Pathomechanisms of head and neck cancer pain

WSTĘP

Nowotwory głowy i szyi (GiS), ich objawy oraz powikłania występujące na skutek leczenia stanowią powszechny problem terapeutyczny. Nasilony ból, często niemożliwy do opanowania, jest najbardziej uciążliwym objawem doświadczanym przez chorych [1, 2]. Ponadto, jest także najczęstszym pierwszym objawem raka GiS, skłaniającym pacjentów do szukania pomocy lekarskiej [3]. Częstość występowania bólu w nowotworach GIS wynosi 65– 90% i jest wyższa niż w przypadku innych nowotworów, w których sięga 40–50% [4–7].
Ból nowotworowy powoduje trudności w codziennym życiu chorych, ogranicza zdolność przyjmowania pokarmów doustnie, czego rezultatem może być konieczność wykonania przezskórnej endoskopowej gastrostomii [8, 9]. Utrudnione są relacje społeczne, praca zawodowa oraz aktywność seksualna [2, 10, 11], skutkiem czego jest drastyczne obniżenie jakości ich życia oraz zaburzenia nastroju, takie jak lęk czy depresja [5, 10–14]. Stąd brak bólu okazuje się priorytetem pacjentów w walce z rakiem GiS [15]. Operacyjne usunięcie guza może prowadzić do zmniejszenia natężenia bólu [16]. Resekcja jest jednak obarczona ryzykiem deformacji twarzy lub szyi, osłabienia funkcji ramienia [15] czy silnego bólu neuropatycznego [17–19]. Leczenie oparte na lekach opioidowych często okazuje się niewystarczające [20]. Konieczne jest stosowanie dużych dawek, co powoduje szczególnie uciążliwe działania niepożądane, uniemożliwiające prawidłowe funkcjonowanie pacjenta [12].
Ból związany z obecnością nowotworów GiS może mieć charakter nocyceptywny bądź neuropatyczny, lub łączyć te cechy. Silny ból nocyceptywny pojawia się na wczesnym etapie choroby, nawet kiedy guz jest mały, poprzez parakrynne oddziaływanie na gęstą sieć receptorów bólowych w błonie śluzowej [5, 21]. W mikrośrodowisku guza dochodzi do ich aktywacji przez substancje wydzielane przez guz, a także komórki gleju czy komórki odpornościowe; należą do nich między innymi czynnik martwicy nowotworów  (ang. tumor necrosis factor  – TNF-), interleukiny, endoteliny, czynnik wzrostu nerwów (ang. nerve growth factor – NGF), adenozyno-5’-trifosforan (ang. adenosine-5’-triphosphate – ATP) i proteazy, w tym legumina [22, 23]. Mikrośrodowisko guza jest wyjątkowo wrażliwe na bodźce, ponieważ nowotwór promuje w jego obrębie rozrost nowych neuronów, zarówno czuciowych, jak i współczulnych [23]. Jest to najczęściej ból zlokalizowany w okolicy loży zmiany, tj. w jamie ustnej, w tym na języku i dnie jamy ustnej, w krtani, gardle i śliniankach [24]. Natężenie bólu rośnie wraz z postępującym zaawansowaniem nowotworu [23]. Ból potęguje także naciek i przerzuty do kości, jest to jednak rzadkie zjawisko, które pojawia się w zależności od lokalizacji nowotworu [12, 25]. Ból neuropatyczny stanowi znaczny problem dla pacjentów po rozpoczęciu leczenia [26]. Leczenie operacyjne i w mniejszym stopniu chemioterapia uszkadzają nerwy, wywołując trudny w leczeniu, długotrwały ból neuropatyczny, natomiast radioterapia powoduje bolesne zapalenie błony śluzowej jamy ustnej [27–30]. Dolegliwości te mogą być tak silne, że konieczne staje się zaprzestanie leczenia [31]. Warto zaznaczyć, iż już przed rozpoczęciem leczenia ból neuropatyczny obserwowany jest u około połowy pacjentów [32]. Mechanizmem odpowiedzialnym za to zjawisko jest między innymi inwazja okołonerwowa guza (ang. perineural invasion) [33]. Inwazja okołonerwowa guza to rodzaj przerzutu oparty na neurotropizmie komórek guza, które wrastają do przestrzeni nerwowej, promowany przez cząsteczki z rodziny czynników neurotroficznych i zwiastujący gorsze rokowanie [34, 35].

