» » Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

a — опухоль молочной железы, испытывающая недостаток кислорода, выделяет в кровяное русло фермент лизилоксидазу (LOX). b — в костях LOX активирует остеокласты, из-за чего кости разрушаются. c — в местах разрушений создаются ниши, куда переселяются (диссеминируют) по кровеносным сосудам клетки первичной опухоли, формируя метастазы. Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature


В результате совместной работы датских и английских исследователей открыт новый механизм регуляции гомеостаза костной ткани с участием лизилоксидазы. На модельных мышах показано, что избыток лизилоксидазы, секретируемой раковыми клетками, приводит к образованию в костях локальных полостей. Эти полости служат «нишами» для поселения клеток первичной опухоли и формирования метастазов. Ученые описали ряд подходов, позволяющих подавить образование полостей. Полученные данные открывают многообещающие перспективы для диагностики и лечения рака.

При тяжелых формах рака молочной железы у ~85% пациентов в костях обнаруживаются метастазы, которые практически не поддаются лечению. Метастазы приводят к разрушению костей. Молекулярные механизмы, ответственные за эти процессы, до сих пор оставались неизвестными. Формирование метастазов представляет собой сложный процесс, включающий взаимодействия между клетками опухоли и тканями организма. Так, согласно современным представлениям, для образования метастаза должна быть создана «ниша» — соответствующее микроокружение, в котором могут поселиться и размножаться клетки, отпочковавшиеся от первичной опухоли. Важнейшую роль в этом играют ферменты, выделяемые клетками опухоли.

Авторы статьи провели ретроспективный анализ клинических данных по 344 пациентам, у которых при операции по удалению первичной раковой опухоли молочной железы не обнаруживалось в лимфатических узлах раковых клеток. Этот анализ показал выраженную ассоциацию последующего образования метастазов с ЭР-отрицательным подтипом рака (при котором на поверхности клеток отсутствует эстрогеновый рецептор, ЭР–). При этом метастазы гораздо чаще обнаруживались в костях, чем в легких, печени или мозге. Клетки ЭР-отрицательной раковой опухоли молочной железы существуют в условиях гипоксии — резкой недостаточности кислорода. Это приводит к значительной перестройке экспрессии ряда генов и изменению секретома (см. Secretome) — набора белков, выделяющихся из раковых клеток.

Анализ белков секретома культивируемых клонов клеток рака молочной железы человека MDA-MB-231 (см.: List of breast cancer cell lines) показал, что в условиях гипоксии особенно резко возрастает количество лизилоксидазы (Lysyl oxidase, LOX). Было также известно, что LOX участвует в формировании метастазов, хотя механизм этого участия оставался неизвестным. Поэтому LOX была выбрана как объект дальнейших исследований.

Эксперименты проводились на модельных мышах, которым прививали культивируемые in vitro клетки 4T1 (см.: B. A. Pulaski & S. Ostrand-Rosenberg, 2001. Mouse 4T1 breast tumor model), вызывающие спонтанно метастазирующие ЭР-отрицательные раковые опухоли (эти опухоли продуцируют большое количество LOX). У подопытных мышей наблюдалась общая дегенерация костей, а также локальные полости в костях (рис. 1, в центре). То же самое происходило, когда мышам вводили очищенную от клеток культуральную среду, в которой выращивались раковые клетки. Следовательно, поражение костей происходило в отсутствие раковых клеток, а его вызывали факторы, секретируемые клетками. Если мышам прививали клетки 4T1, в которых продукция LOX была подавлена с помощью малых шпилечных РНК (shRNA, или shРНК, или мшРНК), или если мышам вводили антитела к LOX, то рост первичных опухолей не нарушался, но формирование полостей в костях существенно подавлялось (рис. 1, справа). Более того, способностью стимулировать образование полостей обладал и очищенный генно-инженерный фермент rLOX (recombinant LOX).


