Квинтесенция на проблема
Обструктивната сънна апнея (ОСА) засяга значителна част от световното население и е свързана с повишена заболеваемост от рак, метаболитен синдром, сърдечно-съдови болести, когнитивни нарушения, травматични инциденти поради дневна сънливост и други. Коморбидитетът при ОСА се дължи на активиране на сигнални пътища, генериращи системно възпаление. Основна характеристика на болестта е интермитентната нощна хипоксия. Животинските модели на ОСА, наподобяваща интермитентна хипоксия (ИХ), показват повишен туморен растеж и метастазиране. Авансиралите солидни тумори обичайно имат по-големи области на хронична тъканна хипоксия, като по този начин активират транскрипцията на хипоксия индуцируем фактор-1 (HIF-1). Последният от своя страна контролира експресията на гени, взимащи участие в прогресията на злокачествените заболявания. Доколко ИХ повишава риска от развитие на неопластични болести чрез повишаване активността на HIF-1, не е изяснено към момента. HIF-1 също така е свързан патогенетично с нуклеарен фактор-κB (NF-κB) и оттам и с продукцията на проинфламаторни цитокини, които продуцират системно възпаление.
Въведение
Голяма част от болестите на човека водят до хипоксия или се пораждат от нея. Например пациентите с хронични белодробни болести имат значително по-висок риск от останалата популация да заболеят от белодробен карцином (БК), като най-висока зависимост има между ХОББ и плоскоклетъчния БК1. Назависимо от тютюнопушенето като фактор е доказано, че астматиците имат 1.8 пъти по-голяма вероятност да заболеят от БК в сравнение с останалата популация2.
Тютюневият дим е безспорен карциноген по отношение на БК и някои други видове рак. В много случаи и други фактори взаимодействат с тютюневия дим, като допринасят за карциногенния му потенциал, както и развитието на БК при непушачи. Такива фактори са азбест, радон, йонизираща радиация и някои инфекциозни болести, като белодробна туберкулоза, без да има връзка с Mycobacterium tuberculosis3. В няколко малки проучвания има доказана връзка между развитието на БК и инфекции, причинени от Chlamydоphila pneumoniae4.
Други биологични причинители, които се предполага, че играят роля в белодробната карциногенеза, са Simian virus 40 и гъбичката Microsporumcanis5,6.
Много от тези фактори генерират хронично възпаление от локален или системен характер. Според метаанализи на няколко големи проучвания е доказано, че ежедневният прием на аспирин и други нестероидни противовъзпалителни средства намалява смъртността от няколко вида рак7.
Сигнални пътища за системен възпалителен отговор
Възпалителният отговор е обичайно функция на вродения имунитет, която дава възможност на организма да упражни съпротива срещу чужди микроорганизми още в първите часове на инвазията, защото за възникване на придобит имунитет ще са необходими дни. Ключова позиция във вродения отговор заемат TLRs (tolllikereceptors). Това са семейство протеини, чиято функция е да се свързват с белтъци, които обичайно не се срещат в организма на бозайниците. Това са критичните членове на вродения имунитет, които отключват бърз имунен отговор8. Някои от тях са разположени по повърхността на имунните клетки. Например TLR2 се активират от бактериални липопротеини и пептидогликани, TLR4 пък взаимодействат с липополизахариди (LPS) или ендотоксини. Други членове на TLR фамилията се разполагат в цитоплазмени везикули като TLR9, които разпознават секвенции от бактериална ДНК или TLR3 и TLR7, които пък се активират от едноверижна или двуверижна вирусна РНК.
В допълнение към екзогенните молекули, някои ендогенни такива също могат да се свързват с TLR рецепторите, като топлинния шоков протеин (HSP) и оксидираните липопротеини с ниска плътност (oxLDLs). Последните са изключително важни за патогенезата на атеросклерозата, при която LDL активират TLR4 в атероматозните субендотелни плаки и оттам ендотелните клетки и макрофагите започват отделяне на хемотаксични агенти, които отключват патогенен възпалителен отговор.
