CC BY
50
Г) И. П. Шабалкмп, А. С. Ягуоов, 1997 УДК 616-006.04-007
II. П. Шабалкип, А. С. Ягу боа
УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ НЕОПЛАСТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ОРГАНИЗМЕ
Отдел молскулхрпи-оиолоричсскч.х и ршНнпвотоппых мешоОон
11СС.'1С<)(НШ1ПП1
Ранее [5] была высказана точка зрения, что развитие неопластического процесса в организме обусловлено перерастанием локального опухолевого процесса в системное заболевание, вызывающее сдвиги физиологических процессов во многих органах/тканях организ-ма-опухоленосителя. При этом «системное» влияние опухоли на организм характеризуется рядом особых свойств. Разные типы опухолей либо оказывают неодинаковое влияние на отдаленные органы/ткани организма, либо не влияют совсем [4, 8]. Это значит, что различающиеся по гистогенезу опухоли обладают избирательностью действия на разные органы/ткани ор-ганизма-хозяина.
Предполагается, что причина такого действия опухоли на организм заключается в следующем: изменения в функционировании нормальных клеток, происходящие в отдаленном органе/ткани под влиянием злокачественных клеток, зависят от количества последних, идентичных по своим функциональным характеристикам клеткам данного нормального органа или ткани. Другими словами, опухоль будет оказывать влияние на орган лишь в том случае, если количество опухолевых клеток, идентичных клеткам нормального органа, достигнет определенной «критической массы». По некоторым данным [4, 5], таких клеток должно быть не менее 33%. И хотя высказанная точка зрения уже имеет экспериментальное подтверждение [4], она все же нуждается в дополнительных доказательствах. Поэтому одной из задач настоящего исследования было выяснение данного вопроса в контексте изучения механизмов канцерогенеза на уровне клеточных популяций.
Вторая задача, требующая своего решения, — это определение роли модального, т. е. доминирующего, класса клеток в действии опухоли на отдаленные органы/ткани организма-опухоленосителя. Можно думать, что неодинаковое влияние одной и той же опухоли на разные органы или ткани организма обусловлено переключением работы этого органа/ткани в оргаппз-ме-хозяине на новый функциональный режим [5, 7], например, в сторону активации процессов, характерных для эмбрионального пути развития, т. е. в сторону дедпфференцировки клеток, или, наоборот, в сторону повышения степени дифференцировки [6, 7]. В этом смысле выбор нового направления функционирования органа, надо полагать, будет зависеть от расположения опухолевых клеток относительно модального класса клеток нормального органа [5]. Выдвинутые выше предпосылки и определили направление наших исследований. Для решения поставленных вопросов нами было проведено изучение функционального состояния попу-
l.P.Shabalkin, A.S. Yagubor
CONDITIONS OF NEOPLASTIC DISEASE DEVELOPMENT IN THE BODY
Department for Molecular Biological and Radioisotopic Methods of Investigation
We proposed recently [5] that development of neoplastic disease in the body is due to the transformation of a local neoplastic process into a systemic disease inducing shifts in physiology of many organs/tissues of the tumor-bearing body. The systemic influence of the tumor on the body is characterized by certain features. Different tumor types have different effect on distant organs/tissues of the body or fail to produce any effect [4,8]. This means that tumors different by origin demonstrate selectivity of action on organs/tissues of the tumor-bearing body.
We suppose that the cause of such tumor action on the body is, as follows: changes in functioning of normal cells of a distant organ/tissue under the action of malignant cells depend upon the number of these malignant cells identical by functional characteristics to cells of the normal organ or tissue in question. In other words, the tumor affects an organ only if the number of tumor cells identical to cells of the normal organ reaches a certain critical value. As shown [4,5] the fraction of these cells should be at least 33%. Although this hypothesis was confirmed experimentally [4], it requires additional proof. Therefore, one of the purposes of this study was to elucidate this problem in terms of carcinogenesis mechanisms at the level of cell populations.
Another problem to be solved was evaluation of the role of the modal, i.e. dominating cell class, in the tumor effect on distant organs/tissues of the tumor-bearing body. The supposition may be made that different effects of the same tumor on different organs/tissues in the tumor-bearing body are due to changing-over of the organ/tissue action in the tumor-bearing body into a new functional mode [5,7], for example, to activation of processes characteristic of embryo development, i.e. towards cell dedifferentiation or, vice versa, towards greater cell differentiation [6,7]. The choice of the new trend of the organ functioning will therefore depend on tumor cell disposition in relation to the modal class of cells of the normal organ [5]. The above-men-tioned prepositions determined direction of our study. To solve the problems stated above we performed a study of functional state of cell populations of transplantable tumors of different origin, organs/tissues of tumor-bearing and intact animals.
Materials and Methods. The study was performed in several lines of mice undergoing transplantation of 6x10* tumor cells in 0.2 nil saline solution per mouse. A variety of transplantable tumors of different origin were used in this study. Analysis was performed in organ/tissue smears or imprints from intact animals, i.e. animals free from transplantable tumors (control), from tumor-bearing mice and tumor smears or imprints. The specimens were prepared as described previously [3,4]. Statistical analysis of differences was performed by Student's /-test (/; < 0.05). The study was performed by methodology
ляцнй клеток перевивных опухолей разного гистогенеза, органов/тканей животных-опухоленоситслей и пнтакт-ных животных.
