Нейроны «подкармливают» рак, снабжая клетки опухоли митохондриями

Рис. 1. Нейрональные стволовые клетки из поджелудочковой зоны (SVZ-NSC, помечены зеленым флуоресцентным белком GFP), смешанные с клетками рака молочной железы 4T1 (помечены красным флуоресцентным белком mCherry). Белые стрелки указывают на места формирования контактов между нейронами и раковыми клетками. Длина масштабного отрезка — 50 мкм. Изображение получено при помощи конфокального микроскопа. Рисунок из обсуждаемой статьи

Кажется логичным, что если злокачественная опухоль не располагается в нервной ткани, то нейроны и опухолевые клетки должны быть далеки друг от друга и вряд ли могут взаимодействовать. Некоторое время назад стало известно, что опухоли могут стимулировать прорастание нейронами. А в недавнем исследовании ученые обнаружили, что между нейронами и опухолевыми клетками вполне возможно прямое взаимодействие. При совместном культивировании с клетками опухоли нейроны перестраивают свой метаболизм, наращивают митохондриальную массу, а затем передают ее опухолевым клеткам. Авторы разработали метку, которая необратимо маркирует раковые клетки и их потомство, чтобы точно отследить судьбу получателей митохондрий, и показали, что у таких раковых клеток повышается способность к метастазированию.

Интересующимся онкологией читателям наверняка знаком термин эффект Варбурга. Этот феномен заключается в том, что большинство раковых клеток склонны производить энергию с помощью активного гликолиза с последующим образованием молочной кислоты, а не с помощью медленного гликолиза с образованием пирувата (как в здоровых клетках). Однако метаболическая пластичность раковых клеток этим не ограничивается.

Опухолевые клетки также могут следовать гибридной метаболической стратегии — переключаться между гликолизом и окислительным фосфорилированием. Выбор, откуда черпать энергию, клетки делают на основе уровня питательных веществ, кислорода и стресса. Такая стратегия дает им устойчивость к терапии и позволяет эффективно метастазировать.

Некоторое время назад выяснилось, что опухоли не только прорастают кровеносными сосудами (см. Кровеносные сосуды и рак), но также стимулируют и рост нервных волокон. Всё вместе это составляет взаимозависимую экосистему: нервные клетки выделяют факторы роста сосудов, по которым к раковым клеткам поступают питательные вещества и кислород, а также факторы для метастазирования и успешного деления клеток (см. Потеря опухолью белка p53 способствует росту в ней нервных волокон, «Элементы», 01.07.2020).

Меж тем, тонкости взаимоотношения опухолей и нервных клеток оставались неизвестными. Исследователи подозревали, что они могут обмениваться митохондриями и питательными веществами, но прямых доказательств этому не было. Ранее ученые описывали лишь внутренние перестройки (регуляцию ферментов, экспрессию генов) опухолевых клеток в рамках метаболической пластичности и взаимодействия с нервными клетками, однако об обмене органеллами не шло даже и речи.

Авторы недавнего исследования, опубликованного в журнале Nature, предположили, что нейроны могут не только влиять на внутренние перестройки опухолевых клеток, но и передавать в них свои собственные митохондрии, тем самым усиливая их метаболизм и способствуя метастазированию. Авторы поставили себе целью отследить такой перенос, понять, на что и как он влияет, и поразмышлять на тему того, что можно сделать для остановки этого процесса и снизить жизнеспособность опухоли.

Для проведения эксперимента авторы использовали протокол BoNT/A-денервации на модели тройного негативного рака молочной железы (4T1) и на ксенотрансплантате протоковой карциномы in situ человека. Суть метода заключается в том, что модельному животному внутритканево в область опухоли вводят ботулинический нейротоксин типа A, в результате чего повреждаются и разрушаются только нервы, при сохранных сосудах и иммунных клетках. Благодаря этому можно отследить влияние именно нервных клеток на поведение опухоли.