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Рис. 1. Формирование остеолитических полостей в костях мыши зависит от лизилоксидазы (LOX). Слева — контроль; в центре — кость мыши через 3 недели после трансплантации раковых клеток 4Т1; справа — кость мыши через 3 недели после трансплантации клеток 4Т1, в которых продукция LOX подавлена мшРНК. Белые стрелочки указывают на образовавшиеся в костной ткани полости. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Гомеостаз костной ткани — поддержание состояния костей, их рост и развитие — обеспечивается главным образом балансом активности двух типов клеток с противоположными функциями: гигантские многоядерные остеокласты растворяют старую костную ткань, а остеобласты строят новую (см. также Bone remodeling). В культурах клеток — предшественников остеокластов фермент LOX эффективно стимулировал превращение их в активную зрелую форму. Главным регулятором формирования остеокластов является фактор транскрипции NFATc1, а добавление в культуру преостеокластов rLOX индуцирует накопление NFATc1 в ядрах клеток, что необходимо для осуществления его функции. Более того, побочным продуктом активности LOX является перекись водорода, которая участвует в дифференцировке остеокластов и способствует их «разрушительному» функционированию. Но этот эффект можно компенсировать добавлением в культуру преостеокластов каталазы, разлагающей перекись водорода.

Влияние LOX на «строителей костей» — остеобласты — оказалось противоположным. Добавление rLOX в культуры как мышиных, так и человеческих остеобластов замедляло их пролиферацию и ускоряло терминальную дифференцировку. Аналогично действовала и культуральная среда клеток, продуцирующих LOX. Ученым удалось выяснить, что все эти процессы, по крайней мере частично, блокировались антителами к LOX. Таким образом, был открыт и описан новый механизм формирования и активации остеокластов (рис. 2), независимый от ранее известного фактора дифференцировки остеокластов RANKL.


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Рис. 2. Схема нарушения гомеостаза костной ткани лизилоксидазой и последующее формирование метастазов. Слева — нормальный баланс действия остеокластов и остеобластов. Справа — нарушенный: избыток LOX, секретируемой опухолью, подавляет формирование остеобластов и стимулирует продукцию остеокластов; активные остеокласты вызывают в костях образование локальных полостей, которые колонизуются опухолевыми клетками. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


В соответствии с полученными данными о сдвиге под действием LOX гомеостаза костной ткани в сторону растворения костей остеокластами, прямое наблюдение показало резкое увеличение количества остеокластов на костях мышей с LOX-продуцирующими опухолями (рис. 3). При подавлении экспрессии LOX в опухоли с помощью мшРНК или под действием антител к LOX увеличение количества остеокластов, по крайней мере частично, предотвращалось.


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Рис. 3. Секретируемая опухолью LOX регулирует соотношение остеокластов и остеобластов. Это видно на фотографиях срезов костей. Слева — контроль; в центре — кость мыши через 3 недели после трансплантации раковых клеток 4Т1; справа — кость мыши через 3 недели после трансплантации 4Т1, в которых продукция LOX подавлена мшРНК. Остеобласты показаны стрелками, остеокласты — звездочками. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Функциональные последствия образования в костях полостей изучали на мышах. Чтобы образовались полости, им вводили бесклеточную культуральную среду, в которой выращивались LOX-продуцирующие раковые клетки 4Т1. Для контроля использовали культуральную среду, в которой LOX была нейтрализована антисывороткой, или в среду клеток, в которых LOX была подавлена мшРНК. Мышам в сердце вводили клетки линии 4Т1, продуцирующие флюоресцентный белок люциферазу. И анализ биолюминесценции, и компьютерная микротомография показали, что в случае культуральной среды с активной LOX опухолевые клетки накапливаются в костях значительно эффективнее, чем в контроле (рис. 4).


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Рис. 4. Полости в костях, бразовавшиеся в результате усиленной экспрессии LOX, колонизируются опухолевыми клетками. Мышам в сердце вводили меченные люциферазой раковые клетки 4Т1, чтобы потом можно было отслеживать распространение опухолей по их организму. Слева — мышь после сенсибилизации культуральной средой (СМ) LOX-продуцирующих раковых клеток 4Т1 и введения нормального иммуноглобулина; в центре — мышь после сенсибилизации культуральной средой 4Т1 и введения антител к LOX; справа — мышь после сенсибилизации культуральной средой 4Т1, в которых продукция LOX подавлена мшРНК, и введения нормального иммуноглобулина. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Введение мышам терапевтических доз бифосфоната золедроновой кислоты, применяющегося, например, для лечения остеопороза, эффективно блокирует процесс формирования в костях полостей под действием LOX из культуральной среды или продуцируемой растущей опухолью (рис. 5). Эти результаты открывают перспективы применения производных золедроновой кислоты в качестве терапии для предотвращения образования предметастатических полостей в костях.


