Прогениторные клетки костного мозга участвуют в метастазировании злокачественных опухолей Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

I I I I I I

Ш

Новости клеточных технологий

Прогениторные клетки костного мозга участвуют в метастазировании злокачественных опухолей

В последнее время было показано, что «взрослые» стволовые и злокачественные клетки характеризуются рядом общих признаков. Исследователи указывают на экспрессию некоторых общих маркёров, в частности, Oct-4 и CD133 [1, 2] и миграцию по одной и той же оси SDF-1 - CXCR4 [3]. Клетки костного мозга могут участвовать в формировании опухолей [4, 5], усиливая в них ангиогенез [6, 7] и, возможно, способствуя миграции и адгезии злокачественных клеток [6, 8]. Однако, механизмы взаимодействия опухоли и клеток костного мозга при развитии первичного или метастатического рака, остаются не изученными.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, описывается участие гемопоэтических прогениторных клеток костного мозга в образовании метастатической ниши и прогрессии опухоли. Авторы предположили, что метаста-зированию злокачественных клеток предшествует и способствует миграция прогениторных клеток костного мозга.

Для проверки гипотезы образования преметастатичес-кой ниши прогениторными клетками авторы выполняли трансплантации костного мозга, несущего генетическую метку (beta-gal или GFP), летально облучённым мышам. Через 4 недели, после восстановления костного мозга, выполняли внутрикожную имплантацию злокачественных линий - легочной карциномы Льюиса (LLC), характиризую-щейся типичным метастазированием в лёгкие, и меланомы (B16), характеризующейся множественным диссеминированным метастазированием.

Через 2 недели после имплантации опухоли LLC в лёгких обнаруживали кластеры (скопления) меченых клеток костного мозга, но не метастазы. Однако на 18-й день обнаруживали метастазы LLC в лёгких в тех же областях, куда до этого мигрировали клетки костного мозга (ККМ). Более 95% злокачественных клеток метастазов в лёгких было ассоциировано с GFP+ ККМ. Таким образом, клетки, мигрировавшие из костного мозга, образуют метастатическую нишу для злокачественных клеток.

Оказалось, что сайт формирования преметастатической ниши чётко зависел от вида опухоли и, по-видимому, обусловлен биохимическими сигналами, «указывающими» путь метастазирования. Так, введение среды, кондиционированной клетками B16, приводило к мобилизации ККМ в кровоток и образованию преметастатических ниш, характерных для этой опухоли локализаций, что было подтверждено последующей внутривенной траснплантацией B16. Сайты миграции ККМ чётко соответствовали типичным (природным) путям метастазирования LLC - лёгкие, печень и B16 -печень, селезёнка, почки, яички. В остальных органах кластеры ККМ и метастазы обнаружены не были. В системе in vitro авторы идентифицировали ряд факторов (VEGF, PIGF, CXCR4), экспрессируемых и синтезируемых клетками опухоли в культуре и обусловливающими их хемотаксис в нишу. Таким образом, специфические опухоль-ассоциированные биохимические сигналы запускают процессы миграции клеток костного мозга, их адгезии и формирования ниши в органе-мишени будущего метастаза.

Исследователи чётко идентифицировали фенотип ККМ, участвующих в образовании преметастатической ниши. Эти клетки характеризовались высоким уровнем экспрессии рецептора к фактору роста эндотелия I типа (VEGFR-1). Известно, что VEGFR-1 является маркёром гемопоэтических

клеток, в отличие от VEGFR-2 (Ак-1), который экспрессирован в основном на эндотелиальных клетках костного мозга [6]. Субпопуляции VEGFR-'Г клеток также коэкспрессиро-вали и другие маркёры - гемопоэтические и «стволовые» маркёры - CD1з3, cDз4 и CD117 (с-кЩ.

Исходя из клеточного фенотипа,авторы показали динамику миграции клеток в преметастатическую нишу: 1) VEGFR-1 +/VEGFR-2-/CD3'l-; 2) VEGFR-2+; 3) опухолевые клетки. Ведущая роль VEGFR-1+ клеток была доказана ещё и тем, что только трансплантация их очищенной сор-тингом фракции (но не нефракционированного и VEGFR1-негативного костного мозга) приводила к формированию преметастатической ниши. Назначение анти-VEGFR-1 (но не анти-VEGFR-2) антител после имплантации опухоли, полностью предотвращало развитие метастазирования обеих линий. Назначение анти-VEGFR-2 антител не предотвращало, но уменьшало метастазирование, а введение комбинации этих антител также блокировало не только метастазирование, но и развитие самой ниши (кластеров) перед началом миграции опухолевых клеток. Таким образом, ведущую роль в процессе формирования преметастатической ниши играют VEGFR-1 + гемопоэтические клетки костного мозга.

Схема эксперимента

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия № 1 (3), 200G

I I I I I I

Новости клеточных технологий

■ ■ иппл

VEGFR-1+ клетки были также обнаружены в первичных и метастатических опухолях человека и у трансгенных по с-Мус мышей, спонтанно формирующих лимфому, причём авторы указывают, что скопление этих клеток предшествовало метастазированию и прогрессу опухоли. В аналогичных биоптатах от людей без злокачественных новообразований VEGFR-1+ клетки обнаружены не были. Дополнительно авторы описывают целый ряд белков и факторов, которые ассоциированы с миграцией (экспрессия фибронектина и SDF-1 стромальными клетками ниши), адгезией (VLA-4, MMP9, Id3) и образованием кластеровVEGFR-1+ клетками. Роль этих факторов была подтверждена в том числе и in vitro тестами на хемотаксис (Transwell).