Транскриптомный анализ в контрольных и в денервированных образцах показал, что у них сильно разнятся профили экспрессии генов — база данных проекта Gene Ontology помогла выявить, что после денервации подавляются гены, связанные с метаболизмом, — причем, в основном в путях, связанных с энергетическим обменом. В свою очередь, по анализу обогащения наборов генов (GSEA) для модели протоковой карциномы наиболее сильно сниженной оказалась активность цикла трикарбоновых кислот. Гистология же наглядно показала, что у денервированных животных метастазы развиваются всего в 12% случаев против 55% у контрольных.

Чтобы подробнее разобраться в том, как нервы влияют на метаболизм раковых клеток при прогрессировании рака молочной железы, авторы создали in vitro-модель совместной культуры нервных и раковых клеток. Они смешали агрессивные клетки рака молочной железы мыши с нейрональными стволовыми клетками, выделенными из поджелудочковой зоны мозга мыши — региона, из которого, как известно, происходят клетки, участвующие в иннервации опухолей (рис. 1).

Исследователи сравнили, как меняется метаболизм раковых клеток при культивации вместе с нейрональными клетками, и выяснили, что у них, в отличие от контрольных образцов, значительно усилено митохондриальное дыхание. Но на этом всё не закончилось! Оказалось, что нервные клетки тоже претерпевают метаболические изменения при совместной культивации с опухолевыми: в них значительно росла митохондриальная масса и содержание митохондриальной ДНК. Клетки переходят на окислительный тип метаболизма с гликолитического, что характерно для более зрелых и энергетически активных нейронов.

Дальше надо было проверить главную гипотезу — действительно ли между нервными и опухолевыми клетками происходит обмен митохондриями. Для этого исследователи пометили разными цветами опухолевые клетки (розовым) и митохондрии нервных клеток (зеленым) и посмотрели, что происходит во время их культивации на проточном цитометре и конфокальном микроскопе.

Передача подтвердилась! В популяции клеток рака появлялась небольшая доля (около 1%) двойных флуоресцентных клеток (розовых с зеленым), что указывало на получение ими нейронных митохондрий через прямой контакт. После нормализации на число донорских нейронов оказалось, что примерно треть нейронов передает опухоли свои митохондрии (рис. 2). Больше того, переданные митохондрии оказались функциональны!

Рис. 2. 3D-реконструкция показывает передачу митохондрий через туннельные нанотрубки между клетками, полученными из периферической нервной системы, и клетками рака молочной железы. Красная стрелка указывает на структуру туннельной нанотрубки, а белые стрелки — на переданные митохондрии. Длина масштабного отрезка — 20 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи

Чтобы убедиться в этом, авторы изучили специальные клетки рака без собственной митохондриальной ДНК, которые не способны к окислительному фосфорилированию и не растут без добавления уридина. Эти клетки совместно культивировали с нормальными нейрональными стволовыми клетками. В результате в них постепенно появлялась митохондриальная ДНК, а сама форма митохондрий менялась — от округлых и фрагментированных к нормальным вытянутым структурам. Более того, после пребывания в такой ко-культуре, раковые клетки восстанавливали способность расти без уридина, что доказывало функциональную активность переданных митохондрий.

Подтвердили исследователи и in vivo передачу, используя для этого ксенотрансплантацию опухоли молочной железы человека в мышь BALB/с. Они подсветили митохондрии нейронов зеленым флуоресцентным белком и ввели в ту же область клетки опухоли, светящиеся красным. Через несколько дней под микроскопом появились двойные — желтовато-зеленоватые клетки, свидетельство того, что опухоль действительно «забирает» митохондрии у нервных клеток.

После того, как передача митохондрий от нервных клеток к раковым была доказана, ученые решили изучить последствия этого процесса для опухолевых клеток. Существующая модель «опухоль + нервные клетки» была слишком несовершенна для этого, поэтому исследователи создали новую генетическую систему, которую назвали Mitotracer, которая позволила перманентно помечать раковые клетки, получившие митохондрии от нейронов.

Работает эта система как светофор. Нейрон-донор снабжен ферментом, который активируется только после того, как митохондрия попадет в раковую клетку. Там он включает генетический переключатель, и клетка-получатель навсегда меняет цвет с красного на зеленый — указывая на то, что она получила митохондрию.