CYTOKINY

TNF-

Czynnik martwicy nowotworów  stymuluje procesy zapalne i wywołuje ból nocyceptywny [21]. Ból powstaje bezpośrednio po połączeniu się TNF- z receptorem czynnika martwicy nowotworu (ang. tumor necrosis factor receptor – TNFR), obecnym na włóknach aferentnych [36]. Stymulacja receptorów TNFR przez TNF- prowadzi także do hiperalgezji [30, 37]. Istnieje wiele dowodów na udział TNF- w powstawaniu bólu związanego z nowotworami GiS. Scheff i wsp. (2017) udowodnili, iż wstrzyknięcie TNF- pobranego z komórek raka kolczystokomórkowego jamy ustnej (RKJU) do łapy myszy wywoływało u niej silną reakcję nocyceptywną [38]. Ponadto, w innym badaniu udowodniono istnienie dodatniej korelacji pomiędzy stężeniem TNF- w komórkach raka GiS a natężeniem bólu zgłaszanym przez pacjentów [22, 39]. To stężenie jest szczególnie wysokie w komórkach RKJU w stosunku do prawidłowych keratynocytów [22]. Jest także znacznie wyższe w surowicy krwi pacjentów z nowotworami GiS doświadczających silnego bólu niż u pacjentów nieodczuwających bólu lub zdrowych [40]. Obniżenie stężenia TNF- lub blokowanie jego działania wiązało się z ustępowaniem bólu [22, 41]. Działanie TNF- jest oparte między innymi na dwóch osiach pozytywnego sprzężenia zwrotnego. TNF- stymuluje komórki Schwanna do wydzielania mediatorów bólu, w tym również TNF-, który oddziałuje zwrotnie na komórki Schwanna, napędzając oś sprzężenia zwrotnego i tym samym nasilając ból [22]. Ponadto, wydzielanie TNF- jest kontrolowane przez czynnik transkrypcyjny NF kappa B (NF-B). TNF- oddziałuje stymulująco na ten czynnik, który następnie promuje dalsze wydzielanie TNF- i innych cytokin powodujących ból, prowadząc do jego zaostrzenia [21, 30]. TNF- powoduje ból też pośrednio, oddziałując na mikrośrodowisko guza [40, 42]. Wspomaga rozwój procesu zapalnego, przyciągając komórki odpornościowe i stymulując je do wydzielania interleukin IL-1 i IL-6, które również przyczyniają się do powstawania bólu [21, 42]. Oprócz wywoływania bólu TNF- bierze udział w powstawaniu objawów, takich jak zmęczenie, bezsenność i upośledzenie zdolności poznawczych [40]. Układ współczulny poprzez norepinefrynę wydzielaną w sytuacji stresowej, jaką jest choroba nowotworowa, stymuluje wydzielanie TNF-, nasilając doznania bólowe [39].

Endoteliny

Endotelina-1 (ET-1) jest peptydem związanym z odczuwaniem bólu nocyceptywnego występującego w nowotworach GiS [30, 43, 44]. Ból ten powstaje na skutek jej połączenia z receptorami występującymi na całym nerwie trójdzielnym i jego odgałęzieniach unerwiających guz [36, 45, 46]. ET-1 uwrażliwia włókna nocyceptywne, zwiększając ich pobudliwość w reakcji na inne cząsteczki powodujące ból [11]. Efektem tego jest allodynia mechaniczna i hiperalgezja na bodziec cieplny [30, 47]. Co więcej, ET-1 obniża próg wydzielania ATP z komórek endotelium, który także jest jednym z czynników powodujących ból [20]. Ponadto, stymuluje proces remodelingu kości wywołanego nowotworem lub przerzutem, wywołując dolegliwości bólowe [21]. Dowody na związek ET-1 z bólem powstałym z powodu nowotworu GiS opracowano na podstawie modeli zwierzęcych i tkanek ludzkich. Wstrzyknięcie ET-1 do wargi lub stawu skroniowo-żuchwowego szczura wywoływało u niego zachowania wskazujące na odczuwanie bólu nocyceptywnego [36]. Zabieg wstrzyknięcia ET-1 u człowieka wywołał podobny efekt [44]. Stężenie ET-1 w mikrośrodowisku RKJU oraz surowicy u chorych na ten nowotwór jest szczególnie wysokie [10, 36, 47], znacznie wyższe niż w innych nowotworach, co pokrywa się z różnicami w intensywności bólu [20, 46]. Stężenie ET-1 wyraźnie silniej koreluje z natężeniem bólu niż wielkość nowotworu [46, 48]. ET-1 działa, łącząc się z receptorami endotelinowymi ETA i ETB, które są związane z białkiem G [46, 49]. W zwoju trójdzielnym szczura receptory ETA są obecne zarówno na włóknach A, jak i niepeptydergicznych włóknach C, a receptory ETB są obecne na niepeptydergicznych włóknach C i komórkach satelitowych gleju [30]. Udział receptorów ETA i ETB w procesach bólowych różni się. Stymulacja receptora ETA w mikrośrodowisku guza wywołuje silny ból [46]. Zablokowanie receptora ETA jego antagonistą powoduje zniesienie bólu w takim samym stopniu, jak podanie morfiny systemowej w dużych dawkach [20]. W RKJU ma to związek z wydzielaniem -endorfiny po jego zablokowaniu [50]. Ponadto ETA ma udowodnioną funkcję w powstawaniu bólu neuropatycznego i zapalnego [46]. Aktywacja receptora ETB prowadzi do zmniejszenia bólu [46] poprzez wydzielanie endogennych opioidów [51]. W badaniu na mysim modelu RJKU dowiedziono, że zastosowanie agonisty receptora ETB znosi ból nocyceptywny w mechanizmie wydzielania -endorfiny [52]. Efekt ten zostaje zniesiony po podaniu naloksonu.