Таким образом, авторы работы подробно изучили динамику клеточных событий, обуславливающих процесс мета-стазирования злокачественных клеток и показали, что одну из ведущих ролей в этом могут играть гемопоэтические клетки костного мозга, образуя так называемую преметастатичес-кую нишу. В общем этот процесс можно описать как цепь биохимических реакций, запускаемых факторами, синтезируемыми опухолью (VEGFR, PIGF) и обусловливащими локальную повышенную экспрессию факторов хемотаксиса (фибро-

нектин, SDF-1) для гемопоэтических клеток костного мозга в органе-мишени. Первичная миграция VEGFR-1 + клеток по хемотаксическим осям заканчивается адгезией (при участии VLA-4, MMP9, Id3) и образованием преметастатической ниши. Затем начинается миграция VEGFR-2+ клеток, обусловливающих ангиогенез и заканчивающих формирование ниши. Финалом процесса служит миграция злокачественных клеток и формирование зрелого метастаза. Тем не менее, клеточно-молекулярные механизмы миграции и метастази-рования опухолевых клеток остаются до конца не изученными. В работе не изучался феномен слияния опухолевых и стволовых клеток костного мозга, как возможный механизм образования зрелого метастаза (опухоли) [5, 9].

Изучение биохимических факторов, обусловливающих хемотаксис и миграцию гемопоэтических и опухолевых клеток, их адгезию и формирование кластеров, в будущем может позволить селективно блокировать процесс метастазиро-вания и наметить новые мишени терапии рака. С другой стороны, результаты этой работы могут указать на возможные пути и сигнальные оси миграции клеток костного мозга при развитии воспаления и регенерации повреждённой ткани.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Tai M.-H., Chang C.-C., Olson L.K., Trosko J.E. Oct4 expression in adult human stem cells: evidence in support of the stem cell theory of carcinogenesis. Carcinogenesis doi:10.1093/carcin/bgh321.

2. Singh S.K., Hawkins C., Clarke I.D. et al. Identification of human brain tumor initiating cells. Nature 2004; 432: 396-401.

3. Kucia М., Reca R., Miekus K. et al. Trafficking of normal stem cells and metastasis of cancer stem cells involve similar mechanisms: pivotal role of the SDF-1-CXCR4 axis. Stem Cells 2005; 23(7): 879-94.

4. Coussens L., Tinkle C., Hanahan D., Werb Z. MMP-9 supplied by bone marrow-derived cells contributes to skin carcinogenesis. Cell 2000: 103: 481-90

5. Houghton J., Stoicov C., Nomura S. et al. Gastric сancer originating from

bone marrow-derived cells. Science 2004; 306: 1568-71.

6. Lyden D., Hattori K., Dias S. et al. Impaired recruitment of bone-marrow-derived endothelial and hematopoietic precursor cells blocks tumour angiogenesis and growth. Nature Med. 2001; 7: 1194-201.

7. De Palma M., Vinneri M.A., Roca C., Naldini L. Targeting exogenous genes to tumour angiogenesis by transplantation of genetically modified hematopoietic cells. Nature Med. 2003; 9: 789-95.

8. Neeson P., Thurlow P., Jamieson G., Bradley C. Lymphocyte-facilitated tumour cell adhesion to endothelial cells: the role of high affinity leukocyte integrins. Pathology 2003; 35: 50-5.

9. Bjerkvig R., Tysnes B.B., Aboody K.S. et al. Opinion: the origin of the cancer stem cell: current controversies and new insights. Nat. Rev. Cancer2005; 5(11): 899-904.

Подготовил A.B. Берсенев По материалам Nature 2005; 438: 820-7

Направленная дифференцировка эмбриональных стволовых клеток человека в энтодерму

Одной из наиболее сложных задач в развитии методов направленной дифференцировки эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) считается индукция их развития по энтодермаль-ному пути. Вместе с тем, решение этой проблемы позволит вплотную подойти к получению клеток поджелудочной железы и печени для их последующей трансплантации больным людям. Об актуальности такой работы говорит хотя бы тот факт, что число страдающих сахарным диабетом 1 -го типа приближается во всем мире к 60 млн. Недавно группа калифорнийских исследователей из компании CyThera Inc. заявила, что получила обнадеживающие результаты в этом направлении [1].

В ходе онтогенеза энтодерма млекопитающих обособляется в первую фазу гаструляции - в ходе деляминации (расслоения эпибласта с образованием экто- и энтодермы). В дальнейшем, в соответствии с учением Н.Г. Хлопина, этот зародышевый листок дает начало эпителиям энтодермального типа - эпителию желудка, кишечника, печени, желчевыво-

дящих путей и желчного пузыря, поджелудочной железы (рис.). Еще в середине ХХ века было отмечено, что эпителии этого типа плохо поддаются культивированию in vitro [2].

Традиционной моделью для изучения энтодермального эпителия служит эпителий желточного мешка, что, естественно, учитывает их гистогенетическое единство (см. рис.). Именно с этими клетками были проведены эксперименты по направленной дифференцировке под влиянием факторов микроокружения - мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) [3]. Показано, что в отсутствии влияния мезенхимы клетки энтодермы дифференцируются в клетки слизистого типа, но только при кокультивировании с ММСК - в типичные энтероциты с выраженной щеточной каемкой. В последнее время удалось наблюдать образование слоя клеток в культуре с синтезом морфофункционально полноценной базальной мембраны [4, 5].

Ряд исследователей считает, что для перспективного клинического применения работы с ЭСК представляются

Клеточная трансплантология и тканевая инженерия № 1 (3), 2006