Мачсрпалы и методы. Обьектом исследования были мыши нескольких линий, которым перешшалн 6*10л опухолевых клеток п
0,2 мл физиологического раетпора на мышь. В работе использованы перевивные опухоли ратного гистогенеза. Материалом для анализа служили мажи или отпечатки органов/тканей питактпых животных, т. е. жппотпых бет перевивных опухолей (контроль), жнвотнмх-опу-холеиосптелсй п опухолей. Препараты обрабатывали по онпсанпон ранее методике [3, 4]. Для статистического анализа использовали критерий Стыодепта (/; < 0,05). Для решения поставленных задач был примечен разработанный нами ранее метод оценки функциональном активности генома клетки [3]. Метод основан па цнтофотометрн-ческом анализе популяции клеток при окраске ядер по Фельгену (окраска па ДНК) и нафтоловым желтым Б (окраска па гнетоны). В качестве критерия оценки функционального состояния клеток предложен показатель К,|гагС11 — коэффициент функциональной активности генома клетки, который выведен из отношения величин гистон/ДНК после определения оптической плотности окрашенного ядра. Так как гнетоны участвуют в изменении функциональной активности генома клетки [I, 2, 10], то коэффициент дает возможность изучить количественный состав популяции клеток, находящихся по функциональной активности своего генома в том или ином состоянии. На основе полученных данных строили гистограммы распределения клеток в зависимости от значений Кфпт,. Для оценки степени отклонения исследуемой популяции органа/ткани жнвотного-опухоленоептеля от контроля использован показатель С, выраженный в процентах. Данный показатель определяли, исходя из площади гистограммы опыта и площади гистограммы контроля при одинаковом количестве проанализированных клеток. Так как площадь гистограммы оценивается как сумма площадей прямоугольников, одна из сторон которых одинакова для опыта и контроля (один и тот же размер шага на оси абсцисс координат гистограмм, условно принятый за единицу), то фактически общий показатель С складывается из суммы показателей (С| и С2), где С| — количество клеток опыта с конкретной величиной Кфагеи. превышающих число клеток контроля с такими же значениями Кфаген в пределах гистограммы контроля; С2 — число клеток опыта, величина Кфаге,| которых не имеет аналогичных значений в контроле.
Результаты и обсуждение. Полученные данные обобщены в табл. 1. Как можно видеть, опухоли разного типа, действующие на различные органы/ткани орга-низма-опухоленосителя, имеют ряд особенностей. Опухоль не оказывает влияния на орган/ткань организма, если число клеток опухоли, идентичных по функциональной активности своего генома клеткам органа/ткани интактного животного, меньше определенной пороговой величины. Так, например, саркома Крокера С-180 не действует на костный мозг животного-опу-холеносителя (отсутствует статистически достоверное различие ПО величине Кф.1га1 между костным мозгом интактного животного и животного-опухоленосителя) в силу того, что в контакте с нормальными клетками находится лишь 2% клеток опухоли (рис. 1).
С другой стороны, как видно из табл. 1, опухоль влияет на орган/ткань организма-хозяина (наблюдается достоверное различие по величине Кф,1Г(.„ между одним и тем же органом/тканью интактного животного и животного-опухоленосителя), если имеется не менее 1/3 клеток опухоли, идентичных по функциональной активности своего генома клеткам нормального органа/ткани интактного животного. Так, перевивная ге-патома 22 оказывает влияние на печень, тонкую кишку, значения К,|,.1ГСМ клеток которых статистически достоверно отличаются от контроля, и не влияет на почку, костный мозг. Отсутствие влияния гепатомы 22 на
iinolving evaluation of cell genome functional activity developed previously by the authors [3]. The methodology is based on eytophotometry of cell populations after Feiilgcn (DNA) or naphthol yellow S (histones) staining of nuclei. A parameter i.e. coefficient of cell genome
functional activity derived from the histone/DNA ratio after measurement of optical density of stained nuclei, was taken as a criterion for the evaluation. Since histones contribute to the alteration ¡11 cell genome functional activity [1,2,10], the coefficient allows quantitative analysis of cell populations in different states of the genome functional activity. Basing 011 data obtained we constructed histograms of cell distribution with respect to A parameter C expressed as per-
centage was used to assess degree of deviation of the population studied from the control. This parameter was derived from areas of test and control histograms, the number of cells analyzed being equal. As the histogram area is the total of areas of its bars with one equal side for the test and control (the same step 011 the v axis conventionally taken for unit), then the total C value is the sum of C| and Cj, where C] is the number of test cells with a certain Cf.lgen value exceeding the number of control cells with the same Cf;l„e„ within the control histogram, C? is the number of test cells with Crascn not encountered in the control cells.