Czynniki neurotroficzne

Do rodziny czynników neurotroficznych należą także czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego (ang. brain-derived neurotrophic factor – BDNF) oraz NGF. Czynnik wzrostu nerwów został odkryty jako pierwszy, a jego działanie reguluje lokalny wzrost i przeżycie włókien nerwowych [53]. Receptory dla NGF to błonowe receptory kinazy tropomiozyny A (ang. tropomyosin receptor kinase A – TrkA) oraz p75 obecne na neuronach [54]. Czynnik wzrostu nerwów działa po połączeniu się z receptorami TrkA i p75 lub jest transportowany do ciała komórki, gdzie modyfikuje ekspresję genów [54, 55]. Po połączeniu NGF z receptorem dochodzi do aktywacji szlaku kinazy białkowej C i uwolnienia jonów wapnia [56]. Zablokowanie działania NGF przeciwciałem anty-NGF prowadzi do złagodzenia bólu nocyceptywnego i bólu wywołanego rakiem kości u myszy [57–59]. Powstawanie bólu nocyceptywnego związane jest z pobudzeniem receptorów TRP i PAR2 oraz receptorów P2X2 i P2X3 [60, 61]. Czynnik wzrostu nerwów moduluje te receptory, obniżając ich próg pobudzenia i zwiększając stopień ich ekspresji, co wykazano w badaniach na zwierzętach [60, 62–66]. Po podaniu anty-NGF zaobserwowano natomiast zmniejszenie ekspresji powyższych receptorów [61]. W nowotworach GiS NGF jest jednym z głównych czynników prowadzących do powstawania bólu [36]. Komórki RKJU wytwarzają znaczne ilości NGF, co widoczne jest zarówno w badaniach tkanek pochodzenia ludzkiego, jak również u zwierząt [30, 36, 59]. W związku z tym nerwy sąsiadujące z masą guza są narażone na wysokie stężenia NGF w jego mikrośrodowisku [41, 49]. Oprócz komórek guza NGF wydzielany jest także przez komórki Schwanna w wyniku pobudzenia przez nowotwór bezpośrednio poprzez hipoksję wynikającą z obecności guza lub za pośrednictwem TNF- [67–69]. TNF- wydzielany razem z NGF tworzy pętlę pozytywnego sprzężenia zwrotnego, aktywując własne wydzielanie z komórek Schwanna i jeszcze bardziej nasilając ból [70]. Czynnik wzrostu nerwów uczestniczy również w inwazji okołonerwowej, zjawisku powodującym silny ból związany z rozrostem nowotworu [49, 59].
Oprócz czynnika wzrostu nerwów w bólu nowotworowym bierze udział również BDNF, którego receptorem jest receptor kinazy tropomiozyny B (ang. tropomyosin receptor kinase B – TrkB). Ponadto BDNF uczestniczy w patogenezie bólu neuropatycznego, zapalnego i związanego z rakiem kości [24]. Na jego udział w powstawaniu bólu w RKJU wskazuje zwiększona ekspresja BDNF w neuronach zwoju nerwu trójdzielnego (ang. trigeminal ganglion – TG) u myszy z tym nowotworem oraz zniesienie bólu po zablokowaniu TrkB w tym samym modelu [71]. Czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego w obecności nowotworu wydzielany jest nie tylko przez komórki nowotworowe i neurony unerwiające guz, ale również przez komórki odpornościowe czy komórki Schwanna [24, 72–74].

