ериканские ученые исследовали движение раковой клетки в трехмерном пространстве

Американские ученые сняли документальный фильм о поведении раковой клетки в объеме. Главная героиня сюжета, созданного с помощью микроскопа и специальной камеры, путешествует не по плоской поверхности чашки Петри, а по толще коллагенового геля. Как показали наблюдения, алгоритм перемещения в трехмерном пространстве значительно отличается от движения на плоскости. Значит, чтобы лечить метастазирующие опухоли, ученым придется учитывать и правила движения, которым следует раковая клетка.

Знания о метастазах основаны на исследованиях, которые проводились в традиционной чашке Петри, то есть в двумерном пространстве. Известно, что для движения на плоской твердой поверхности (стекло) раковая клетка использует специальные адгезивные белки. В экспериментах в чашке Петри раковые клетки приобретали некоторое сходство с амебами и образовывали специальные выросты - псевдоподии. С их помощью метастазы образуют плотный контакт с поверхностью - фокальные адгезии - и перемещаются, то прилипая, то отлипая от нее.

Сотрудники Центра онкологического инжиниринга при Университете Джона Хопкинса (Engeneering in Oncology Center, Johns Hopkins University) и ученые из Университета Джорджа Вашингтона (Washington University in St. Louis) под руководством Стефани Фрейли исследовали движение раковой клетки в трехмерном пространстве.

Для эксперимента ученые насытили питательную среду коллагеном. Известно, что рак распространяется не только по поверхности пораженного органа, но и уходит вглубь, проникает в пространство между здоровыми клетками и "дает ростки" во всех направлениях. В качестве "путеводителя" метастазирующие клетки используют нити внеклеточного матрикса. И чтобы максимально приблизить условия эксперимента к физиологическим, ученые пронизали гель микроволокнами, которые имитировали межклеточный матрикс.

Исследователи поместили отдельные раковые клетки в коллагеновый гель и перемешали его. Далее, используя микроскопы, ученые следили, как метастазирующая клетка поднимается на поверхность геля. Оказалось, что она своими "клешнями" тянется к микроволокнам и образует краткосрочные контакты, которые невозможно измерить. Она отталкивается от одного из волокон лишь в том случае, если коснется другого. Клетку можно сравнить с путешественником, который пробирается сквозь заросли леса и хватается за ветки, пытаясь найти путь.

Исследователи отмечают, что клетка может и "передумать". Иногда метастазы возвращаются назад или меняют направление движения. Как показало исследование, поведение клетки зависит от наличия адгезивных белков. Так, если в организме активирован ген, отвечающий за синтез белка зиксина, то раковая клетка перемещается в ограниченном ареале, но в разных направлениях. Если отмеченный ген "отключен", метастазирующая клетка путешествует по прямой и уходит далеко от первоначальной опухоли. То есть без зиксина она срывается с цепи и мчится, куда глаза глядят.

Получается, что в объеме раковая клетка использует адгезивные белки не так, как на плоскости. Она не образует плотных и долгосрочных контактов, которые можно зафиксировать и изучить. Тем не менее присутствие белка значительно изменяет поведение клетки. По словам ученых, механизм влияния адгезивных белков пока не ясен.

Выводы ученых очевидны, хотя и довольно неприятны для других исследователей. В большинстве ранее проводившихся исследований использовались чашки Петри. Но, соприкасаясь с поверхностью стекла, клетка имела плотный контакт и перемещалась подобно амебе. Как показал трехмерный эксперимент, метастаз вообще предпочитает избегать "надежных связей" и образует слишком небольшие и непродолжительные контакты, которые невозможно зафиксировать. Возможно, отличия есть и в других механизмах. Авторы работы отмечают, что в трех измерениях раковая клетка принимает форму, которая радикально отличается от описанной в двумерных экспериментах. В частности, клетки не образуют псевдоподий и пробивают путь сразу в нескольких направлениях. Это значит, что часть знаний о механизмах жизнедеятельности раковых клеток и, как следствие, биохимии процессов ошибочны.

Стефани Фрейли намерена исследовать влияние механосенсорных белков на поведение раковых клеток. А ее научный руководитель доктор Дэнис Виртз уверен, что это исследование поможет разобраться с тем, как лекарства должны "гоняться" за метастазами.

http://cancer.eurolab.ua/news/view/id/39164

P.S. Если пройдёте по ссылке - там есть ещё и видео.

Загадка метастазирования, возможно, на пороге раскрытия

В 90% случаях онкологические больные умирают из-за бесконтрольного распространения первоначальной опухоли — процесса, который разносит рак по всему организму до тех пор, пока тело не откажется сопротивляться. Десять лет назад французский онколог Жан Поль Тьери (Jean Paul Thiery) выдвинул гипотезу о том, что клетки опухоли метастазируют, используя сложный процесс изменения эпителиальными клетками эпителиального фенотипа на мезенхимальный, характерный для эмбрионального развития. Процесс назвали «эпителиально-мезенхимальным переходом» (ЭМП).

