Ихилов Израиль
Топ Ихилов
Официальный сайт
Израиль, Тель-Авив, ул. Вайцман 14
Иврит: +972-37621629 Русский: +7-4957773802 Прошу перезвонить

Позвонить в Топ Ихилов

Ранняя инфильтрация клеток врожденного иммунитета в печень истощает HNF4a и способствует внепеченочному канцерогенезу

Израильские исследователи нашли способ прогнозировать степень похудения онкологических пациентов

Согласно новому исследованию, синдром истощения — смертельный побочный эффект рака — можно диагностировать и лечить на ранней стадии.

В новом исследовании группа ученых во главе с профессором Айелет Эрез из Научного института Вейцмана показала, как раковые опухоли используют иммунный ответ человеческого организма для собственной выгоды, в то время как тело хозяина голодает. Этот разрушительный эффект, известен как синдром истощения. Ученые предлагают метод прогнозирования потери веса, вызванного раком, и указывают путь к разработке возможных методов лечения.

Авторы: О. Голдман, Литаль Н. Адлер (департамент молекулярной клеточной биологии Инсттута Вейцмана), Э. Хаджай (департамент наук о мозге Института Вейцмана), Т. Кроезе, Н. Дарци, С. Галаи, Х. Тишлер, Я. Ариав (департамент молекулярной клеточной биологии Инсттута Вейцмана), Д. Лави (медицинский факультет Тель-Авивского университета), Л. Феллус-Альягор, Р. Орен, Ю. Кузнецов (департамент ветеринарных ресурсов Института Вейцмана), Э. Давид (департамент системной иммунологии Института Вейцмана), Р. Яшек (департамент компь.терных наук и прикладной математики Института Вейцмана), Х. Стоссель (Институт онкологии МЦ Шиба), О. Сингер, С. Малитский(департамент наук о жизни Института Вейцмана), Р. Барак (онкологический департамент МЦ Ихилов), Р. Сегер (департамент иммунологии и регенеративной биологии Института Вейцмана), Н. Эрез (медицинский факультет Тель-Авивского университета), И. Амит (департамент системной иммунологии Института Вейцмана), А. Танай (Институт онкологии МЦ Шиба), А. Саада (университет Сунгункван, Корея), Т. Голан (Институт Вейцмана), Т. Рубинек (департамент генетики, МЦ Хадасса), Чу Сан Ли (университет Сунгункван, Корея), Шай Бен-Шахар (Исследовательский институт больничной кассы Клалит), И. Вольф (департамент генетики, МЦ Хадасса), А.Эрез (департамент молекулярной клеточной биологии Инсттута Вейцмана).

Значимость исследования

Рост опухоли требует постоянного поступления питательных веществ с самых ранних стадий заболевания. Мы обнаружили, что опухоль расширяет свое воздействие на печень хозяина, чтобы получить питательные вещества и перенастраивает системный и тканеспецифический метаболизм на ранних стадиях карциногенеза. Сохранение печеночного метаболизма ограничивает рост опухоли и улучшает исходы при раке.

Введение

Печень взаимодействует со всеми органами нашего организма и с опухолью, как непосредственно с помощью сигнальных молекул, так и косвенно через иммунную систему. Особое внимание следует обратить на то, что печень также является иммуногенным органом, содержащим разнообразные резидентные иммунные клетки, которые могут реагировать на системные или тканеспецифические уязвимости, связанные с иммунной системой, путем выработки белков острой фазы, компонентов комплемента, цитокинов и хемокинов. Недавние исследования показывают, что иммунная система может оказывать селективное воздействие на нормальные ткани, способствуя развитию раковых особенностей.

Неограниченный рост опухоли требует постоянного поступления глюкозы, аминокислот и жирных кислот. Эти потребности в питательных веществах достигаются путем перепрограммирования обмена веществ в опухоли и ее микроокружении. Раскрытие этих взаимодействий привело к синергетической терапии, объединяющей химиотерапию с применением препаратов, направленных на метаболические зависимости между опухолью и микроокружением. Кроме микроокружения опухоль связывается с организмом с помощью сетей нервов, кровеносных и лимфатических сосудов и расширяет свое воздействие с микроокружения на внешние органы, такие как печень. В результате опухоль может нарушать тканеспецифический обмен веществ и вызывать системное перепрограммирование обмена веществ, что потенциально способствует развитию рака.

