpornosti na kemoterapijo (CR), je aktivno izločanje zdravil iz tumorskih celic s pomočjo energijsko odvisnih ABC prenašalcev. Njihova prekomerna izraženost vodi do pojava več zdravilne odpornosti (MDR), saj znižujejo intracelularno koncentracijo zdravil in s tem zmanjšujejo terapevtski učinek. Primeri vključujejo ABCG2 in ABCC5, ki vplivata na odpornost proti gemcitabinu in pemetreksedu, ter ABCB1, katerega aktivnost je regulirana z ROR1, pogosto izraženim pri kemorezistentnem raku dojke. Poleg izločanja zdravil pomembno vlogo igra tudi njihova presnova, ki vključuje encime družine citokroma P450 (CYP). Izraženost CYP1B1, CYP2A6 in CYP3A4 je povezana z zmanjšano učinkovitostjo zdravil, kot so gemcitabin in docetaksel, kar je mogoče delno omiliti z zaviralci, kot je ketokonazol. Pomemben prispevek imajo tudi encimi GST, kot sta GSTA4 in GSTT1, ki vplivata na rast celic in popravljanje DNA.

Popravilo DNA in izogibanje apoptozi

Mehanizmi popravljanja DNA prispevajo k kemorezistenci, saj rakave celice učinkovito popravljajo poškodbe, ki jih povzročijo kemoterapevtska zdravila. Proteini, kot sta ACTL6A in YTHDF1, izboljšujeta popravilo DNA ter povečujeta odpornost na cisplatin. Višje število mitohondrijske DNA je povezano z boljšim odzivom pri kolorektalnem raku. Beljakovina ERCC1 uravnava ravnovesje med popravilom DNA in apoptozo, njena razgradnja pa prispeva k kemorezistenci.

Izogibanje apoptozi je prav tako ključni mehanizem kemorezistence. lncRNA NEAT1 vpliva na apoptozo, celični cikel in transport zdravil. Pri raku prostate KR pospešujeta zmanjšano izražanje CXCR2 in BCL-2, kar spodbuja odpornost. COL11A1 zavira apoptozo z porušenim razmerjem Bcl-2/BAX, lncRNA FUAT1 pa zmanjša celično smrt z znižanjem ravni reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS), kar omogoča preživetje rakavih celic ob zdravljenju.

Zunajcelična RNA in odpornost na kemoterapijo

Kemoterapija je pogosto temeljno zdravljenje raka, a njeno učinkovitost omejuje razvoj odpornosti (DR), ki se lahko razvije splošno ali kot odziv na ciljne terapije. Zunajcelične RNA (exRNA) imajo pomembno vlogo pri uravnavanju teh procesov. Rakave celice razvijejo odpornost z različnimi molekularnimi mehanizmi: popravljanjem DNK, epigenetskimi spremembami, preusmeritvijo presnove, zaviranjem vnosa zdravil, ohranjanjem rakavih matičnih celic, razstrupljanjem zdravil ter s spremembami mitohondrijske funkcije in povečanim nastajanjem reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS).

Vloga exRNA pri razvoju odpornosti na ciljno usmerjanje terapije

Veliko ciljnih kemoterapevtikov deluje tako, da poškoduje DNA ali zavira njeno replikacijo, kar vodi v apoptozo. Rakave celice pa lahko sčasoma razvijejo odpornost z aktivacijo popravil DNA in zaviranjem celične smrti. Pomemben dejavnik pri tem so zunajcelične RNA (exRNA), ki se sproščajo prek eksosomov. ExRNA, kot sta miR-21 in miR-196a, zmanjšujeta izražanje genov, ki uravnavajo apoptozo, ter tako omogočata preživetje celic. Dolge nekodirajoče RNA, kot je lncARSR, aktivirajo obvodne signalne poti, kar vodi v odpornost tudi pri ciljnih terapijah. ExRNA sodelujejo tudi pri odpornosti na terapije, kot sta Herceptin ali ADC.