Results and Discussion. Table 1 summarizes our findings. Tumors of different types acting on different organs/tissues of the tumor-bearing body have certain peculiarities. The tumor fails to affect an organ/tissue of the body if the number of tumor cells identical by genome functional activity to cells of the organ/tissue of intact animals is less than a certain cut-off value. For instance, Crocker sarcoma C-180 produces no effect on bone marrow of tumor-bearing animals (there is no statistically significant difference in bone marrow cell Cragni between intact animals and tumor-bearing animals) because only 2% of the tumor cells are in contact with normal cells (figure 1).
On the other hand, table 1 shows that the tumor has effect on an organ/tissue of the host (there is a statistically significant difference in Cfagen values between the same organs or tissues of intact and tumor-bearing animals), if at least 1/3 of the tumor cells are identical by genome functional activity to cells of the normal organ/tissue of intact animals. For instance, transplantable hepatoma 22 affects the liver and small intestine whose cells differ by Cr.,„en in a statistically significant manner from the control, while producing no effect on kidneys and bone mairow. The hepatoma 22 fails to affect kidneys and bone marrow because percentage of tumor cells identical by Cr to control cells is less than 33%. This relationship is observed in all tumors and organs/tissues of the body with one exception. Sometimes the tumor fails to produce effect on an organ/tissue of the tumor-bearing body though the number of tumor cells within the normal histogram is more than 33%. For instance, leukemia L-1210 (see table 1) fails to affect the liver though all L-1210 cells fall within the liver histogram of intact animals. This phenomenon is due to the tumor cells location in the middle of the normal cell histogram (flg.2), i.e. tumor cells are surrounded by normal cells.
The relation of tumor cells to the site of their concentration within the normal cell histogram determines another peculiarity of the tumor action on the body, namely different directions of its effect on individual organs/tissues of the host body. As seen in table 2, the tumor reduces the cell genome functional activity of an organ of the tumor-bearing body (Cr values
Таблица 1 Table 1
Изменение величины Кфаген в перевивной опухоли мышей, органах и тканях интактных животных и животных-опухоленосителей
Changes in Cfagen for transplantable murine tumors, organs and tissues of intact and tumor-bearing mice
Величина Кф!1ген Число клеток
опухоли в пределах
органа/ткани животного- гистограммы клеток
Опухоль Орган/ткань органа/ткани интактного животного опухоли органа/ткани интактного
опухоленосителя животного, %
Гепатома 22a Печень / Liver 1,26 1,07 1,41 67
Hepatoma 22a (1,21-г 1,31) (1,02-г 1,12) (1,35-г 1,47)
Тонкая кишка / Small intestine 1,09 (1,05-г 1,13) 1,01 (0,96-г 1,06) Тоже 71
Почка / Kidney 1,12 (1,09-г 1,15) 1,11 (1,09-г 1,13) « « 27
Костный мозг / Bone marrow 0,93 0,90 « « 26
(0,90-г 0,96) (0,86-г 0,94)
Меланома B-16 Печень / Liver 1,25 1,14 1,46 75
Melanoma B-16 (1,20-г 1,30) (1,11 -г 1,17) (1,41 -г 1,51)
Почка / Brain 1,21 (1,17-г 1,25) 1,06 (1,04-г 1,08) То же 51
Тонкая кишка / Small intestine 1,08 (1,03-г 1,13) 0,95 (0,89-г 1,01) « « 91
Головной мозг/Bone marrow 1,73 (1,59-г 1,87) 1,65 (1,53-1,77) « « 100*
Костный мозг / Bone marrow 0,93 (0,89-г 0,97) 0,76 (0,74-г 0,78) « « 70
Саркома C-298 Печень / Liver 1,25 1,26 1,57 31
Sarcoma C-298 (1,20-г 1,30) (1,20ч-1,32) (1,50-г 1,64)
Костный мозг / Bone marrow 0,93 (0,89-г 0,97) 0,99 (0,95-г 1,03) Тоже 29
Почка / Brain 1,21 (1,17-г 1,25) 1,26 (1,22-г 1,30) « « 11
ATK/АТС Печень / Liver 1,33 (1,27-г 1,39) 1,64 (1,56-г 1,72) 1,13 (1,07-г 1,20) 100
Костный мозг / Bone marrow 1,24 (1,19-г 1,29) 1,07 (1,04-г 1,10) 1,56 (1,50-г 1,62) 92
Тонкая кишка / Small intestine 1,55 (1,40-г 1,70) ' 1,36 (1,22-1,50) То же 34*
Лейкоз L-1210 Костный мозг / Bone marrow 0,92 0,84 1,19 93
Leukemia L-1210 (0,88-=- 0,96) (0,81 -г 0,87) (1,16-г 1,22)
Печень / Liver 1,42 (1,35-г 1,49) 1,45 (1,38-г 1,52) 1,30 (1,26-г 1,34) 100*
Саркома Крокера С-180 Печень / Liver 1,68 1,29 2,21 85
Crocker sarcoma C-180 (1,60-г 1,74) (1,20-г 1,38) (2,14-г 2,28)
Почка / Brain 1,62 (1,53-г 1,71) 1,29 (1,22-г 1,36) Тоже 85
Тонкая кишка/Small intestine 1,71 (1,60-^1,82) 1,51 (1,414-1,61) « « 100
Костный мозг / Bone marrow 0,99 (0,95-г 1,03) 1,01 (0,96-г 1,06) « « 2
Аденокарцинома MO- Печень / Liver 1,35 1,55 1,27 63
лочной железы Са-75 (1,30-г 1,40) (1,49-г 1,61) (1,23-г 1,31)
Mammary adenocarci-
noma Ca-755
intact mouse tumor-bearing mouse tumor Percentage of tumor
Tumor Organ/tissue organ/tissue organ/tissue cells within cell histogram of the intact mouse organ/tissue
^Ingerí
Примечание. Звездочка — клетки опухоли находятся в середине гистограммы органа/ткани интактного животного. Note. Asterisk means that tumor cells are in the middle of the histogram of the intact mouse organ/tissue.