Поскольку печень является центральным метаболическим органом, необходимым для поддержания гомеостаза организма, она ощущает и реагирует на системные изменения уровня питательных веществ, обеспечивая тканеспецифическую адаптацию, поддерживающую системное равновесие. На клеточном уровне гепатоциты играют важную роль в углеводном, белковом, аминокислотном и липидном обмене веществ. Некоторые из этих метаболических реакций характерны преимущественно для печени, такие как полный цикл уреи (UC), который утилизирует избыток азота в форме аммиака, превращая его в мочевину. Ранее мы обнаружили признаки сниженной активности цикла уреи в печенях мышей, больных раком груди 4T1, и в плазме детей с раком, что подтверждает потенциальное метаболическое взаимодействие между экстрапеченочными опухолями и печенью. Эти результаты вынудили нас разгадать, как рак регулирует обмен веществ в печени и зачем.

Результаты

Типы рака, не относящиеся к печени, вызывают ранние изменения обмена веществ в печени во время карциногенеза.

Для оценки изменений обмена веществ в печени во время карциногенеза не гепатических раков мы использовали ортотопическую модель рака молочной железы 4T1-luciferase, которая редко метастазирует в печень. Этот подход позволил нам разграничить изменения обмена веществ в печени, вызванные первичной опухолью, от тех, которые инициируются метастазами. В качестве контроля возможных побочных эффектов, связанных с ортотопическим введением раковых клеток, мы вводили мышам фальшивую физиологическую соль, а также использовали мышей модели MMTV-PyMT, которая является генетической моделью автохтонного рака молочной железы.

Мы анализировали ферменты и промежуточные продукты цикла уреи как показатель изменений обмена веществ, специфичных для печени, у хозяина в течение первых 3 недель карциногенеза. Мы исключили аргиназу I из анализа, чтобы точно разграничить цикл уреи от обмена азотом. Кроме того, сертифицированный патолог анализировал и исключал наличие метастазов в печени на всех экспериментальных временных точках.

В модели 4T1 рака молочной железы мы обнаружили уменьшение экспрессии ферментов цикла уреи в печени хозяина, начиная с 4-го дня после ортотопического введения опухоли. Уменьшение экспрессии ферментов цикла уреи динамично изменялось в течение 3-х недель, как по магнитуде снижения, так и по количеству вовлеченных ферментов. Интересно, в генетической модели MMTV-PyMT рака молочной железы также наблюдалось снижение уровней экспрессии ферментов цикла уреи по сравнению с контролем, исключая возможность, что введение вызвало изменение уровней экспрессии цикла уреи.

Для проверки значимости результатов по экспрессии цикла уреи для его функции мы провели живую инфузию 15N2-меченой глутамина и измерили отношение меченой мочевины к глутамину и глутамату. Мы обнаружили, что оба этих отношения снижены в плазме мышей с раком молочной железы и, более того, в печени. В то же время общий глутамат был повышен, а отношение меченой мочевины к глутамату было снижено у мышей с 4T1 опухолью, подтверждая дисфункцию цикла уреи. Кроме того, мы измерили уровни связанных с циклом уреи прекурсоров — глутамата и аспартата, а также конечного продукта — фумарата в плазме и печени 4T1.

Как и ожидалось от дисфункционального цикла уреи, мы обнаружили повышенные уровни прекурсоров цикла уреи, в то время как уровни фумарата, продукта цикла уреи, были снижены. Мы также обнаружили повышенные уровни аммиака в плазме и сниженные уровни мочевины в моче, подтверждающие нарушение цикла уреи. Интересно, что уровни 15N2-меченого аспартата были ниже в опухоли по сравнению с его уровнями в плазме и печени, но отношение меченого урацила, конечного продукта, синтезируемого из аспартата, было выше в опухоли, что указывает на использование аспартата для синтеза нуклеотидов.

Действительно, высокие уровни прекурсоров цикла уреи и сниженные уровни продуктов цикла уреи, обусловленные уменьшением функции цикла уреи в печени хозяина, прямо способствуют пролиферации раковых клеток. Интересно, что экс-виво добавление аммиака снижало выживаемость и активацию T-клеток, извлеченных из селезенки диких мышей. Таким образом, перепрограммирование цикла уреи в печени во время карциногенеза может способствовать росту опухоли, увеличивая доступность субстратов для ее роста и уменьшая системный иммунный ответ.