Ohranjanje rakavih matičnih celic

Rakaste matične celice (CSC) ali diferencirane maligne celice, ki se preobrazijo v CSC, so povezane s pojavom kemorezistence po večkem ciklu kemoterapij. Večina kemoterapevtikov cilja na hitro rastoče celice, medtem ko so CSC manj aktivne. CSC izločajo različne molekule, kot so ABC transporterji in anti-apoptotske molekule (npr. BCL-2), kar povečuje odpornost na zdravila. Za preživetje CSC je ključno ustrezno mikrookolje, v katerem igrajo pomembno vlogo zunajcelični vezikli (EV) in z njimi povezane exRNA. Raziskave so pokazale, da miRNA, kot miR-9-5p, aktivira gene, povezane z ohranjanjem matičnih lastnosti, kar pripomore k kemorezistenci.

Tumorsko okolje

Tumorsko mikrookolje (TME) vključuje različne celice, zunajcelični matriks (ECM) ter krvne in limfne žile v trdnih tumorjih, medtem ko pri hematoloških rakih obsega krvne in kostnomedularne celice. Komunikacija med celicami v TME je ključna za razvoj odpornosti na zdravila (DR), saj jo posredujejo miRNA v eksosomih in zunajceličnih veziklih (EV), ki jih sproščajo fibroblasti povezani z rakom (CAF).

V TME potekajo biološke interakcije, kjer imunske in stromalne celice izločajo citokine in rastne faktorje, ki vplivajo na občutljivost rakavih celic na zdravila. ExRNA, ki vključuje miRNA in druge molekule, ima ključno vlogo pri medcelični komunikaciji med rakavimi in stromalnimi celicami, kot so endotelijske celice, makrofagi in fibroblasti. Ta komunikacija omogoča prenos molekularnih vsebin iz rakavih celic v ciljne celice, kar vpliva na njihove funkcije.

ExRNA uravnava sproščanje citokinov, rastnih dejavnikov in signalne poti, kar prispeva k pojavu DR, ki ga inducira TME. Na primer, exo-miRNA iz rakavih celic spodbuja polarizacijo makrofagov v fenotip M2, ki je povezan z imunosupresijo in tumorigenostjo. M2 makrofagi izločajo citokine, kot so IL-4, CSF-1 in IL-10, ki vplivajo na odpornost tumorskih celic na zdravila.

ExRNA prav tako regulira proces avtofagije v ciljih celic, kar omogoča preživetje rakavih celic, njihovo rast in metastaze. Avtofagija omogoča rakavim celicam preživetje skozi dovajanje hranil, izogibanje imunskemu sistemu, angiogenezo in odpornost na terapije. ExRNA lahko vpliva tudi na izražanje vaskularnega endotelijskega rastnega faktorja (VEGF), kar vpliva na prepustnost in angiogenezo v tumorjih.

Eksosomi in kemorezistenca

Eksosomi igrajo ključno vlogo pri razvoju odpornosti na kemoterapijo v različnih vrstah raka, saj sodelujejo pri uravnavanju kemorezistence preko več mehanizmov. Njihova tvorba se začne z invaginacijo plazemske membrane, kar pripelje do nastanka zgodnjih endosomov, ki se razvijejo v multivezikularna telesca (MVB). MVB vsebujejo intraluminalne vezikle (ILV), ki nastanejo z notranjim brstenjem endosomalne membrane. Ti MVB se lahko združijo z lizosomi, kjer pride do razgradnje vsebine, ali pa se povežejo z zunanjo celično membrano, kjer ILV preidejo v zunajcelični prostor kot eksosomi.