ЭМП характерен для развивающихся эмбрионов, клетки которых постоянно трансформируются из стационарных эпителиальных в более подвижные мезенхимальные, способные мигрировать к удалённым уголкам растущего организма и создавать новые типы тканей и органов. Г-н Тьери предположил, что некоторые раковые клетки также находят возможность «включать» ЭМП, временно меняя свой фенотип, с тем чтобы можно было отсоединиться от первоначальной опухоли, перейти в кровоток и положить начало новой опухоли. По прибытии раковая клетка «выключает» ЭМП-программу и развивается в метастатическую карциному или опухоль.

Гипотеза Тьери, выдвинутая в 2002 году, всем хороша, кроме одного. За десять лет не было получено ни одного in vivo-доказательства этого смелого предположения. Правда, никто особенно и не пытался это сделать: то ли занятость своими делами, то ли отсутствие веры в реальность столь сложного процесса мешали онкологам провести соответствующие эксперименты. В результате вся слава теперь достанется калифорнийским учёным, осуществившим in vivo-демонстрацию обратимого ЭМП в процессе метастазирования, что подтвердило реальность умозаключений г-на Тьери.

Детали исследования опубликованы в журнале Cancer Cell.

Используя в качестве модели мышь с плоскоклеточной карциномой кожи, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) показали, что активация ЭМП-индуцирующего гена Twist1 является достаточным условиям для включения ЭМП-программы и усиления процесса выхода клеток карциномы в систему кровообращения. Важно и то, что запуск ЭМП — необходимое условие для начала пролиферации новой опухоли. Таким образом, можно с достаточной уверенностью заявлять, что обратимый ЭМП-процесс представляет собой основную движущую силу в метастазе карциномы человека (о других типах рака говорить пока рано, нужны дополнительные эксперименты).

По словам учёных, между эмбриональным ЭМП и ЭМП метастаза много общего. Оба процесса используют одну и ту же клеточную машину и сигнальные пути для активации ЭМП-программы. Однако во время эмбриогенеза ЭМП-программа не нуждается в обязательном отключении: эпителиальные клетки навсегда переходят в новый, мезенхимальный фенотип. С другой стороны, как показали калифорнийцы, обратимость ЭМП является важнейшим фактором эффективности всего процесса метастаза. Таким образом, можно сделать ещё один важный вывод: способность клетки обратить (или выключить) давно задействованный ЭМП — это, вероятно, и есть тот самый триггер, что «пробуждает» циркулирующие в крови клетки опухоли, выводя их из неактивного состояния. Это полностью объясняет феномен появления вторичных новообразований спустя годы (!) после диагностирования и удаления первичной опухоли.

В целом, если достигнутый результат удастся подтвердить, а затем и распространить на другие типы злокачественных опухолей, это будет настоящая революция, а г-н Тьери вполне может рассчитывать на Нобелевскую премию.

К сожалению, пока учёные не знают, как и почему активируется Twist1, хотя ранние исследования неоднократно указывали на такие факторы, как гипоксия и воспаления вокруг растущей опухоли. (Считается, и тому есть доказательства, что гипоксия заставляет клетку менять многие внутренние механизмы выживания, поскольку ей больше не приходится рассчитывать на обычный механизм получения энергии через окисление глюкозы кислородом: эта особенность роднит раковые клетки со стволовыми. Воспалительные же процессы давно и крепко связываются с развитием онкологических заболеваний.)

Остаётся загадкой и то, почему и как Twist1 выключается при достижении клеткой её нового места обитания.

Интересно, что несколько фармацевтических компаний и исследовательских институтов уже ведут разработки химических ингибиторов ЭМП, применение которых в свете сделанного открытия будет контрпродуктивным, если в крови пациента уже есть свободно циркулирующие клетки опухоли (точнее, это будет преступно: ингибитор вызовет выключение программы ЭМП, что приведёт к режиму наивысшего благоприятствования для начала пролиферации вторичных новообразований сразу по всему организму).

В общем и целом перед нами революционное исследование, способное перевернуть современную онкологию.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Сан-Диего.

P. S. Одновременно с этим материалом в том же журнале вышла статья испанских авторов, полностью подтверждающая выводы калифорнийцев. Более того, испанцы пошли немного дальше, обнаружив, что инициатором программы ЭМП в клетках карциномы является фактор Prrx1; при этом раковые клетки обретают свойства стволовых клеток! Последующая потеря Prrx1 приводит к немедленной остановке ЭМП-процесса и началу пролиферации новой опухоли. Всё-всё согласуется с тем, что предполагал г-н Тьери и что обнаружили независимо от испанцев учёные из Сан-Диего.

Тут, кстати, стоит напомнить, что основной причиной высокого уровня смертности после многих лет, прошедших после радикальной мастэктомии, считается необъяснимое пробуждение свободно циркулирующих стволовых раковых клеток, оставшихся в крови после удаления первоначальной опухоли. Та же ситуация и с раком толстого кишечника. Может быть, стоит вернуться к изучению этих феноменов? Не обнаружатся ли на месте стволовых раковых клеток клетки с запущенной ЭМП-программой, обладающие некоторыми свойствами стволовых?..

http://science.compulenta.ru/724784/

_________________