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Рис. 5. Подавление формирования полостей бифосфонатом золедроновой кислоты. Слева — контроль; в центре — кость мыши после трансплантации раковых клеток 4Т1; справа — кость мыши после трансплантации 4Т1 и «лечения» бифосфонатом (ВР). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Бифосфонат золендроновой кислоты также подавляет колонизацию полостей опухолевыми клетками (через одну неделю после инъекции их в сердце) и формирование метастазов (через пять недель); рис. 6. На рост опухоли как таковой бифосфонат не влиял. С точки зрения клинических перспектив можно надеяться, что применение бифосфоната золендроновой кислоты после удаления у пациента опухоли предотвратит развитие метастазов в костях.


Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Рис. 6. Бифосфонат золендроновой кислоты, подавляя образование LOX-индуцированных полостей, предотвращает формирование метастазов. На фото — флюоресцирующие изображения мышей после введения им в сердце опухолевых клеток, меченных люциферазой. В левой половине рисунка — мыши после сенсибилизации культуральной средой (СМ) LOX-продуцирующих раковых клеток 4Т1 через одну неделю после введения в сердце 4Т1, меченных люциферазой. Контроль (слева) и мышь «пролеченная» бифосфонатом (ВР). В правой половине — то же через пять недель. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature


Таким образом, авторы впервые доказали, что LOX регулирует гомеостаз костной ткани, прямо воздействуя на остеокласты и остеобласты, и может быть полезным маркером для оценки риска развития метастазов в костях. Открытие нового механизма образования костных полостей, возникающих до и независимо от раковых клеток, и служащих «нишами» для последующего формирования метастазов, открывает новые возможности для противораковой терапии.

Пока авторы ограничились изучением роли LOX лишь при одном типе рака. В то же время остается непонятным (судя по всему и для авторов), почему описанные ими процессы связаны именно с ЭР-отрицательной формой рака молочной железы. Дальнейшие исследования могут дать ответ на этот вопрос и показать, имеют ли место описанные механизмы при других типах и формах рака.

Источники:
1) Thomas R. Cox et al. The hypoxic cancer secretome induces pre-metastatic bone lesions through lysyl oxidase // Nature. 2015. V. 522. P. 106–110.
2) Neta Erez. Cancer: Opening LOX to metastasis // Nature. 2015. V. 522. P. 41–42. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье.)

Вячеслав Калинин


28 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Митохондрии — потенциальная мишень для противораковой терапии

При многих устойчивых к терапии раках в опухолевых клетках наблюдается резкая активация дыхательной функции митохондрий. Ряд исследований, проведенных в последнее время, показал, что применение

Побочное следствие от потери гена ТР53 при раке подсказало новую стратегию его лечения

При раках многих форм на одной из двух хромосом часто теряется ген супрессора опухолей ТР53. Вместе с ТР53 обычно выпадают и соседние гены, в том числе ген главной субъединицы РНК-полимеразы II

Ученые проследили эволюцию клеток летального метастатического рака простаты

В раковой опухоли постоянно происходит эволюция, приводящая к возникновению в первичной опухоли различных клонов клеток — в том числе и способных образовывать метастазы в других органах и тканях. В

«Молекулярный штрих-код» помог прояснить механизм метастазирования

На модели рака молочной железы мышей американские и английские ученые применили систему «молекулярных штрих-кодов», позволившую проследить судьбу различных клонов первичной гетерогенной раковой

Специально отобранные из опухоли лимфоциты справились с тяжелой формой рака молочной железы

Терапия с помощью размноженных иммунных клеток пациента, отреагировавших на антигены раковой опухоли (неоантигены), уже применяется вполне успешно. Однако если в генах опухоли мутаций мало, то мало

Пластичность раковых клеток использовали против них, превратив их в жировые

Раковые клетки обладают пластичностью — способностью реагировать на сигналы своего окружения и трансформироваться в неспециализированное состояние, в котором они разносятся по организму, давая
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна Юпитера