ATP

Adenozyno-5’-trifosforan to szybko działający neurotransmiter [75], który jest czynnikiem powodującym ból nocyceptywny [76, 77]. Przyczynia się do jego powstawania w nowotworach GiS, także w RKJU, który wydziela ATP w dużych ilościach, drażniąc neurony nocyceptywne w mikrośrodowisku guza [20, 61]. Bodziec bólowy powstaje po połączeniu ATP z jednym z receptorów należących do rodziny P2X lub receptorem P2Y12R [20, 61]. Receptory P2X, do których należą P2X2 i P2X3, są obecne głównie na obwodowych nocyceptorach, zarówno należących do zwojów nerwu trójdzielnego, jak i do zwojów rdzeniowych (ang. dorsal root ganglia – DRG) [77]. W przypadku RKJU włókna TG unerwiające nowotwór mają na swojej powierzchni liczne receptory P2X2 i P2X3 [61]. Te receptory mogą występować pojedynczo lub łączyć się, tworząc homo- i heterodimery oraz trimery, które różnią się właściwościami prądu wywoływanego po aktywacji, a więc rodzajem wywoływanego bólu [61, 75, 78, 79]. ATP jest dzięki temu zdolny wywoływać i ból przewlekły, i ból ostry [61]. Receptory P2Y12 są obecne na neuronach w rdzeniu kręgowym i na sąsiadujących komórkach mikrogleju [80]. Obecność RKJU powoduje ekspresję i uwrażliwienie receptorów P2Y12, które po aktywacji przez ATP w ośrodkowym układzie nerwowym wywołują ból i odpowiadają za mechaniczną allodynię [80]. W rdzeniu kręgowym w wydzielaniu ATP bierze udział między innymi paneksyna-1, duży kanał błonowy nieselektywnie przepuszczający jony i inne cząsteczki sygnałowe, jak IL-1 i TNF-, obecny na komórkach mikrogleju [11].

PROTEAZY I ODCZYN KWAŚNY

Wydzielanie proteaz do mikrośrodowiska nowotworu powoduje zniszczenie i katabolizm lokalnych białek, czego następstwem jest obniżenie pH. Zakwaszenie środowiska wykazuje synergistyczny wpływ na aktywność cytokin i modulację pozostałych mediatorów bólu, co skutkuje dodatnim sprzężeniem zwrotnym [30]. Ciągła stymulacja receptorów czucia nocyceptywnego prowadzi do zmian w działaniu układu nerwowego. Następują obniżenie potencjału progowego i poszerzenie pola czucia obwodowo oraz zmiany adaptacyjne we wzgórzu, korze mózgu, mechanizmów zstępujących modulacji czucia bólu i pobudliwości jądra rdzeniowego nerwu trójdzielnego [30, 81]. Metabolizm beztlenowy w guzie i tkankach w stanie zapalnym zakwasza płyn pozakomórkowy. Legumaina (endopeptydaza asparaginylowa) to proteaza cysteinowa endosomów późnych i lizosomów z optimum działania w kwasowym pH. Legumaina zwiększa stężenie Ca2+ wewnątrz komórki, co powoduje aktywację receptorów aktywowanych proteazą (PAR2) [82]. Kwasica okołotkankowa jest nieodłącznie związana z nowotworami litymi [83]. Może być wtórna do oddychania beztlenowego, nekrozy czy apoptozy komórek guza. Kwasica jest ważnym elementem stanu zapalnego, a kwasowe pH jest bezpośrednią przyczyną bólu i hiperalgezji [84]. Przez kanały jonowe wrażliwe na kwasy (ang. acid-sensing ion channels – ASICs) protony aktywują neurony czuciowe [85]. Mediatory zapalenia prowadzą do zwiększenia liczby ASICs na powierzchni komórek nerwowych, co skutkuje większą pobudliwością neuronów [86]. Rola kwasicy wydaje się szczególnie istotna w powstawaniu bólu w nowotworach kości. Przyspieszają one przebudowę kostną, która zależy od proliferacji osteoklastów [87]. Osteoklasty wytwarzają białka, które utrzymują kwasowe pH w swoim otoczeniu, co wzmaga demineralizację kości. Białkiem, które zapobiega nadmiernej aktywności osteoklastów jest osteoprotegeryna [88]. Na modelach zwierzęcych udokumentowano zmniejszenie bólu w wyniku inhibicji osteoklastów przez osteoprotegerynę [87, 89–91]. Z kolei bisfosfoniany, które wywołują apoptozę osteoklastów, mogą opóźniać wystąpienie bólu kostnego u pacjentów z przerzutami do kości. Jednakże brakuje mocnych dowodów na ich bezpośrednie działanie analgetyczne [92, 93].