Сигнализацията чрез TLR2 и TLR4 прогресира чрез адаптиращ киназите протеин с наименование MyD88, който на свой ред дирижира още няколко каскадни пътя. Чрез директно фосфорилиране на IκB kinase-β (IKKβ), MyD88 активира NF-κB, а на свой ред той е главен превключвател на проинфламаторните гени9. Транслокацията на NF-κB в клетъчното ядро води до синтез на проинфламаторни цитокини (IL-6, IL-8, TNF-α и други), циклооксигеназа 2 (COX2) и металопротеинази. Този бърз отговор на вродения имунитет е преходен, но персистира при различни патогенетични състояния, свързани с хронично възпаление, като атеросклероза, артрит, карциногенеза, ХОББ и други.
Активирането на първичния имунен отговор е свързано със стабилен приток на имунни клетки. Освен привлечените клетки, ендотелните клетки, мастоцитите, дендритните клетки и фибробластите отговарят чрез отделяне на разтворими медиатори, включващи ейкозаноиди и проинфламаторни цитокини (IL-1, IL-6, IL-8, TNF-α и други).
Основен път на трансдукция на сигнала, участващ в производството на провъзпалителни цитокини, е пътят на р38 митоген-активиран протеинкиназа (MAPK) (Фиг. 1а и 1б). Интересното е, че p38 MAPK е също един от първичните пътища за трансдукция на сигнали, активирани от цитокините IL-1β и TNF-α на принципа на позитивната обратна връзка.
Тези медиатори усилват възпалителния отговор и в резултат се мобилизират нови левкоцити, което води до отделяне на реактивни интермедиерни продукти на кислорода и азота, които водят, от една страна, до директна тъканна увреда, а от друга, до увреждане на генетичната информация на засегнатите клетки и от там до мутации с малигнен потенциал.
Високите стойности на IL-1β се асоциират със силна дневна сънливост при системен възпалителен процес, но този цитокин се изолира трудно, докато IL-6 е по лесен за анализ, но се асоциира с дневна сънливост.
Роля на хипоксията в индукцията на системен възпалителен отговор и карциногенезата
Regulation of hypoxia inducible factor-1 а (HIF-1a) stability and HIF-1 transactivation under normoxia and hypoxia. Under normal oxy-gen conditions, the HIF1A gene is constitutively transcribed to HIF1A mRNA, which is then translated to HI F-1 а protein. ln normoxia and the presence of oxygen, the HIF-1 а protein is rapidly hydroxylated by the prolyl hydroxylases (PHDs) enzymes, which enables Ьinding of von Hippel-Lindau tumor suppressor protein (pVHL) and the ubiquitin ligase, leading to proteasomal degradation. Under chronic hypoxia, hydroxylation nо longer occurs, enabling HIF-1a to move into the nucleus and form the active HIF transcription complex. The regulation and activation of HIF-1 а under intermittent hypoxia from obstructive sleep apnea (OSA) is not entirely clear. Modified from Hunyor et al.
HIF-1 се състои от HIF-1α и HIF-1β субединици и транскрипционен коактиватор 300/CBP (фиг. 2).
HIF се транскрибира в условия на тъканна хипоксия. Активността на HIF-1по правило е кислород зависима и се регулира чрез деградация на HIF-1α с условие на нормоксия. При недостиг на кислород HIF-1α е стабилизира на и може да навлезе в клетъчното ядро, където да формира активен транскрипционен фактор. Съществуват и други механизми за регулацията активността на HIF, например транскрипцията на HIF1А гена, която се регулира от количеството на HIF-1α протеина в клетката. При хронична хипоксия транскрипцията на HIF1А и РНК се потиска на принципа на негативната обратна връзка, което предпазва от свръхактивност на HIF-1. Този регулаторен механизъм отсъства в условия на ИХ12 (фиг.3 А, Б).
Регулацията на HIF1А транскрипцията се различава при хронична и интермитентна хипоксия. HIF1А се експресира в HIF1А и РНК, която на свой ред в HIF-1α протеин. Стабилността на HIF-1α проте- ина е кислород зависима.(А) При хронична хипоксия се увеличава количеството на HIF-1α, при което се активира негативна обратна връзка и потиска транскрипцията на HIF1А гена. (В) При интермитентна хипоксия HIF-1α протеина също е стабилен, но не се активира негативна обратна връзка, която да по- тисне транскрипцията на HIF1А
Освен това HIF е свързан патогенетично с NF-κB и оттам и с продукцията на проинфламаторни цитокини13. Допълнително взаимодействие между хипоксия и възпаление се забелязва и в IκB-киназния комплекс, регулатор на NF-κB и в регулацията на HIF транскрипцията чрез NF-κB по време на възпаление14,15.