30 --
25
20
15
10
5 "
I--1—ь
□
□
□
□
□
□ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □
□ □ □ X X X
□ □ □ □ X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X X X
□ □ □ □ □ X X X X X X X X X
□ □ □ □ □ □ □ X X X X X X X X X
□ □ □ □ □ □ □ □ [3 13 X X X X X X X X X X
н—ь
4----1---Ь
X
X X XXX
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
2,9
Рис. 1. Гистограммы распределения клеток костного мозга интактной мыши и перевивной саркомы Крокера (С-180) в зависимости от изменения величины Кфаген.
Квадраты — клетки костного мозга интактной мыши; крестики — клетки перевивной саркомы Крокера С-180.
Здесь и на рис. 2—4 по оси абсцисс — значения Кфаген; по оси ординат — частота распределения клеток с определенным значением
Кфаген-
Fig.1. Cell distribution histograms for bone marrow of intact mice and transplantable Crocker’s sarcoma (C-180) with respect to changes in Cfagen.
Here and in figures 2-4 numbers on the x axis show Cfagen values; numbers on the у axis show rate of cells with a certain Cfagen. Squares designate cells of intact mouse bone marrow; crosses designate cells of the transplantable Crocker sarcoma C-180.
почку и костным мозг связано с тем, что процентное ЧИСЛО клеток опухоли, идентичных ПО Кф.,ген клеткам контроля, меньше 33. Подобная зависимость наблюдается для всех изученных опухолей и органов/тканей организма, за некоторым исключением. Иногда, несмотря на то что число клеток опухоли, находящихся в пределах гистограммы нормы, составляет величину, превышающую 33%, опухоль все-таки не влияет на орган/ткань животного-опухоленосителя. Например, перевивной лейкоз Ь-1210 (см. табл. 1) не оказывает влияния на печень, хотя все клетки лейкоза Ь-1210 находятся в пределах гистограммы печени интактного животного. Причина этого явления в том, что клетки опухоли располагаются в середине гистограммы нормальных клеток (рис. 2), т. е. опухолевые клетки окружены нормальными клетками.
reduced in relation to the control) if: a) the number of tumor cells exceeds the number of normal organ cells in the same normal histogram ranks by not less than 1/3; b) the cells are located to the right from the modal class of the normal cells (fig.3).
And, vice versa, the tumor enhances cell genome functional activity of an organ of the tumor-bearing body (Cr.„,en is rising), if tumor cells are situated to the left (fig.4) of the modal class of the normal cells. The following approach was used to distinguish the cell modal class. First of all we found the minimal and the maximal Cr.,„cn values of tumor and normal cell histograms. Then we took the least and the greatest Cfilgai values to establish limits for a common histogram of the tumor and normal cells. The common histogram was divided into three equal parts, i.e. into three ranks, and percentage of tumor cells and normal cells was
Зависимость клеток опухоли от места их группировки в пределах гистограммы нормальных клеток определяет другую особенность действия опухоли па организм, заключающуюся в разнонаправленном ее влиянии на разные оргапы/тканн организма-хозяина. Как видно из табл. 2, опухоль понижает степень функциональной активности генома клетки органа живот-ного-опухоленосителя (значение К,|,.1ГС11 относительно контроля уменьшается), если: а) число клеток опухоли превышает число клеток нормального органа в одних и тех же разрядах гистограммы нормы не менее чем на 1/3 и б) располагаются они справа от модального класса нормальных клеток (рис. 3).