RECEPTORY

TRP

Jonowe kanały związane z receptorami przejściowego potencjału (ang. transient receptor potential channels – TRP) to błonowe receptory czuciowe [30], wśród których największe znaczenie w nowotworach jamy ustnej mają TRPV1 (ang. transient receptor potential vanilloid 1), TRPV4, TRPA1 (ang. transient receptor potential ankyrin 1) i TRPM8 (ang. transient receptor potential metastatin member 8) [94–97]. Są zlokalizowane na obwodowych zakończeniach nerwów czuciowych, odpowiedzialnych za przewodzenie bólu nocyceptywnego [30, 97]. Nerwy mające receptory TRP wywodzą się zarówno ze zwojów nerwu trójdzielnego, jak i zwojów rdzeniowych [97]. Przykładem może być TRPA1 obecny na 90% nerwów czuciowych człowieka i unerwiający większość guzów u pacjentów z RKJU [39]. Receptory TRP są podatne na uwrażliwienie, które prowadzi do hiperalgezji i allodynii, związanych głównie z bodźcami mechanicznymi [30, 94, 95, 98]. Podstawowym mechanizmem uwrażliwienia receptorów TRP jest ich fosforylacja, do której dochodzi między innymi na skutek uruchomienia mechanizmów zależnych od cyklazy adenylowej, kinazy białkowej A lub kinazy białkowej C- [99–101]. Receptor TRPA1 jest obecny również na komórkach Schwanna, gdzie oprócz bólu jego aktywacja promuje stres oksydacyjny i napływ makrofagów [102, 103]. TRPM8 jest natomiast silnie związany z włóknami mającymi na powierzchni receptory TrkA, co sugeruje jego rolę w powstawaniu neurogennego stanu zapalnego [30, 104]. W Tabeli 1 przedstawiono właściwości poszczególnych receptorów TRP.

PAR2

Receptor aktywowany protezami 2 (ang. protease-activated receptor 2 – PAR2) to receptor związany z białkiem G obecny na obwodowych neuronach nocyceptywnych [49, 105]. Pełni istotną rolę w powstawaniu bólu w nowotworach jamy ustnej [20, 106]. Aktywacja polega na rozszczepieniu (ang. cleavage) PAR2 przez proteazy (trypsynę i tryptazę) [82]. Po połączeniu się z Gq, dochodzi do wytwarzania cAMP i aktywacji szlaków kinaz regulowanych sygnałem pozakomórkowym (ang. extracellular signal-regulated kinases) oraz szlaku kinazy białkowej D (ang. protein kinase D), czego rezultatem jest sensytyzacja nocyceptorów [82, 107, 108]. Do proteaz aktywujących PAR2 należą między innymi trypsyna wydzielana przez komórki raka jamy ustnej oraz fibroblasty obecne w jego podścielisku [49], tryptaza, katepsyna S, legumaina, kallikreina i elastaza [47, 82, 109, 110]. Aktywacja PAR2 oprócz generowania bólu uwrażliwia receptory TRP na nocyceptorach, prowadząc do hiperalgezji i przewlekłego bólu [82, 101]. Ponadto obecność proteaz w mikrośrodowisku guza prowadzi do zwiększenia liczby receptorów PAR2 na narażonych neuronach, nasilając ból [111].

PODSUMOWANIE

Mechanizmy prowadzące do powstawania bólu w przebiegu nowotworu GiS są złożone. Czynniki wywołujące ból są wydzielane nie tylko przez nowotwór, ale także przez prawidłowe tkanki chorego. Fizjologiczne odczuwanie bólu zostaje zaburzone, dochodzi do uwrażliwienia neuronów i dodatkowego nasilenia bólu. Regulacja tych mechanizmów zachodzi nie tylko na obwodzie, ale również w obrębie ośrodkowego układu nerwowego. Cytokiny, czyli TNF-, interleukiny, czynniki neurotroficzne oraz ATP, wywołują bodziec bólowy. Umożliwiają im to receptory, takie jak TRP i PAR2. Proteazy i niskie pH w obrębie mikrośrodowiska guza modulują wrażliwość neuronów na ból. Tak zawiłe mechanizmy z jednej strony utrudniają zrozumienie tego zjawiska, z drugiej zaś przedstawiają liczne potencjalne cele terapeutyczne. Mimo licznych badań, mechanizmy powstawania bólu nie zostały do końca poznane, stąd istotne jest dalsze prowadzenie badań przybliżających do ich całkowitego zrozumienia.

Deklaracje

1. Zgoda Komisji Bioetycznej na badania: Nie dotyczy.
2.  Zewnętrzne źródła finansowania: Brak.
3. Konflikt interesów: Brak.

PIŚMIENNICTWO