Концентрацията на кислород в солидните тумори в сравнение с нормалните тъкани е значително по-ниска. Солидните тумори съдържат повишени нива на HIF-1α и HIF-2α и тази зависимост корелира със смъртността, свързана с рак16. Хипоксията в солидните тумори стабилизира високите нива на HIF, така онкогените или нарушената функция на тумор супресорните гени може да се свърже с увеличената транскрипция на HIF17. Активацията на HIF в хипоксичните тумори или в стромата увеличава васкуларизацията18,19. Този процес променя морфологичните характеристики на кръвоносните съдове на тумора и по-точно тези на ендотела, като се компрометира доставката на кислород20.
Инфламаторните клетки също допринасят за аномалиите в кръвоснабдяването на тумора чрез отделяне на съдов ендотелен растежен фактор (VEGR). Има експериментални доказателства, че инхибирането на HIF във възпаленото ядро на тумора би отслабило туморния растеж и васкуларизация и освен това би подобрило отговора към лъчелечение21. Участието на HIF-1α във възпалението и карциногенезата е изследвано при животински модели чрез индуциране на ИХ. Човешкият модел за ИХ се наблюдава при пациентите с тежка ОСА.
Обсъждане
ОСА засяга около 13% от мъжете и близо 6% от жените в световен мащаб, като отскоро се асоциира и с повишен риск от развитие на злокачествени болести, както и повишена смъртност22-24.
Основна характеристика на ОСА е ИХ с цикличен характер, която се генерира от обструкцията на горните дихателни пътища по време на сън. При експeриментални модели с животни, изложени на ИХ, подобна на тази при ОСА се наблюдава повишен туморен растеж, инвазия и метастазиране, предполагащи, че ИХ е водещият механизъм на патологичните ефекти на болестта25. Друг отделен феномен, познат като хронична туморна хипоксия, е свързан с по-лошите резултати при злокачествените болести. Последната активира транскрипционния HIF-1, който на свой ред контролира експресията на много гени, асоциирани с рак, включително и наvтези, касаещи гликолизата, метастазирането и ангиогенезата. Експресията на тези гени действа като хипоксичен ключ, който е свързан с по-лоша прогноза. За изявата на последния ефектът е доза зависим, но не е ясна и ролята на амплитудата, броя и продължителността на циклично повтарящите се периоди хипоксия – реоксигенация. За тази цел са необходими бъдещи изследвания. За разлика от ИХ, при хроничната хипоксия синтезата на HIF1A и РНК намалява, а при интермитентната синте за се засилва. Това предполага, че повишаването на HIF-1 активността, медиирано от ОСА, може да се таргети ра за фармакологично инхибиране.
Послание за клиничната практика
ОСА обичайно се асоциира с болести на сърдечно-съдовата система и със съдови инциденти, но напоследък се свързва и с по-висока честота на злокачествени болести, както и с по-лоши резултати при протичането на последните. Голяма част от молекулярните изследвания на злокачествените болести се фокусират на възпалителния отговор при ИХ. Въпреки това, като се има предвид връзката между хроничната хипоксия при рак и по-лошите резултати от протичането на болестта, интересът към ефектите на хипоксията при ОСА е добро поле за бъдещи изследвания. Този вид нарушение на дишането по време на сън е естествен модел за ИХ, даващ терен за изучаване на карциногенезата.
Литература
1. MayneS.T., Buenconsejo J., Janerich D.T.: Previous lung cancer disease and risk of lung cancer among men and women nonsmokers. Am J Epidemiol., 1999; 149 (1):13-20.