Ta proces je uravnavan z različnimi molekularnimi mehanizmi, vključno s potjo ESCRT (Endosomal Sorting Complex Required for Transport), tetraspanini in lipidnim metabolizmom. Eksosomi omogočajo komunikacijo s ciljnimi celicami, tako da sprostijo svojo vsebino v citosol ali pa se absorbirajo preko endocitoze. Preneseni materiali, kot so mRNA fragmenti, miRNA in proteini, imajo biološko aktivnost in vplivajo na funkcije prejemnih celic. V določenih primerih lahko eksosomi vplivajo na tarčne celice zgolj z vezavo na njihovo membrano, brez sproščanja vsebine.

Eksosomi so v različnih rakih povezani z razvojem odpornosti na kemoterapijo. Pri pankreatičnem duktalnem adenokarcinomu (PDAC) je bilo opisanih več poti, ki prispevajo k odpornosti na gemcitabin, eno izmed glavnih zdravil pri zdravljenju tega raka. Učinkovitost gemcitabina je pogosto omejena zaradi prirojene ali pridobljene odpornosti. Ključno vlogo pri sprejemu gemcitabina ima transporter hENT1 (human equilibrative nucleoside transporter 1), katerega visoka izraženost je povezana z daljšim preživetjem bolnikov. Nekatere miRNA, kot miR-196a-3p, ki se pojavljajo v eksosomih celic PDAC, vplivajo na izražanje hENT1 in bi lahko služile kot biomarkerji za napovedovanje učinkovitosti terapije.

Vloga MDR proteinov (npr. MRP1, MRP5, P-gp) pri odpornosti na gemcitabin še ni povsem jasna, vendar več študij nakazuje, da lahko njihova prekomerna izraženost prispeva k zmanjšani občutljivosti celic. Izguba proteina GIPC naj bi povzročila presnovno obremenitev in povečala odpornost na gemcitabin. Eden izmed pogostih vzrokov za odpornost je tudi nezadostna aktivacija apoptoze – celice PDAC izražajo visoke ravni inhibitorjev programirane celične smrti, kot so survivin, XIAP, cIAP1 in cIAP2. Survivin se lahko sprošča preko eksosomov in ima pomembno vlogo pri preživetju celic, proliferaciji, imunski evaziji in metastazah.

Poleg tega metabolizem glutamina in uravnavanje reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS) vplivata na odpornost. Eksosomi aktivirajo encime, kot sta superoksid dismutaza 2 in katalaza, ki zmanjšujejo oksidativni stres in ščitijo celice pred učinki kemoterapije. Med vključenimi miRNA je pomembna tudi eksosomalna miR-155, ki še dodatno spodbuja kemorezistenco.

Kemorezistentna tumorska celica izloča eksosome, ki vsebujejo miRNA, mRNA in beljakovine. Ti eksosomi se prenesejo v sprejemne celice, kjer pride do njihove endocitoze in preoblikujejo celične poti, kar omogoči odpornost na kemoterapijo. Eksosomi spodbujajo diferenciacijo naivnih T celic v Th17 in Treg, kar vpliva na vnetje in imunski odziv. Prenos odpornosti na zdravila omogoči preživetje tumorja kljub terapiji. Eksosomi prav tako podpirajo epitelno mezenhimski prehod, angiogenezo, metastaziranje in prehod fibroblastov v CAF, ki spodbujajo rast tumorja. Aktivirajo tudi makrofage in nevtrofilce, kar pomaga rasti tumorja.

