Получены данные, впервые объясняющие давно известный эффект: у каждого типа раковых опухолей есть излюбленные органы для местазирования — так называемый органотропизм. Выяснилось, что это связано с различными наборами трансмембранных рецепторов интегринов на поверхности экзосом опухолей. В клинической практике с помощью определения интегринов на экзосомах, вероятно, можно будет предсказывать пути распространения метастазов.

Рис. 1. Прокладывание пути для орган-специфических метастазов. а — экзосомы выходят из клеток первичной раковой опухоли, проникают в кровеносные сосуды, переносят белки, липиды и нуклеиновые кислоты к отдаленным органам. Экзосомы различных типов раковых клеток несут на поверхности различные интегрины. Набор интегринов определяет взаимодействие экзосом со специфическими клетками: например, экзосомы, несущие интегрин α₆β₄, преимущественно взаимодействуют с клетками легких, а экзосомы, несущие интегрин α_vβ₅, — с клетками печени. b — содержимое экзосом вызывает изменения в целевом органе, создавая условия для образования метастазов. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Уже более ста лет назад было замечено, что раковые опухоли имеют типичные места метастазирования: метастазы каждого типа рака чаще всего обнаруживаются в конкретных органах, причем у разных типов рака такие любимые места свои (это свойство называется тропизмом к определенным органам, или органотропизмом). Например, при раке легких метастазы обычно возникают в легких, при раке простаты — в костях, при раке желудка — в печени. В последние годы наконец удалось продвинуться в расшифровке механизмов этого загадочного феномена. Было установлено, что к метастазированию способна лишь ограниченная популяция клеток первичной раковой опухоли, а для образования метастазов в поражаемом органе должна сформироваться «ниша» (см. Cancer Stem-cell niche ). Такая ниша создает клеткам метастаза особое микроокружение, обеспечивает их факторами, необходимыми для жизнедеятельности и размножения.

Большой международный коллектив ученых во главе с Аюко Хосино (Ayuko Hoshino) из Медицинской школы имени Сэнфорда Уайла при Корнеллском университете исследовал роль экзосом в процессе образования метастазов. Экзосомы — это небольшие частицы размером 30–100 нм, окруженные липидной мембраной, выделяемые клетками тканей и органов в межклеточное пространство и в биологические жидкости (кровь, лимфу и другие). С током жидкостей экзосомы могут разноситься по всему организму, где они выполняют разнообразные функции: осуществляют межклеточную коммуникацию (в том числе отдаленную), участвуют в секреции белков и иммунном ответе. Важно, что экзосомы участвуют в переносе от клетки к клетке биологически активных соединений — белков, ДНК, РНК (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования экзосом и выхода их из клетки. Этими процессами руководят ГТФазы семейства Rab. Образование экзосомы контролируется Rab5. Rab7 отвечает за деградацию экзосом, меченых лизобисфосфатидиловой кислотой (красные точки) лизосомами. Rab11, Rab27 и Rab35 контролируют секрецию экзосом в межклеточное пространство. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Ранее уже было показано, что экзосомы способствуют формированию ниш для метастазов (см., например, статьи J. L. Hood et al., 2011. Exosomes released by melanoma cells prepare sentinel lymph nodes for tumor metastasis и H. Peinado et al., 2012. Melanoma exosomes educate bone marrow progenitor cells toward a pro-metastatic phenotype through MET). В частности, они могут переносить белки, участвующие в формировании ниш, а также повышают проницаемость кровеносных сосудов, позволяя мигрирующим раковым клеткам выходить в места образования метастазов. Но ранние исследования показывали, что экзосомы участвуют в процессе метастазирования, не объясняя при этом, связано ли с экзосомами орган-специфическое метастазирование и какие именно механизмы тут задействованы.

Авторы обсуждаемой статьи решили разобраться как раз в деталях этого процесса. Они выделили экзосомы из культур раковых клеток, склонных к преимущественному образованию метастазов в легких, в печени или в мозге. Эти экзосомы помечались флуоресцентными метками, чтобы можно было отслеживать их перемещение по организму. Через сутки после инъекции таких экзосом здоровым подопытным мышам они скапливались преимущественно в легких, в печени или в мозге соответственно. Более того, органотропические экзосомы взаимодействовали с клетками определенного типа. Так, экзосомы клеток, имеющих тропизм к легким, поселялись среди эпителиальных клеток, выстилающих внутреннюю поверхность легких, а экзосомы клеток, имеющих тропизм к печени, поселялись среди клеток Купфера.

