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


0
Написать комментарий



    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»