2. Santillan A.A.,Camargo C.A. Jr., Colditz G.A.: A meta-analysis of asthma and risk of lung cancer (United States). Cancer Causes Control, 2003; 14 (4):327-334
3. Aoki K.: Excess incidence of lung cancer among pulmonary tuberculosis patients.Jpn J Clin Oncol.,1993, 23 (4):205-220
4. Littman A.J.,Jackson L.A., Vaughan T.L.: Chlamydia pneumoniae and lung cancer: epidemiologic evidence. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev.,2005; 14 (4):773-778
5. Galateau-Salle F., Bidet P., Iwatsubo Y., et al.: Detection of SV40-like DNA sequences in pleural mesothelioma, bronchopulmonary carcinoma and other pulmonary diseases. DevBiol Stand.,1998; 94:147-152
6. Nakachi K., Limtrakul P., Sonklin P., et al.: Risk factors for lung cancer among Northern Thai women: epidemiological, nutritional, serological, and bacteriological surveys of residents in high- and low-incidence areas. Jpn J Cancer Res.,1999; 90 (11):1187-1195
7. Rothwell_P.M., Fowkes_F.G., Belch_J.F., et al.: Effect of daily aspirin on long-term risk of death due to cancer: analysis of individual patient data from randomised trials. Lancet.,2011; 377 (9759):31-4
8. Bryant CE, Symmons M, Gay NJ: Toll-like receptor signalling through macromolecular protein complexes. MolImmunol., 2015 63:162-165
9. Pal S, Bhattacharjee A, Ali A, et al.: Chronic inflammation and cancer: potential chemoprevention through nuclear factor kappa B and p53 mutual antagonism. J Inflamm (Lond),2014; 11:23
10. Hartmann G, Tschop M, Fischer R, et al. High altitude increases circulating interleukin-6, interleukin-1 receptor antagonist and C-reactive protein. Cytokine. 2000;12:246–52.
11. Semenza GL. Life with oxygen. Science. 2007;318:62–64.
12. Cavadas, M.A.S.; Cheong, A.; Taylor, C.T. The regulation of transcriptional repression in hypoxia. Exp. Cell Res. 2017, 356, 173–181.
13. Taylor CT. Interdependent roles for hypoxia inducible factor and nuclear factorkappaB in hypoxic inflammation. J Physiol. 2008;586:4055–9.
14. Cummins EP, Berra E, Comerford KM, et al. Prolyl hydroxylase-1 negatively regulates IkappaB kinase-beta, giving insight into hypoxia-induced NFkappaB activity. ProcNatlAcadSci U S A. 2006;103:18154–9.
15. Bonello S, Zahringer C, BelAiba RS, et al. Reactive oxygen species activate the HIF-1alpha promoter via a functional NFkappaB site. ArteriosclerThrombVasc Biol. 2007;27:755–61.
16. Semenza GL. Targeting HIF-1 for cancer therapy. Nat Rev Cancer. 2003; 3:721–32.
17. KaelinWG.,Jr The von Hippel-Lindautumour suppressor protein: O2 sensing and cancer. Nat Rev Cancer. 2008;8:865–73.
18. Fraisl P, Mazzone M, Schmidt T, Carmeliet P. Regulation of angiogenesis by oxygen and metabolism. Dev Cell. 2009;16:167–79.
19. Liao D, Johnson RS. Hypoxia: a key regulator of angiogenesis in cancer. Cancer Metastasis Rev. 2007;26:281–90.
20. De Bock K, De Smet F, Leite De Oliveira R, et.al. Endothelial oxygen sensors regulate tumor vessel abnormalization by instructing phalanx endothelial cells. J Mol Med. 2009;87:561–9.
21. Semenza GL. Defining the role of hypoxia-inducible factor 1 in cancer biology and therapeutics. Oncogene. 2010;29:625–34.
22. Peppard, P.E.; Young, T.; Barnet, J.H.; Palta, M.; Hagen, E.W.; Hla, K.M. Increased prevalence of sleep-disordered breathing in adults. Am. J. Epidemiol. 2013;177, 1006–1014.
23. Cao, J.; Feng, J.; Li, L.; Chen, B. Obstructive sleep apnea promotes cancer development and progression: A concise review. Sleep Breath 2015, 19, 453–457.
24. Hunyor, I.; Cook, K.M. Models of intermittent hypoxia and obstructive sleep apnea: Molecular pathways and their contribution to cancer. Am. J.Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2018;315, R669–R687.
25. Almendros, I.; Montserrat, J.M.; Ramírez, J.; Torres, M.; Duran-Cantolla, J.; Navajas, D.; Farré, R. Intermittent hypoxia enhances cancer progression in a mouse model of sleep apnoea. Eur. Respir. J. 2012, 39, 215–217.