Terapije na osnovi exRNA za premagovanje kemorezistence

Sodobne raziskave kažejo, da terapevtske strategije, ki so usmerjene v uravnavanje exRNA, obetajo premagovanje kemorezistence. Krožna RNA circATXN7, ki je prekomerno izražena pri raku dojk, zmanjša občutljivost na doksorubicin preko osi miR-149-5p/HOXA11. Nasprotno pa circKDM4C, katere raven je zmanjšana pri raku dojk, zavira odpornost na doksorubicin preko poti miR-548p/PBLD. Dolge nekodirajoče RNA, kot je lncRNA-HOTAIR, igrajo ključno vlogo pri kemorezistenci. Zmanjšanje njenega izražanja zmanjša proliferacijo in poveča apoptozo ter zavira signalno pot PI3K/AKT/mTOR. Utišanje lncRNA PCAT-1 poveča občutljivost celic na bortezomib. Eksosomi iz makrofagov M1, naloženi s cisplatinom, zmanjšajo odpornost na zdravljenje jajčnikov, medtem ko makrofagi M2 povečajo odpornost na cisplatin. Prekomerna izraženost miR-155 in miR-223 prispeva k odpornosti na zdravljenje. Zdravljenje z miR-34a v nanodelcih uspešno zavre rast tumorjev v mišjih modelih. Integracija exRNA z drugimi "omiki", kot so proteomika in metabolomika, omogoča boljše razumevanje bolezni in pomaga pri iskanju novih biomarkerjev za personalizirano medicino.

Zaključek

Kemoterapija ostaja ključna oblika zdravljenja raka, vendar v zadnjem desetletju raziskave potrjujejo pomembno vlogo zunajceličnih RNA (exRNA) pri razvoju odpornosti na zdravljenje (CR). ExRNA, zlasti tiste v eksosomih in drugih zunajceličnih veziklih (EV), uravnavajo večkratno odpornost na zdravila (MDR) prek različnih mehanizmov, kot so povečano izločanje zdravil, ohranjanje rakavih matičnih celic (CSC), popravljanje DNA in izogibanje imunskemu nadzoru. ExRNA so ključni regulatorji medcelične komunikacije, kar omogoča prenos značilnosti odpornosti med celicami in otežuje terapevtske pristope. Poleg tega so postale izjemno perspektivni diagnostični biomarkerji za spremljanje odziva na zdravljenje in izidov terapij, še posebej v tekočinskih biopsijah. Kljub temu pa obstajajo tehnične omejitve, predvsem glede standardizacije izolacije in karakterizacije exRNA ter njihove klinične uporabe. Na terapevtskem področju so obetavne strategije manipulacije exRNA, kot so antisens oligonukleotidi, siRNA in CRISPR-Cas sistemi, ki omogočajo utišanje onkogenih exRNA ali okrepitev izražanja tumorsupresorskih molekul. Napredni dostavni sistemi, kot so inženirsko prilagojeni eksosomi in nanodelci, bodo ključni pri implementaciji RNA-terapij. Pričakuje se, da bodo prihodnje raziskave povezovale visokozmogljivo sekvenciranje in bioinformatiko za globlje razumevanje kompleksnosti exRNA ter njihovo terapevtsko izkoriščanje.

Viri

  • Y. Khan, M. S. Hussain, P. S. Ramalingam, R. Fatima, M. Maqbool, S. Ashique, N. U. Khan, A. S. Bisht, G. Gupta. Exploring extracellular RNA as drivers of chemotherapy resistance in

cancer. Molecular biology reports, vol. 52,1 142. 21 Jan. 2025. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39836259/.

  • O. R. Farzam, S. Eslami, A. Jafarizadeh, S. G. Alamdari, R. Dabbaghipour, S. A. Nobari, B. Baradaran. The significance of exosomal non-coding RNAs (ncRNAs) in the metastasis of colorectal cancer and development of therapy resistance. Gene, vol.937. 2025. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39643147/.
  • D. E. Ellakwa, N. Musthaq, S. Khan, A. Jabbar, M. A. Abdelmalek, A. S. Wadan, T. E. Ellakwa, A. Raza. Molecular functions of microRNAs in colorectal cancer: recent roles in proliferation, angiogenesis, apoptosis, and chemoresistance. Naunyn-Schmiedeberg's archives of pharmacology, vol. 397,8. 2024. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38619588/.
  • J. Guo, L. Zhong, M. R. Momeni. MicroRNA-155 and its exosomal form: Small pieces in the gastrointestinal cancers puzzle. Cell biology and toxicology, vol. 40,1 77. Sep. 2024. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39283408/.