И, наоборот, опухоль повышает степень функциональной активности генома клетки органа животно-го-опухоленосителя (значение К,|,.1Г0„ увеличивается), если опухолевые клетки располагаются слева (рис. 4) от модального класса нормальных клеток. Надо сказать, что для выделения модального класса клеток нами был использован следующий методический прием. Прежде всего были найдены минимальное и максимальное значения К,|,аге11 гистограмм опухолевых и нормальных клеток. Выбрав из них самую малую и самую большую величину К,|,.1ген, нашли пределы для построения общей гистограммы опухоли и клеток нормы. Затем общую гистограмму разделили на три равные части, т. е. на 3 разряда, после чего определяли уже процентное число клеток опухоли и нормы, приходящееся на каждый разряд. Так, при перевивной аденокарциноме толстой кишки (АТК) величина Кф,,ген печени животного-опухоленосителя больше контрольного значения для данного органа и доминирующий тип клеток АТК (64% клеток) располагается слева (рис. 5, а) от модального класса клеток нормы (42% клеток). Вместе с тем для популяции клеток костного мозга характерна обратная зависимость: модальный класс клеток АТК (70% клеток) сдвинут вправо (рис. 5, Ь) относительно модального класса нормальных клеток костного мозга (71% клеток). При этом среднее значение Кф.,ген костного мозга организма-хозяина значимо меньше (Кф.,ге„ = 1,07) величины Кф.1ге|1 контроля (Кф.,ген = 1,24). Общие данные табл. 2 показывают, что разнонаправленное влияние опухоли на органы/ткани организма-хозяина зависит от того, с какой стороны от модального класса нормальных клеток (слева или справа, но не в середине) располагается суммарно не менее 1/3 клеток опухоли, превышающих число клеток нормы в одних и тех же разрядах гистограммы клеток органа/ткани интактного животного.
При изучении влияния опухоли на организм обнаружена еще одна интересная особенность действия опухоли. Сравнение процентного числа клеток опухоли, превышающее число клеток нормального органа в пределах гистограммы нормы, с числом клеток того же органа животного-опухоленосителя, превышающее число клеток нормы в пределах ее гистограммы (см. табл. 2), показало, что между сравниваемыми величинами наблюдается удовлетворительное соответствие:
45
40 --
35
зо --
25
20 --
15
10
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X о
X о
X О
X X о
X X о
X X о
X X О
X X о
о X X о
о X X о
Я X X о
Я X X о
я X X о
я X я о
я я я о
я за я о
я я я о
я я я о
Я я я о
Я я я о о
Я я я о о
Я я о о
я я я о о
я я я о о
Я я я я о
Я я я я о
Я я я я о
О Я я я я о
о я я я я о
о я я я я о
ч—ь
+
о
+
4-
0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3
Рис. 2. Гистограммы распределения клеток печени интакт-ной мыши и перевивного лейкоза L-1210 в зависимости от изменения величины Кфаген.
Крестики — клетки перевивного лейкоза L-1210; кружки — клетки печени интактной мыши.
Fig. 2. Cell distribution histograms for intact mouse liver and transplantable leukemia 1-1210 with respect to changes in Cfagen. Crosses designate cells of the transplantable leukemia L-1210; circles designate cells of intact mouse liver.
determined for every rank. For transplantable colonic adenocarcinoma (АТС) the liver Cl;i,,cll of tumor-bearing animals was larger than the control value for this organ, and the dominating АТС cell type (64% of cells) was located to the left (fig.5,a) from the modal class of the normal cells (42% of cells). While bone marrow
Таблица 2 Table 2
Процентное число клеток перевивной опухоли и клеток органа/ткани животного-опухоленосителя относительно клеток органа/ткани интактной мыши
Percentage of transplantable tumor cells and tumor-bearing mouse organ/tissue cells in relation to intact mouse organ/tissue cells
Опухоль Орган/ткань к фаген органа/ткани 1/ г'флген органа/ткани Число клеток опухоли, превышающее число клеток нормального органа/ткани в пределах гистограммы нормы, % Число клеток органа/ткани животного-опухоленосителя, превышающее число клеток нормального органа/ткани в пределах гистограммы нормы, %
интактного животного животного- опухоленосителя слева справа
от модального класса органа/ткани интактного животного
ATK/ATC Печень Liver 1,33 (1,27-г 1,39) 1,64 (1,56-г 1,72) 30 35
Костный мозг 1,24 1,07 41 41
Bone marrow (1,19-г 1,29) (1,04-г 1,10)
Аденокарцинома молочной железы Ca-755 Mammary adenocarcinoma Ca-755 Печень Liver 1,35 (1,30-г 1,40) 1,55 (1,49-г 1,61) 31 38
Гепатома 22 Hepatoma 22 Печень Liver 1,26 (1,21 -г 1,31) 1,07 (1,02-г 1,12) 30 30
Тонкая кишка 1,09 1,01 32 41
Small intestine (1,05-г 1,13) (0,96-1,06)
Меланома B-16 Melanoma B-16 Почка Liver 1,21 (1,17-г 1,25) 1,06 (1,04-1,08) 42 51
Печень 1,25 1,14 43 38
Kidney (1,20-г 1,30) (1,11-М,17)
Тонкая кишка 1,08 0,95 58 38
Small intestine (1,03-1,13) (0,89-1,01)
Костный мозг 0,93 0,76 45 51
Bone marrow (0,89-г 0,97) (0,74-0,78)
Саркома Крокера С-180 Crocker sarcoma C-180 Печень Liver 1,68 (1,60-г 1,74) 1,29 (1,20-1,38) 30 36
Почка 1,62 1,29 42 51
Kidney (1,53-г 1,71) (1,22-1,36)
Тонкая кишка 1,71 1,51 30 52
Small intestine (1,60-г 1,82) (1,41-1,61)
