Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Максим Кронгауз
«Самоучитель олбанского». Глава из книги


Ли Биллингс
«5 000 000 000 лет одиночества». Глава из книги


А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


А. Захаров
Нейрогастрономия


А. Водовозов
С запахом горького миндаля


В. Власюк
50 лет САО


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов


Создание в костях ниш 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).

Рис. 1. Формирование остеолитических полостей в костях мыши зависит от лизилоксидазы

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.

Рис. 2. Схема нарушения гомеостаза костной ткани лизилоксидазой и последующее формирование 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.

Рис. 3. Секретируемая опухолью LOX модулирует соотношение остеокластов и остеобластов

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).

Рис. 4. Образовавшиеся в результате усиленной экспрессии LOX полости в костях колонизируются опухолевыми клетками

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.

Рис. 5. Подавление формирования полостей бифосфонатом золедроновой кислоты

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.

Рис. 6. Бифосфонат золендроновой кислоты, подавляя образование LOX-индуцированных полостей, предотвращает формирование 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


Комментировать



Последние новости: ОнкологияМолекулярная биологияМедицинаВячеслав Калинин

10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки
12.04
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
7.04
Клетки глиобластомы соединены сетью микротрубок, обеспечивающих рост опухоли и ее устойчивость к терапии
1.04
Ботаники вырастили опаловые цветы
21.03
Оптогенетика помогла улучшить память мышам с болезнью Альцгеймера
19.02
Протеинкиназа М-дзета «закрыта»?
16.02
Биспецифические антитела могут уничтожать скрытые резервуары ВИЧ-инфекции
5.02
Удаление стареющих клеток продлевает мышам жизнь
12.01
Локализацию метастазов определяют интегрины опухолевых экзосом

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия