Общественный портал

Большая группа европейских исследователей открыла важную особенность строения некоторых глиом (неизлечимых раковых опухолей мозга). Опухолевые клетки глиом оказались соединены в единый «орган» длинными микротрубками, облегчающими их проникновение в окружающие ткани и повышающими устойчивость опухоли к радиотерапии. Ученые изучили механизмы формирования опухолевых микротрубок, их свойства и функции, а также их связь с устойчивостью опухолей к терапии и определили потенциальные мишени для терапии, воздействие на которые может стать эффективным подходом для лечения таких глиом.

Астроцитомы и их самая агрессивная форма глиобластомы (или глиомы, рис. 1) относятся к наиболее фатальным раковым опухолям. Они возникают из стволовых клеток глиальной ткани, в норме поддерживающей архитектуру мозга и защищающей нейроны мозга от повреждений. Глиомам свойственно диффузное прорастание в окружающие ткани, которое приводит к повреждению нервных клеток и смерти от нарушения функций центральной нервной системы. Морфологические особенности этих опухолей делают неэффективными хирургическое вмешательство и радиотерапию. Глиомы практически всегда летальны (только в США от них ежегодно умирают порядка 14 000 человек).

Рис. 1. Глиома левой теменной доли (компьютерная томограмма с контрастным усилением). Изображение с сайта ru.wikipedia.org

В то же время известна довольно редко встречающаяся форма глиомы — олигодендроглиома, которая сравнительно хорошо лечится как радио-, так и химиотерапией. Отличительная особенность олигодендроглиомы — наличие сочетанных делеций участков хромосом 1p/19q. Какие механизмы связаны с этой особенностью, пока достоверно не известно.

Выяснению причин различной чувствительности к терапии этих форм глиомы посвятила свою работу большая группа исследователей из институтов и клиник Германии в сотрудничестве с коллегами из Австрии, Норвегии и Канады. Ведущая роль в исследовании принадлежала Германскому центру исследования рака (Deutsche Krebsforschungszentrum). Эта работа выполнена в лучших традициях европейских научных школ и по-настоящему красива и элегантна.

Клетки, полученные из различных глиобластом человека, метили флюоресцирующими белками и пересаживали в мозг мышей. С помощью лазерного сканирующего микроскопа ученые наблюдали за развитием и морфологией опухолей in vivo, через специальные окна, сделанные в голове животных. По мере роста опухоли (рис. 2) сначала наблюдались короткие выпячивания из ее клеток, проникающие в нормальную ткань, затем возникали длинные волокна, соединяющие отдельные клетки опухоли.

Рис. 2. Лазерная сканирующая микроскопия in vivo. Рост в течение 60 дней (D20, D40, D60) клеток глиобластомы, пересаженных в мозг мыши. Стрелками показаны выпячивания опухолевых клеток, внедряющиеся в нормальную ткань, наконечниками стрелок — длинные соединения опухолевых клеток. Красным окрашены кровеносные сосуды. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Детальная лазерная и электронная микроскопия этих волокон показала, что они представляют собой микротрубки сечением в среднем 1,6 мкм2 и длиной 500 мкм и более. По белковому составу, размерам и продолжительности существования они существенно отличались от ранее известных межклеточных соединений — туннельных нанотрубок, мембранных нанотрубок (см. Membrane nanotube) или цитонем (см. Cytoneme). Поэтому авторы заключили, что это новые структуры для межклеточной коммуникации и распространения опухоли, и назвали их «опухолевыми микротрубками» (tumor microtubes, TM). По опухолевым микротрубкам могли мигрировать от клетки к клетке различные клеточные структуры, даже такие крупные, как ядро.

Подобные микротрубки были найдены и в опухолях от больных. Их наличие и длина коррелировали со степенью злокачественности опухоли и прогнозом заболевания. Так, опухолевые микротрубки длиной более 50 мкм были найдены только в 19% опухолей олигодендроглиомы II степени злокачественности , но в 93% опухолей глиобластомы IV степени.

Изучение физиологических характеристик опухолевых микротрубок показало, что через них проходят так называемые межклеточные «кальциевые волны» (обмен ионов Са2+). В уже упомянутых мембранных нанотрубках и в каналах между соприкасающимися клетками прохождение Са2+ регулируется специальными структурами — щелевыми контактами (Gap junctions), через которые клетки обмениваются различными молекулами и электрическими импульсами. Эти щелевые контакты открываются и закрываются комплексами, построенными из специальных белков — коннексинов (Connexin; рис. 3).

Рис. 3. Строение щелевого контакта между соседними клетками. Рисунок c сайта ru.wikipedia.org

У человека известен 21 коннексин. Авторы предположили, что «ворота» опухолевых микротрубок также образуются коннексинами, и выяснили, какими именно. Они допустили, что лишенные опухолевых микротрубок олигодендроглиомы могут продуцировать коннексины значительно слабее, чем астроцитомы, богатые такими микротрубками. Анализ баз данных по 250 глиомам применительно к коннексинам показал, что в астроцитомах резко усилена была экспрессия только коннексина 43 (Gap junction alpha-1 protein, GJA1), или connexin 43, Cx43). Это различие было прямо подтверждено на опухолях больных с помощью иммуногистохимического анализа. Кроме того, Cx43 обнаруживался и на перекрестках опухолевых микротрубок. Прослеживание «кальциевых волн» показало, что ионы Са2+ могут перетекать из одной опухолевой микротрубки в другую.