Для общей оценки того, влияет ли рак на специфические для печени метаболические пути, отличные от цикла уреи, мы провели секвенирование РНК гепатоцитов, выделенных из промытых печеней диких мышей и мышей, больных раком молочной железы 4T1, в 4-й и 21-й дни после введения раковых клеток. В подтверждение наших предыдущих результатов мы обнаружили снижение экспрессии ферментов цикла уреи, таких как аргининосукцинат-синтетаза (ASS1), орнитин-транскатбамилаза (OTC) и карбамоилфосфатсинтетазы I (CPS1), а также значительную и отличительную подпись генной экспрессии на 21-й день заболевания. В этой подписи мы обнаружили снижение экспрессии нескольких других ферментов, участвующих в центральных метаболических путях, что подтверждает общую репрограммирование метаболизма гепатоцитов во время карциногенеза. Дальнейший анализ РНК-последовательности гепатоцитов показал, что не все гены печени изменяют свою экспрессию, что подтверждает специфичность изменений в метаболических генах. Интересно, что общие изменения в метаболизме печени ассоциировались с значительным повышением уровней AST.

Поскольку несколько из измененных метаболических путей, включая цикл уреи, зависят от должного функционирования митохондрий, мы оценили, снижается ли их функция или количество в результате карциногенеза. В изолированных митохондриях мы обнаружили снижение активности комплексов дыхательной цепи, которые включают субъединицы, кодируемые митохондриальной ДНК (I, II-III, IV), по сравнению с сукцинатдегидрогеназой (SDH, комплекс II), который полностью кодируется ядерной ДНК. Это находка была подтверждена наблюдаемым снижением уровней митохондриальной ДНК в печени мышей с раком молочной железы.

Чтобы лучше понять нарушение митохондриального метаболизма, мы проанализировали уровни белков и РНК фактора транскрипции митохондрий А (TFAM), который регулирует уровни и транскрипцию митохондриальной ДНК, и обнаружили его значительное снижение в печени мышей с раком молочной железы. Однако общее количество митохондрий, оцененное по активности цитратсинтазы в гомогенате печени, не изменялось. Таким образом, вероятно, что транскрипционные изменения вызывают наблюдаемые метаболические изменения, а не истощение митохондриальной ДНК.

В целом наши данные свидетельствуют о том, что в моделях мышей с раком молочной железы происходят ранние транскрипционные изменения в экспрессии метаболических ферментов, вызывающие глобальные изменения в метаболизме печени на уровне путей и органелл.

В ходе изучения того, что потенциально вызывает такое раннее и обширное перестройство метаболизма, мы сначала исследовали печень на морфологические изменения после ортотопического введения клеток рака молочной железы. Интересно, что мы обнаружили признаки инфильтрации иммунных клеток в печень уже на 4-й день после введения клеток рака молочной железы, и их количество увеличивалось по мере развития болезни. Анализ методом проточной цитометрии (FACS) также подтвердил постепенное увеличение популяции иммунных клеток (CD45+) в печени мышей с раком молочной железы с 0-го до 21-го дня (дополнительная фигура S2A). Значительное количество иммунных клеток также обнаружено при исследовании гистологических срезов печени в генетической модели рака молочной железы MMTV-PyMT по сравнению с печенью диких мышей, что подтверждает, что инфильтрация иммунных клеток в печень не вызвана реакцией на введение клеток рака.

Для определения типов иммунных клеток, проникающих в печень, мы провели одноклеточное секвенирование РНК (scRNA) не-паренхимальных клеток печени. Мы также использовали метод цитометрии времени полета (CyTOF) для подтверждения результатов на уровне белков. С использованием обеих технологий мы обнаружили значительное снижение инфильтрации лимфоцитов и увеличение количества врожденных иммунных клеток — нейтрофилов и моноцитов, проникающих в печень. Снижение числа лимфоцитов в печени может быть результатом лимфопении крови, вызванной повышенным содержанием аммиака, что, возможно, связано с повышенной чувствительностью к повышенному уровню аммиака.