Лейкоз L-1210 Leukemia L-1210 Костный мозг Bone marrow 0,92 (0,88-г 0,96) 0,84 (0,81-0,87) 40 58
Tumor-bearing mouse of the modal class of the intact mouse organ/tissue Percentage of tumor-bearing mouse organ/tissue cells in excess of the number of normal organ/tissue cells within the normal histogram
Tumor Organ/tissue Intact mouse organ/tissue C,agen to the left to the right
organ/tissue Clagen Percentage of tumor cells in excess of the number of normal organ/tissue cells within the normal histogram
число клеток опухоли, превышающее число клеток нормы в пределах ее гистограммы, составляет величину, сопоставимую с долей клеток органа животного-хо-зяина, изменяющихся под влиянием опухоли в пределах гистограммы нормы. Это указывает на то, что влияние опухоли на организм обусловлено в значительном мере долей клеток опухоли, которые идентичны по функциональной активности своего генома клеткам нормы и число которых превышает число клеток нормы на величину, равную примерно 1/3 популяции клеток нормы. Следует отметить, что, говоря об идентичности
cells demonstrated inverse relationship: the ATC modal class (70%) of cells was shifted to the right (fig.5,b) from the modal class of the normal bone marrow cells (71% of cells). Mean bone marrow Cr.„,cn of the tumor-bearing host is significantly less (CftlL,en= 1.07) than Cr.,„on of the control (Cft,„L.n=1.24). Table 2 thus shows, that the direction of the tumor effects on organs/tissues of the tumor-bearing animal depends upon the side (left or right, but not the middle) of location of at least 1/3 of tumor cells in excess of the number of normal cells in the same ranks of cell histogram of the organ/tis-
клеток опухоли клеткам нормального органа, речь идет в основном об одном II том же количестве гистонов, участвующих в регуляции активности генома этих клеток, а не об экспрессии одних п тех же генов в обоих типах клеток, хотя не исключается и случаи, когда наблюдается полная идентичность клеток опухоли клеткам нормы. Для расшифровки вышесказанного приведем следующий пример. Допустим, что в нормальных клетках работают условно гены № 1—2—4—5. Тогда, исходя из представления [5, 6], что механизм образования трансформированных клеток из нормальных обусловлен либо эпигеномной, либо генетической изменчивостью последних, мы обнаруживаем, что, несмотря на разные механизмы образования трансформированных клеток, в конечном счете получается один и тот же результат. Так, например, в процессе эпигеномной изменчивости (т. е. когда в нормальной клетке ингибируется часть каких-то экспрессирующихся генов) в клетке, в которой в норме работают гены № 11 — 12—14—15—16, при трансформации ингибируется пятый ген (№ 16). В случае, когда трансформированная клетка возникает за счет генетических изменений (например, в результате делеции хромосомы в нормальной клетке), мы можем получить тот же вариант трансформированной клетки, что и при эпигеномной изменчивости. Это может произойти, если в нормальной клетке экспрессируются гены № 11— 12—14—15—16—17, а при делеции теряются пятый и шестой гены (№ 16 и 17).
На приведенном примере можно видеть, что во всех трех случаях количество гистонов, участвующих в регуляции активности генома, условно представленного 4 работающими генами, для нормальных и трансформированных клеток одно и то же, хотя гены нормальных клеток отличаются от генов патологических клеток. Иначе говоря, гены нормальных и опухолевых клеток по функциональной активности своего генома (отражением которой является изменение количества гистонов) идентичны друг другу. Интересно, что, заменив в этом примере безымянную нормальную клетку на нормальную клетку легкого, а обе трансформированные клетки — на клетки, вырабатывающие один и тот же гормон (как клетки, у которых экспрессируются одни и те же гены), можно удовлетворительно объяснить результаты исследований М. Lipsett [11] и О. Pearson [12], обнаруживших в опухолях легких, печени и других органов образование гормонов в таких количествах, что это сопровождалось нарушением гормонального статуса организма. Данные этих авторов, подкрепленные нашими рассуждениями, свидетельствуют о том, что, несмотря на разные механизмы трансформации клеток, в конечном счете результат действия опухоли на организм связан с десинхронизацией процессов метаболизма в организме-опухоленосителе [5, 9].
Реализация данного процесса осуществляется, мы полагаем, с помощью принципа как положительной, так и отрицательной обратной связи. В приложении к нашим данным это означает, что большое количество
35 - □
- □
□ X
□ X
□ X
30 - □ X
□ X
□ X
□ □ X
□ □ X
25 - □ □ X
□ □ X
□ □ X X
□ □ X X
□ □ X X
20 ' □ □ X X
□ H X X
□ И 0 X
□ ІЗ и X
□ и и X
15 - □ и S X
□ ІЗ 0 X X
□ и 0 X X
□ и 0 X X
□ и 0 X X
10 - □ и н 0 X
□ □ и 0 0 X
□ □ и 0 т X
□ □ и 0 и X
□ □ □ и ESI X
5 - □ □ н 0 и X X
□ □ и 0 0 X X
□ □ н 0 0 X X
□ и 0 0 X X
□ / 1 IE! 0 0 0 0 X 1
0 f f f" г I 1
0,9 1,1 1,3 1,5 1.7 1,9 2,1
Рис. 3. Гистограммы распределения клеток костного мозга интактной мыши и перевивной АТК в зависимости от изменения величины Кфаген.