Чтобы понять роль опухолевых микротрубок в развитии резистентности опухолей к лучевой терапии, ядра ее отдельных клеток выбивали лучом лазера. Если клетка изначально была частью сообщества, объединенного опухолевыми микротрубками, к ней присоединялись новые микротрубки, которые в течение нескольких дней доставляли ей новое ядро. Если же пораженная клетка не была связана с другими сетью опухолевых микротрубок, то восстановление ядра происходило крайне редко. После облучения лазером участка из нескольких клеток к области поражения протягивалось много опухолевых микротрубок, после чего плотность опухолевых клеток в этом месте заметно возрастала.

К цитотоксическому действию рентгеновского облучения (обычной терапии опухолей) клетки, соединенные опухолевыми микротрубками, тоже оказались более устойчивыми, чем несоединенные. Подавление экспрессии Cx43 в клетках сети опухолевых микротрубок делало их более чувствительными к рентгеновскому излучению; на чувствительность же клеток без микротрубок оно не влияло. Чтобы изучить потенциальные механизмы устойчивости, связанной с опухолевыми микротрубками, ученые определяли внутриклеточный уровень кальция до и после облучения. Исходный уровень кальция был гомогенным во всех клетках и оставался таковым в клетках, связанных сетью микротрубок. А в клетках без опухолевых микротрубок он становился очень различным.

Рис. 4. Возрастание чувствительности опухолей к радиотерапии в результате подавления GAP-43 в пересаженных клетках с помощью малых шпилечных РНК (shRNA). Показано отношение объема опухоли к объему мозга мыши через 60 дней после облучения (115 дней после трансплантации). Из обсуждаемой статьи в Nature

Наконец, авторам удалось найти и охарактеризовать факторы формирования опухолевых микротрубок, определить их роль в прогрессии опухоли и связь микротрубок с устойчивостью опухоли к терапии. Поиск молекулярных различий между глиомами с наличием или отсутствием делеций 1p/19q в литературе и в базах данных позволил предположить, что таким фактором может быть белок GAP-43 (Growth Associated Protein — «белок, связанный с ростом»). Известно, что этот белок присутствует на концах растущих аксонов нервных клеток. В экспериментах было показано, что GAP-43 также присутствует на концах развивающихся опухолевых микротрубок. Искусственное подавление экспрессии GAP-43 не влияло на жизнеспособность клеток in vitro. Однако in vivo при этом наблюдались нарушение формирования и структуры опухолевых микротрубок, замедление деления клеток и инфильтрации их в здоровые ткани, общее замедление роста опухоли. Поэтому и мыши выживали дольше. На молекулярном уровне наблюдалось подавление экспрессии Cx43. Резко возрастала чувствительность опухолей к радиотерапии (рис. 4). Если же в клетки слабо агрессивных опухолей с делециями 1p/19q искусственно вводили активный ген GAP-43, они приобретали свойства агрессивных астроцитом: начинали образовывать сеть опухолевых микротрубок, а при трансплантации в мозг мышей проявляли высокую способность к инвазивному росту и устойчивость к радиотерапии.

Функционирование сети опухолевых микротрубок представляет собой важный механизм, обеспечивающий опухолям рост и устойчивость к терапии. Этот механизм зависит от молекулярных путей, связанных с функционированием генов, локализованных на участках хромосом 1p и 19q. Работа сети опухолевых микротрубок регулируется коннексинами Cx43. Механизм устойчивости опухолей может заключаться в способности перераспределять ионы Са2+ и нивелировать до приемлемой концентрации их летальный для клеток локальный избыток, возникающий при радиотерапии. Функцию защиты опухоли могут выполнять и другие соединения, способные циркулировать по опухолевым микротрубкам, например антиоксидант глютатион. Опухолевые клетки приспосабливают GAP-43, который в норме обеспечивает рост аксонов (отростков нервных клеток), для своих потребностей, используя его как фактор формирования опухолевых микротрубок.

Полученные результаты не только вносят существенный вклад в понимание природы и функционирования злокачественных опухолей, но и могут иметь практическое применение для терапии глиобластом. Новой мишенью терапии может быть Cx43. Препараты, блокирующие Cx43, сейчас применяются для лечения хронических язв кожи, и совсем недавно показано, что подавление Cx43 может усиливать чувствительность глиобластом к химиотерапии (S. Murphy et al., 2016. Connexin 43 Inhibition Sensitizes Chemoresistant Glioblastoma Cells to Temozolomide). Но здесь могут иметь место побочные эффекты, так как функция Cx43 необходима, например, для синхронизации сокращений клеток сердца. Более перспективной мишенью представляется GAP-43, хотя побочные эффекты не исключены и в этом случае.

Источники:
1) Matthias Osswald et al. Brain tumour cells interconnect to a functional and resistant network // Nature. 2015. V. 528. P. 93–98.
2) Harald Sontheimer. Brain cancer: Tumour cells on neighbourhood watch // Nature. 2015. V. 528. P. 49–50. (Синопсис к обсуждаемой статье M. Osswald et al., 2015.)
3) Susan F. Murphy, Robin T. Varghese, Samy Lamouille, Sujuan Guo, Kevin J. Pridham, Pratik Kanabur, Alyssa M. Osimani, Shaan Sharma, Jane Jourdan, Cara M. Rodgers, Gary R. Simonds, Robert G. Gourdie and Zhi Sheng. Connexin 43 Inhibition Sensitizes Chemoresistant Glioblastoma Cells to Temozolomide // Cancer Research. 2016. V. 76. P. 139–149.

Вячеслав Калинин