Напротив, увеличение инфильтрации врожденных иммунных клеток в печень было описано во время формирования предметных метастатических ниш или может быть связано с внемозговым гемопоэзом, вызванным воспалением. Мы исключили возможность внемозговой гемопоэза, так как не обнаружили эритроциты, мегакариоциты и молодые гранулоциты в печени. Вместо этого мы обнаружили значительное увеличение числа зрелых нейтрофилов (CXCR2+) и снижение числа нейтрофилов без экспрессии CXCR2. Кроме того, анализ методом проточной цитометрии исключил нарушение костного мозга и показал значительное созревание нейтрофилов, что коррелировало с существенным повышением уровня гранулоцитарного колониестимулирующего фактора (G-CSF) в плазме.

Возможно, инфильтрация иммунных клеток в печень во время канцерогенеза увеличивает подверженность печени формированию поздних метастазов. Тем не менее, наши данные указывают на то, что вовлечение печени на этом раннем этапе скорее связано с системным воспалительным ответом.

Наше scRNA-исследование показало, что нейтрофилы в печени могут быть объединены в четыре подгруппы на основе значительных различий в экспрессии генов в течение времени канцерогенеза. Подгруппа 1 нейтрофилов, обнаруженных в печени на 4-й день, вероятно, представляет незрелые нейтрофилы на основе высокого уровня экспрессии генов созревания и хемотаксиса, генов гранул и повышенных уровней воспалительного маркера IL1β.

После трех недель канцерогенеза мы обнаружили, что в печени накапливаются более зрелые нейтрофилы в больших количествах. Кроме того, измерение уровней цитокинов в плазме мышей с раком молочной железы продемонстрировало значительное увеличение уровней IL-6 и TNF-α, что подтверждает предположение о том, что онкогенез индуцирует системный воспалительный ответ, вовлекающий печень. Поскольку обычно сложно обнаружить прямое повышение уровня РНК секретируемых цитокинов в scRNA-данных на образцах in vivo, мы проанализировали данные на предмет увеличения уровня экспрессии АНКСА1 (ANXA1), который известно, что вызывается IL-6, в макрофагах на 21-й день.

Хемокин CCL2 и его основной рецептор CCR2 связаны с патогенезом воспаления и рака. Действительно, мы обнаружили повышенные уровни CCL2 в печени, плазме и селезенке мышей с раком молочной железы в первую неделю после введения клеток рака, а также в меньшей степени в легких. Интересно, что, в то время как уровень CCL2 в плазме у мышей с раком молочной железы по сравнению с здоровыми мышами оставался постоянным, относительное повышение CCL2 в печени мышей с раком молочной железы продолжало увеличиваться в течение всего протекания рака. Кроме того, мы обнаружили увеличение числа клеток с экспрессией CCR2 в печени и повышение экспрессии генов, участвующих в миграционных путях, в моноцитах, проникающих в печень.

Таким образом, после канцерогенеза происходит раннее индукцирование системного иммунного ответа, в котором иммунные ткани, такие как печень, вырабатывают все больше CCL2, что приводит к инфильтрации иммунных клеток в различные органы.

Выводы

Множество исследований выявили метаболические изменения в опухоли и ее микроокружении в процессе карциногенеза. Однако механизмы, с помощью которых опухоль влияет на общий метаболизм организма, пока неясны. Мы обнаружили, что системное воспаление, вызванное раком, приводит к инфильтрации миелоидных клеток в печень на ранней стадии экстрапеченочного карциногенеза. Внедряющиеся иммунные клетки, через взаимодействие между иммунной системой и гепатоцитами с использованием IL-6-pSTAT3, вызывают истощение мастер-регулятора метаболизма HNF4α, что в конечном итоге приводит к системным метаболическим изменениям, способствующим пролиферации рака груди и поджелудочной железы и ухудшению прогноза. Сохранение уровня HNF4α поддерживает печеночный метаболизм и ограничивает карциногенез.

Стандартные биохимические тесты печени могут выявить ранние метаболические изменения и предсказать исходы и потерю веса пациентов. Таким образом, опухоль вызывает ранние метаболические изменения в своем макроокружении, что имеет диагностическое и потенциально терапевтическое значение для хозяина.

Другие актуальные исследования:

Дата публикации: 25.05.2023
Работаем без выходных: 24/7
Обслуживание на трех языках: иврит, русский и английский
Введите ваши данные и врач клиники перезвонит вам в течение часа
Whatsapp
с врачом клиники 24/7 Получить точную стоимость лечения
×
×
×
×
×