ЭКЗОСОМЫ ОПУХОЛЕЙ, СТРАДАЮЩИХ ОТ ГИПОКСИИ, СТИМУЛИРУЮТ РОСТ СОСУДОВ И МИГРАЦИЮ КЛЕТОК

Неограниченное деление опухолевых клеток приводит к образованию клеточных скоплений, находящихся далеко от кровеносных сосудов и потому недостаточно снабжаемых кислородом. В норме гипоксия — это один из факторов, вызывающих апоптоз — самоубийство клетки. Однако в случае опухоли эти условия могут привести к отбору более жизнеспособных клеток — например, клеток, имеющих мутации в генах, связанных с апоптозом. Такие клетки уже не реагируют на сигналы, которые должны запускать самоубийство вредных для организма клеток, в результате чего в них могут накапливаться и другие вредные мутации, и можно ожидать более агрессивного поведения такой раковой опухоли (более интенсивного деления клеток, способности образовывать метастазы и т. п.). Например, было показано, что недостаток кислорода в опухолевых клетках изменяет работу генов, отвечающих за клеточную адгезию (прикрепление клеток друг к другу). В результате опухолевые клетки могут отделяться от клеток-соседей, что способствует образованию метастаз.

Разумно было бы предположить, что состав выделяемых опухолевой клеткой экзосом меняется в зависимости от условий, в которых находится опухоль, например от наличия гипоксии. Группа исследователей из Сингапура ещё в 2010 году опубликовала статью, подтверждающую это предположение (см.: Park et al., 2010. Hypoxic Tumor Cell Modulates Its Microenvironment to Enhance Angiogenic and Metastatic Potential by Secretion of Proteins and Exosomes). Оказалось, что клетки карциномы (опухоли, развивающейся на основе клеток кожи, слизистых оболочек и других эпителиальных тканей), выращенные в условиях гипоксии, выделяют во внешнюю среду целый набор молекул, не выделяемых в нормальных условиях, — в том числе ряд белков, включенных в состав экзосом. При этом состояние гипоксии приводило к уменьшению клеточной адгезии, что могло способствовать отделению клеток карциномы и метастазированию опухоли. Кроме того, опухолевые клетки стимулировали рост сосудов. Однако в этом исследовании состав самих экзосом не анализировали — то есть оставалось неясным, велика ли роль экзосом в наблюдаемых эффектах по сравнению с белками, выделяемыми клетками опухоли напрямую, без мембранных пузырьков.

Более поздние данные исследователей из Австралии подтвердили, что выделение экзосом опухолевыми клетками усиливается в условиях гипоксии — когда содержание кислорода в клетке снижено до 0,1–1% при норме 21% (см. King et al., 2012. Hypoxic enhancement of exosome release by breast cancer cells). На этот раз в качестве модели использовали клетки рака груди. В этой же работе был открыт и механизм, по которому опухолевые клетки реагируют на недостаток кислорода — конкретные белки-сенсоры, которые «меряют» уровень кислорода в окружающей опухоль среде и стимулируют те процессы, которые запускаются в опухоли при гипоксии, в том числе выделение экзосом.

В недавно опубликованном исследовании в журнале PNAS (см.: Kucharzewska et al., 2013. Exosomes reflect the hypoxic status of glioma cells and mediate hypoxia-dependent activation of vascular cells during tumor development) группа шведских исследователей детально изучила молекулярный состав экзосом, выделяемых клетками глиобластомы — достаточно распространенной и очень опасной формы опухоли мозга. Одной из целей было изучить, связан ли состав экзосом с состоянием продуцируемых их клеток, в том числе с уровнем гипоксии. Для этого необходимо было узнать, различается ли содержимое экзосом, выделяемых опухолевыми клетками, страдавшими от недостатка кислорода, и клетками, жившими в более комфортных условиях. (Надо отметить, что и здоровые глиальные клетки, на основе которых возникает глиобластома, также могут выделять экзосомы, что необходимо для межклеточной коммуникации этих клеток с нейронами в мозгу. Так что в данном случае предполагалось, что клетки опухоли используют этот нормальный физиологический механизм для перестройки собственного микроокружения в условиях гипоксии.)

Для экспериментов использовались экзосомы, выделенные из плазмы крови пациентов с глиобластомой или продуцированные несколькими культивируемыми клеточными линиями той же опухоли. Культивируемые клетки можно было выращивать в различных условиях, добиваясь различного уровня снабжения кислородом, и, таким образом, выделять экзосомы как из клеток, страдавших от гипоксии, так и из клеток, нормально снабжавшихся кислородом.