На фото с микроскопа видно, как по тонким туннельным нанотрубкам зеленый свет буквально «переползает» от нерва к опухоли. Система оказалась универсальной: так можно отслеживать живую передачу энергии между клетками в реальном времени (рис. 3).

Рис. 3. Конфокальная микроскопия совместной культуры нейронов SVZ и клеток 4T1 подтвердила переключение сигнала с красного на зеленый, что свидетельствует о передаче митохондрий. WT — дикий тип. Длина масштабного отрезка — 50 мкм. Изображение из обсуждаемой статьи

Mitotracer был спроектирован не только для того, чтобы подтвердить передачу митохондрий от нервов к опухоли, он также позволил отследить судьбу раковых клеток: и тех, у кого оказались переданные митохондрии, и тех, у кого их не было. Ученые исследовали метаболическую и дыхательную активность клеток, а также устойчивость к стрессам. Оказалось, что раковые клетки с чужеродными митохондриями легче переносят окислительный и механический стресс — типичные барьеры, через которые проходят клетки в процессе метастазирования.

В тестах in vitro клетки с митохондриями от нервов не стали более инвазивными, однако в in vivo ксенотрансплантатах они образовывали значительно больше метастазов. Анализ тканей пациентов с раком молочной железы также показал: метастатические клетки содержат больше митохондрий, чем клетки первичной опухоли.

Наконец, в доказательство высокого метастатического потенциала клеток с митохондриями и из нервной ткани послужил следующий эксперимент. Ученые пересадили в молочную железу мышей сфероиды, полученные из Mitotracer-культур, и позже проанализировали опухоли и метастазы в легких и мозге. В первичной опухоли клетки с митохондриями составляли около 5%, но в метастазах — уже 27% в легких и 46% в мозге. То есть именно те клетки, что получили митохондрии от нейронов, гораздо чаще выживали и закреплялись в отдаленных органах.

Обсуждаемая работа поражает своей изящностью. Но то, что они открыли, — не просто красивая история о взаимодействии клеток. До этого ученые уже знали, что более иннервируемые опухоли лучше метастазируют (S. Galappaththi et al., 2023. A CRISPR/Cas9-Based Assay for High-Throughput Studies of Cancer-Induced Innervation). На раке простаты, молочной железы и желудка было показано, что опухолевые клетки привлекают нейроны с помощью семафорина 4F, за счет чего опухоль становится более агрессивной (см. Y. Ding et al., 2013. Semaphorin 4F as a critical regulator of neuroepithelial interactions and a biomarker of aggressive prostate cancer; S. Grelet et al., 2021. TGFβ-induced expression of long noncoding lincRNA Platr18 controls breast cancer axonogenesis; H. Wang et al., 2023. Semaphorin4F is a potential biomarker for clinical progression and prognosis in gastric cancer). Но точные механизмы этих процессов до настоящей работы оставались тайной.

Теперь же ученые смогли выяснить, что рак не только индуцирует дифференцировку нейрональных клеток, но и вызывает у них метаболическую перестройку, после чего нейроны становятся источником митохондрий, которые передаются опухолевым клеткам, усиливая их энергетический потенциал и «стволоподобность».

Возможно, именно это знание поможет разработать новую терапевтическую мишень для борьбы с метастазированием рака — блокировку передачи митохондрий от нервных клеток к опухолевым. Но вопросов все же остается пока что больше, чем ответов. К примеру, еще только предстоит узнать, как именно митохондрии «интегрируются» в чужую клетку — с помощью каких белков и молекулярных путей? Можно ли блокировать эту передачу без ущерба для нервов вне опухоли? Какова относительная доля такого механизма в метастазировании по сравнению с классическими путями? Все это еще только предстоит выяснить.

Источник: Gregory Hoover, Shila Gilbert, Olivia Curley, Clémence Obellianne, Mike T. Lin, William Hixson, Terry W. Pierce, Joel F. Andrews, Mikhail F. Alexeyev, Yi Ding, Ping Bu, Fariba Behbod, Daniel Medina, Jeffrey T. Chang, Gustavo Ayala & Simon Grelet. Nerve-to-cancer transfer of mitochondria during cancer metastasis // Nature. 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09176-8.

Светлана Бозрова