Крестики — клетки перевивной АТК. Остальные обозначения как на рис. 1.
Fig. 3. Cell distribution histograms for bone marrow of intact mice and transplantable АТС with respect to changes in Cfagen. Crosses designate cells of the transplantable АТС, the remaining designations are the same as in fig.1.
sue of intact animals, from the modal class of normal cells.
When studying the tumor effect on the body we discovered another interesting peculiarity. We compared percentage of tumor cells in excess of the number of normal organ cells within the normal histogram with percentage of cells of the same organ of tumor-bearing animals in excess of the number of normal cells within the normal histogram (see table 2) to establish a rather good agreement: the number of tumor cells in excess of the number of normal cells within the normal histogram is compatible with percentage of cells of the organ changing under the action of the tumor within the normal histogram. This suggests that the tumor effect on the body is to a large degree determined by the fraction of tumor cells identical to normal cells by genome functional activity, exceeding the number of normal cells by about I/З of the normal cell population.
40 --
35
зо --
25
20
15 --
ю --
5 --
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X к О
X iS О
X 8 О о
X 8 IS о
X £3 8 О
X 0 8 о
X 8 IS о
X 8 8 о о
X 8 IS о 0
X 8 IS о о
X 8 IS о о
X в 8 IS о
X 8 IS IS о
X 8 IS IS о О
X 8 IS IS о о
X 8 IS IS О о
0 0 IS IS О О
¡a 8 IS IS о о
8 8 8 IS о о
¡8 ¡3 IS IS 8 о
0 ¡a IS IS IS 8
¡8! 1 ¡8! 1 IS I IS 1 8 t 8 I
1 0,9 1 1,1 I 1,3 1 1,5 I 1,7 I 1,9
Рис. 4. Гистограммы распределения клеток печени интактной мыши и перевивной АТК в зависимости от изменения величины Кфаген.
Кружки — клетки печени интактной мыши; крестики — клетки перевивной АТК.
Fig. 4. Cell distribution histograms for bone marrow of intact mice and transplantable АТС with respect to changes in Cfagen. Crosses designate cells of the transplantable АТС, circles designate cells of intact mouse liver.
опухолевых клеток с высоким значением Кф.1ге„ индуцирует в клетках нормального органа/ткани животно-го-опухоленосителя продукцию факторов, ответственных за рост и развитие большого количества (положительная обратная связь) трансформированных клеток с низким значением Кф.,гем (отрицательная обратная связь).
Например, при перевивной АТК доля клеток опухоли, превышающих число клеток костного мозга ин-тактноП мыши, соответствует 41% (см. табл. 2) и располагаются эти клетки опухоли относительно модального класса клеток нормы справа, т. е. имеют
It should be noted that the identity of tumor cells and cells of a normal organ is to be understood in terms of the same number of histones participating in regulation of genome activity of these cells, rather than in terms of expression of the same genes in both cell types, though it is possible that tumor cells are completely identical to the normal cells. Consider the following example. Assume that genes Nos. 1-2-4-5 are acting in normal cells. Following the concept of [5,6] stating that the mechanism of cell transformation from the normal state is due to epigenomic or genetic changeability of the normal cells, we find that different mechanisms of the cell transformation lead to the same result. For instance, in the process of epigenomic alteration (i.e. when a part of genes is inhibited in the normal cell) cells with normally acting genes Nos. 11-12-14-15-16 demonstrate inhibition of gene No. 16 after the transformation. If the cell transformation is caused by genetic changes (e.g. as a result of chromosome deletion in the normal cell) we may have the same type of the transformed cells as in the epigenomic changeability. This may occur if the normal cells express genes Nos. 11-12-14-15-16-17, and genes Nos. 16 and 17 are lost as a result of the deletion.
This example shows that the number of histones participating in regulation of genome activity represented by the four acting genes is the same in the normal and transformed cells though genes of normal cells differ from genes of pathological cells. In other words, genes of the normal and the tumor cells are identical by functional activity of their genomes (as reflected by the change in the histone number). It is of interest that if in our example we substitute lung cells for the nameless normal cells and cells producing the same hormone (expressing the same genes) for both transformed cells we will be able to explain the observation of M.Lipsett [11] and O.Pearson [12] who discovered that tumors of lungs, liver and other organs may produce hormones in amounts able to change the body hormonal status. These authors’ findings supported by our considerations suggest that in spite of different mechanisms of the cell transformation, the final result of tumor action on the body involves desynchronization of metabolic processes in the tumor-bearing body [5,9].
We believe that this process is realized by both the positive and negative feed-back. Or in our experiments, a large number of tumor cells with high Cftlgen induce production of factors responsible for growth and development of a large amount (positive feed-back) of transformed cells with a low Cr.,sen (negative feed-back) in cells of a normal organ/tissue of a tumor-bearing body.