Выяснилось, что экзосомы из клеток, страдавших от недостатка кислорода, содержали белки, имеющие большое значение для развитие глиобластомы, а также связанные с состоянием гипоксии. Например, в таких экзосомах содержался фактор роста эндотелия сосудов (VEGF). Кроме того, экзосомы содержали большое количество разнообразных мРНК — из приблизительно 15 000 типов молекул РНК, представленных в клетках глиобластомы, в экзосомах встречалось 6500. В экзосомах также было обнаружено 20 типов молекул РНК, не встречающихся в детектируемых количествах в клетках глиобластомы. Большая часть молекул РНК встречалась в экзосомах независимо от уровня гипоксии. Среди РНК, отличавшихся у экзосом из гипоксийных и негипоксийных клеток, было 8 РНК различных генов, связанных с развитием опухоли. Выяснилось, что большое количество РНК в клетках глиобластомы, связанное с высоким уровнем недостатка кислорода, коррелирует с более агрессивной формой опухоли.

Ситуация с белками оказалось похожей: значительное количество белков опухоли было представлено в экзосомах, и белковый состав экзосом отражал состояние продуцировавших экзосомы клеток; то есть среди этих белков некоторые оказались характерными для состояния гипоксии. Таким образом, выяснилось, что молекулярный состав экзосом отражает степень гипоксии опухоли и позволяет делать предсказания об ее агрессивности.

В следующем эксперименте исследователи показали, что экзосомы из культуры клеток глиобластомы, страдавшей от гипоксии, сильнее стимулируют рост микрососудов, чем экзосомами из клеток, нормально снабжавшихся кислородом. Моделью для этого опыта служили фрагменты сосудов мыши.

Также было показано, что экзосомы из гипоксийных клеток стимулируют более активную миграцию клеток глиобластомы через гель, имитирующий по плотности межклеточное вещество, нежели экзосомы из клеток, не страдавших от нехватки кислорода. Из этого можно заключить, что при нехватке кислорода клетки опухоли с помощью экзосом посылают друг другу сигналы, стимулирующие метастазирование.

После обработки клеток эндотелия (клеток стенок сосудов) гипоксийными экзосомами опухоли клетки начинали выделять сигнальные молекулы (факторы роста и цитокины), привлекающие перициты — клетки, регулирующие образование стенок сосудов. Интересно, что добавление экзосом к самим перицитам не оказывает никакого эффекта на их миграционную активность: воздействие клеток глиобластомы на перициты возможно только через посредничество клеток эндотелия.

Для исследования влияния экзосом на рост опухоли в живом организме мышам вводили человеческие опухолевые клетки с добавлением экзосом из гипоксийных клеток или из клеток, нормально снабжавшихся кислородом. Cпустя 35 дней оценивался роста опухоли в организме мыши. Опухоли, которые вводились с добавлением экзосом из гипоксийных тканей, были почти в три раза больше по объему, чем контрольные опухоли, которые вводились без добавления экзосом. К тому же, такие опухоли содержали значительно больше сосудов, чем контрольные опухоли, и перицитов в образцах обнаруживалось в четыре раз больше, чем в контроле и чем в опухолях, к которым добавляли экзосомы из клеток, нормально снабжавшихся кислородом.

Таким образом, было продемонстрировано, что экзосомы из гипоксийных тканей способствуют размножению опухолевых клеток, а также помогают снабдить опухоль большим количеством кровеносных сосудов. Интересно, что экзосомы, выделенные клетками глиобластомы, не страдавшими от недостатка кислорода, давали те же эффекты, но значительно менее выраженные.

Таким образом, было показано, что экзосомы, продуцируемые опухолевыми клетками, представляют собой важный инструмент для изменения условий, в которых существует опухоль, а также для коммуникации опухолевых клеток между собой. Авторы статьи добавляют, что блокирование передачи сигналов через экзосомы может стать перспективным направлением для разработки новых лекарственных препаратов.

Источник: Paulina Kucharzewska, Helena C. Christianson, Johanna E. Welch, Katrin J. Svensson, Erik Fredlund, Markus Ringnéra, Matthias Mörgelin, Erika Bourseau-Guilmain, Johan Bengzone, Mattias Belting. Exosomes reflect the hypoxic status of glioma cells and mediate hypoxia-dependent activation of vascular cells during tumor development // PNAS. 2013. V. 110 P. 7312–7317.
----------------------------------

Механизм образования экзосом. Клетка показана серым, внеклеточная среда — белым. Внешняя мембрана клетки (1) может образовывать углубления (2), в результате чего внутрь клетки могут отпочковываться мембранные пузырьки (3, показаны зеленым). В мембраны таких пузырьков могут быть встроены молекулы, находившиеся во внешней мембране клетки (показаны черными прямоугольниками). Внутри клетки пузырьки могут сливаться c эндосомами — более крупными мембранными пузырьками, показанными розовым (4). Потом от мембраны эндосомы внутрь нее отпочковываются будущие экзосомы, которые могут содержать в мембранах молекулы, принесенные из внешней мембраны, а внутрь себя могут забрать белки и РНК из цитоплазмы клетки (5). Затем эндосома (6) сливается со внешней мембраной клетки и выпускает наружу экзосомы (7). Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Подпишитесь на НОВОСТИ и получайте эксклюзивную информацию о самых последних исследованиях по противостоянию раку. Информация доступна только подписчикам.