Назад
Результаты нового исследования показывают, как повышенная вязкость, или сопротивление потоку, внеклеточной жидкости, окружающей клетки, позволяет раковым клеткам быстрее мигрировать из первичной опухоли в другие участки тела.
"Мы выяснили, как клетки чувствуют и реагируют на физиологически значимые уровни вязкости жидкости, которые обычно обнаруживаются в организме здоровых и больных пациентов", - говорит Константинос Константопулос, ведущий автор исследования, профессор химической и биомолекулярной инженерии Онкологического центра имени Джона Хопкинса. "Мы также показали, что клетки обладают способностью формировать память при предварительном воздействии повышенной вязкости жидкости. Мы считаем, что эти результаты заставят исследователей в других областях, помимо механобиологии рака, рассматривать вязкость жидкости как ключевой физический фактор, регулирующий реакцию клеток".
Результаты исследования, раскрывающие новый механизм, способствующий распространению раковых клеток, были опубликованы 2 ноября в журнале Nature и создают основу для продолжения исследований, которые в конечном итоге могут привести к выявлению новых потенциальных мишеней для борьбы с метастазированием рака.
Хотя нарушение вязкости биологических жидкостей уже почти полвека связывают со многими заболеваниями, исследования распространения раковых клеток до сих пор проводились в основном с использованием жидкостей с низкой вязкостью, похожих на воду, объясняет Константопулос. "Ожидалось, что поскольку в более вязких жидкостях сопротивление больше, раковые клетки не смогут эффективно перемещаться и метастазировать, но мы показали обратное", - говорит он.
Исследователи выяснили, как клетки чувствуют и реагируют на физический сигнал повышенной вязкости, и как цитоскелет, контролирующий форму и внутриклеточную организацию клеток и участвующий в их движении, взаимодействует с ионными каналами и ионными транспортерами - белками, направляющими поток заряженных молекул через мембрану клеток - для обеспечения эффективной миграции при повышенной вязкости.
Внеклеточная вязкость повышается при деградации крупных белков, секретируемых как нормальными, так и раковыми клетками, а также при нарушении дренажа лимфатических сосудов в результате роста первичной опухоли. Исследователи обнаружили, что среда с повышенным сопротивлением способствует формированию более плотной актиновой сети, которая способствует локальному обогащению ионных транспортеров, взаимодействующих с водными каналами, чтобы облегчить поглощение воды, способствовать набуханию клетки и увеличить натяжение мембраны. На внешней границе клетки это повышенное напряжение мембраны активирует сигнальный путь, который включает ионный канал TRPV4, воспринимающий физические сигналы. Вязкость жидкости побуждает клетку открыть свои каналы TRPV4, способствуя поступлению кальция, что повышает способность клеток генерировать энергию и, в конечном счете, ускоряет движение клеток.
"Это похоже на то, как если бы клетки, находящиеся в условиях высокой вязкости, пошли в спортзал, чтобы провести тяжелую тренировку и развить мышцы (актин и миозин), что улучшает их производительность, чтобы быстрее достичь конечного пункта назначения", - объясняет Константопулос.
Ранее считалось, что механизмы механочувствительности начинаются с ионных каналов, таких как TRPV4, рассказывает Константопулос. "Мы обнаружили, что восприятие вязкости начинается с образования более плотного и высокоразветвленного актина, а активация TRPV4 происходит после актина", - говорит он.
Когда исследователи отключили TPRV4, они заблокировали более быстрое движение клеток и их способность формировать память в ответ на предварительное воздействие повышенной вязкости. Ученые использовали 3-дневные модели эмбрионов рыбок зебрафиш, чтобы показать, что память о повышенной вязкости может позволить клеткам быстрее перемещаться по кровеносным сосудам in vivo. Они также использовали модели куриных эмбрионов и мышей, чтобы продемонстрировать, что память может усилить распространение раковых клеток за пределы кровеносных сосудов, через процесс, называемый экстравазацией, и привести к образованию большего числа отдаленных метастатических колоний.
Константопулос отметил, что будет весьма информативно изучить на моделях лабораторных животных, как первичные опухоли и раковые клетки, распространяющиеся из первичных опухолей, реагируют на локальные изменения вязкости внеклеточной жидкости во время прогрессирования заболевания и инвазии в тканевое микроокружение. Разработка и оптимизация биосенсоров, позволяющих в реальном времени измерять вязкость внеклеточной жидкости, вместе с визуализацией раковых клеток у живых животных будут иметь решающее значение для решения этого вопроса. Авторы также планируют исследовать, влияет ли внеклеточная вязкость на другие физиологически значимые клеточные процессы.
Bera, K., Kiepas, A., Godet, I. et al. Вязкость внеклеточной жидкости усиливает миграцию клеток и диссеминацию рака (аннотация).
Клетки реагируют на физические стимулы, такие как жесткость, напряжение сдвига жидкости и гидравлическое давление. Вязкость внеклеточной жидкости является ключевым физическим фактором, который изменяется в физиологических и патологических условиях, таких как рак. Однако ее влияние на биологию рака и механизм, с помощью которого клетки чувствуют и реагируют на изменения вязкости, неизвестны.
В данном исследовании мы демонстрируем, что повышенная вязкость контринтуитивно увеличивает подвижность различных типов клеток на двумерных поверхностях и в условиях изоляции, а также увеличивает распространение клеток из трехмерных опухолевых сфероидов. Повышенная механическая нагрузка, вызванная повышенной вязкостью, индуцирует связанный с актином белок 2/3 (ARP2/3)-комплекс, зависящий от плотной актиновой сети, который усиливает поляризацию Na+/H+ обмена 1 (NHE1) через его актин-связывающего партнера ezrin. NHE1 способствует набуханию клеток и увеличению напряжения мембраны, что, в свою очередь, активирует переходный рецепторный потенциал катионного ванилоида 4 (TRPV4) и опосредует приток кальция, что приводит к увеличению RHOA-зависимой сократимости клеток. Согласованное действие ремоделирования/динамики актина, NHE1-опосредованного набухания и RHOA-зависимой сократимости способствует усилению подвижности при повышенной вязкости. Клетки рака молочной железы, предварительно подвергнутые воздействию повышенной вязкости, приобретают TRPV4-зависимую механическую память через транскрипционный контроль пути Hippo, что приводит к повышенной миграции у зебрафиш, экстравазации у эмбрионов цыплят и колонизации легких у мышей.
В целом, внеклеточная вязкость является физическим сигналом, который регулирует как краткосрочные, так и долгосрочные клеточные процессы, имеющие патофизиологическое значение для биологии рака.