For instance, in case of transplantable ATC, the fraction of tumor cells in excess of the number of bone marrow cells of an intact mouse is 4\°/o (see table 2), and these tumor cells are situated to the right from the modal class of the normal cells, i.e. have a higher Cr,,gen value as compared with the modal class of the normal cells. Following the positive feed-back principle these tumor cells must induce production of the same number of cells in bone marrow of the tumor-bearing
более высокое значение Кф,„,и, чем клетки модального класса нормы. В чтом случае, учитывая принцип положительной обратной связи, тгп клетки опухоли должны индуцировать в клетках костного мозга животпо-го-опухоленосителя такое же количество клеток, однако согласно принципу отрицательной обратной связи имеющих величину К,|,агс„ более низкую, чем у индукторов трансформации — клеток опухоли. Появление в популяции костного мозга организма-опухоленосителя большого количества трансформированных клеток с низким значением Кф.,ге„ (см. табл. 2; рис. 3) должно привести к снижению по сравнению с нормой среднего значения Кф.,га| для костного мозга животного-опухо-леносителя, что и наблюдается в эксперименте. Совсем иное влияние оказывает опухоль АТК на печень (см. табл. 2; рис. 4). Вследствие того что 30% клеток опухоли находятся не справа, а слева от модального класса гепатоцитов интактного животного, опухоль вызывает увеличение Кф;,ге|, в печени животного-опухоленосителя. Тот факт, что опухоль не влияет на орган животно-го-хозяина, если все клетки опухоли находятся в середине, т. е. в окружении нормальных клеток, говорит о том, что в данном случае опухоль вызывает в клетках нормального органа/ткани изменение концентрации не конечных, а промежуточных факторов регуляции, которые не влияют в полной мере на рост и развитие клеточной популяции.
На основе полученных данных можно прийти к общему выводу, что реализация механизма влияния опухоли на отдаленные органы/ткани организма-опухоле-носителя, осуществляющегося по принципу обратной связи, зависит от того, с какой стороны от модального класса нормальных клеток располагается не менее 1/3 клеток опухоли, превышающих число клеток нормы в одних и тех же разрядах ее гистограммы.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Бите« В. В., Бчкаеви Т. Г., Долшискш Н. II. //Мол. биол. — 1981. — Т. 15, № 7. — С. 824—834.
2. Георгиев Г. П. Гены высших организмов и их экспрессия. — М., 1989.
3. Шаоапкии N. N. /'Биология репродукции клеток. — М., 1994. — С. 72—78.
4. IНави.пат N. N.. ЯгуГюв А. С. //Вести. ОНЦ РАМН. — 1995. — № 4. — С. 14—17.
5. Шшшлкии N. N. //Там же. — 1996. — № I. — С. 10 — 13.
6. Шиоижин N. Г1. //Воир. опкол. — 1996. — № 6. — С. 86—90.
7. Н1немС>ер?ер N. II. Рак и дпффереицнровка клетки. — Л., 1976.
8. Шелепов В. /'/., Моисеев В. //., Чекулаев В. А. и др. //Цитология. — 1988. — № 9. — C. I 152.
9. Шелепчч В. П., Моисеев В Л., ЗиГмткии М. А/. и др. //Бюл. •жепер. биол. — 1989. — № 7. — С. 81—83.
10. Шеетоналов /У. В. //Мол. биол. — 1988. — Т. 22, № 2. — С. 331—337.
И. I.ipselt М. В. //Cáncer Res. — 1965. — Vol. 25. — P. 1068—1073. 12. Pearson О. II. //Ibid. — P. 1974—1975.
Поступила 04.02.97/Submitted 04.02.97
Рис. 5. Распределение клеток органа/ткани интактной мыши относительно клеток перевивной АТК.
Цифры — количество клеток. Заштрихованная часть: а — печень интактной мыши, Ь — костный мозг интактной мыши; незаштри-хованная часть: а, Ь — перевивная АТК.
Fig. 5. Cell distribution histograms for organs/tissues of intact mice with respect to cells of transplantable АТС.
Numbers show cell count.
Shaded bars: a, intact mouse liver; b, intact mouse bone-marrow; clear bars: a,b, transplantable АТС.
body, while following the negative feed-back principle these newly produced cells must have a lower Cf.lgen than the tumor cells inducing the transformation. The appearance of a large amount of transformed cells with a low Cfa„en in the bone marrow population of the tumor-bearing body (see table 2) must lead to reduction (as compared to the normal level) of mean Cfagen values for bone marrow of the tumor-bearing animal that is observed experimentally. While the effect of АТС on the liver is quite different (see table 2, fig.4). As 30% of the tumor cells are situated to the left (rather than to the right) from the modal class of hepatocytes of the intact animal, the tumor induces increase in liver Cf.„,en of the tumor-bearing animal. The fact that the tumor fails to produce any effect on an organ of the host animal if all the tumor cells are situated in the middle of (are surrounded by) the normal cells means that the tumor induces changes in concentration of intermediate rather than final regulatory factors in cells of the normal organ/tissue that do not influence in full the growth and development of the cell population.
Our findings suggest the following conclusion. Realization of the mechanism of tumor effect on distant organs/tissues of the tumor-bearing body following the feed-back principle depends upon the side from the modal class of normal cells on which at least 1/3 of the tumor cells in excess of the number of the normal cells in the same histogram ranks are situated.