Оказалось также, что в результате введения экзосом и последующего введения раковых клеток той же клеточной линии в соответствующих органах намного активнее развивались метастазы. Получается, что экзосомы раковых клеток демонстрируют тропизм к тем же органам, в которых чаще всего образуются метастазы данного типа рака, и могут готовить в них ниши для колонизации метастазами. Более того, было показано, что экзосомы могут перенаправлять метастазирование в органы, которые являются типичными местами метастазирования для клеток раковой опухоли — источника экзосом. Например, экзосомы клеток, имеющих тропизм к легким, усиливали образование в легких метастазов опухолей, которые обычно метастазируют в мозг.

Авторы предположили, что формирование микроокружения для метастазов может быть обусловлено определенными молекулами, которые переносятся с экзосомами, и эти молекулы, по-видимому, должны быть связаны с клеточной адгезией (то есть соединением клеток между собой и с внеклеточным матриксом — межклеточной субстанцией, служащей для поддержания структуры ткани и взаимодействий между соседствующими клетками). Ученые определили набор белков, переносимых в исследованных экзосомах раковых клеток, и выявили повышенное содержание интегринов.

Интегрины — это гетеродимерные (то есть состоящие из двух различных белковых молекул, которые называют субъединицами) рецепторы, встроенные в мембрану клеток или экзосом и обеспечивающие межклеточные взаимодействия и передачу сигналов. Интегрины (их обозначают ITG) образованы субъединицами двух типов: альфа (ITGα) и бета (ITGβ). У человека найдено 18 различных альфа- и 8 бета-субъединиц, которые порождают 24 варианта димеров (из-за того, что каждая альфа-субъединица способна образовывать комплекс только с определенным набором бета-субъединиц).

Экзосомы, имеющие тропизм к легким, обогащены субъединицами ITGα₆ в димерах с ITGβ₁ или ITGβ₄, а в тканях легких много лигандов именно к этим интегринам. Аналогичная картина наблюдалась и в случаях тропизма к другим органам (например, в экзосомах с тропизмом к печени повышено содержание димеров ITGα_v + ITGβ₅, а в печени много лигандов к интегринам с этой структурой). Таким образом, экзосомы преимущественно имеют тропизм к тканям, обогащенным лигандами соответствующих интегринов. Дефицит этих интегринов в экзосомах или подавление их активности понижали способность экзосом накапливаться в конкретных органах и направлять метастазирование.

Попадая в «нужный» орган и накапливаясь в нем, экзосомы начинают менять локальное микроокружение и способствовать формированию метастазных ниш, что связано с дополнительным молекулярным «грузом», который экзосомы приносят с собой. Они активируют в реципиентных клетках фосфорилирование белков Src и усиливают выделение белков семейства S100, с которыми связаны воспалительные процессы и формирование ниш для метастазов (E. Lukanidin, J. P. Sleeman, 2012. Building the niche: the role of the S100 proteins in metastatic growth).

Разумеется, важно было выяснить, в какой мере полученные на мышах результаты применимы к человеку. Оказалось, что экзосомы плазмы крови пациентов с метастазами в легкие независимо от типа первичной раковой опухоли были обогащены субъединицами ITGβ₄. А при метастазах в печень экзосомы плазмы содержали много субъединиц ITGαv. Более того, до развития метастазов уровень соответствующих компонентов интегринов в экзосомах сыворотки крови был заметно выше, чем после формирования метастазов.

Таким образом, получены данные, впервые объясняющие тропизм метастазов различных раковых опухолей к конкретным органам. Это, по-видимому, связано с различными наборами интегринов, которые несут экзосомы разных типов рака. Есть надежда, что, зная состав интегринов на экзосомах, в недалеком будущем можно будет предсказавать пути распространения метастазов и оптимизировать стратегию лечения.

Автор: Вячеслав Калинин