Новая цель для борьбы с раком
Существует острая необходимость в новых методах лечения тяжелых и труднодоступных видов опухолей. Ведущий исследователь в области митохондриальной биологии, профессор Варда Шошан-Бармац (Varda Shoshan-Barmatz) из Университета имени Бен-Гуриона в Израиле изучает белок VDAC1, который играет ключевую роль в метаболической и апоптотической адаптации раковых клеток. Возможно, он станет перспективной целью для противоопухооевых препаратов.
Проблема глиобластомы
В большинстве случаев глиобластома начинается с головной боли, которая со временем появляется все чаще, сопровождается тошнотой и рвотой, нарушением зрения. С прогрессированием болезни появляются судороги, нарушения речи, частые перепады настроения, изменения личности. Пациента направляют на магнитно-резонансную томографию: в головном мозге обнаруживаются опухолевые очаги.
Глиобластома – наиболее распространенный вид опухоли мозга. Она характеризуется агрессивным злокачественным течением и практически не отвечает на терапию. В течение 14-36 месяцев после постановки диагноза умирает 88% пациентов, несмотря на хирургическое лечение, таргетированную и лучевую терапию. Низкая выживаемость связана с устойчивостью опухоли ко всем известным методам лечения.
Неоднородная по своему происхождению, глиобластома состоит из популяций разных клеток, одной из которых являются стволовые клетки глиомы. Это самообновляющиеся клетки в составе опухоли, которые могут стать злокачественными. Как правило, они находятся в неактивном состоянии, поэтому устойчивы к химиотерапии, которая нацелена на делящиеся клетки. В таком режиме стволовые клетки «пережидают» лечение. Как только химиотерапия оканчивается, и опухоль почти уничтожена, они пробуждаются и начинают активно делиться. Происходит рецидив опухоли.
Поэтому существует острая нужда в новых методах лечения, которые бы уничтожали опухоль целиком, включая раковые стволовые клетки.
Особенности развития опухоли
Нормальная клетка претерпевает изменения и приобретает несколько характеристик, которые сопровождают ее превращение в злокачественную. Эти приобретенные черты позволяют ей выживать тогда, когда при нормальных обстоятельствах она бы погибла. Клетка приобретает способность производить собственные факторы роста и репрограммировать обмен веществ для поддержки постоянного роста. Кроме того, включаются механизмы, которые позволяют делиться и избегать сигналов программируемой смерти. Этот неконтролируемый рост приводит к образованию массы; как только она достигает определенного размера (приблизительно 2 мм), запускается рост кровеносных сосудов, которые обеспечивают ее питательными веществами и кислородом, необходимыми для увеличения и врастания в окружающие ткани.
Учитывая, что эти механизмы адаптации являются ключевыми для развития рака, нужно понять алгоритмы, необходимые для разработки потенциальных стратегий терапии. В своих исследованиях профессор Шошан-Бармац использует два важных процесса развития и выживаемости клеток, превращающих их в раковые.
Митохондрия – энергетическая станция клеток
Репрограммирование метаболизма и выживание клеток вопреки апоптотическим сигналам являются двумя из нескольких приобретенных признаков раковых клеток, которые осуществляются благодаря перестройке работы важной органеллы – митохондрии.
Митохондрии располагаются в цитоплазме изолированно или рядом с другими органеллами (например, эндоплазматическим ретикулумом), где они взаимодействуют с другими клеточными структурами посредством нескольких механизмов. Они играют фундаментальную роль в метаболизме различных субстратов для получения энергии в форме энергонесущей молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которая необходима клетке для обеспечения жизненно важных процессов.
Митохондрии также выполняют другие функции, включая синтез важных соединений (холестерина и прочих), регуляция кислотности клетки, гомеостаз кальция, сообщение между органеллами, пролиферация и старение клетки, развитие болезней. Поскольку раковые клетки репрограммируют обмен веществ, в том числе за счет митохондрий, Шошан-Бармац исследовала возможность перепрограммирования метаболизма и изменений онкогенных свойств опухоли.
В дополнение к основному назначению в качестве электростанции клетки, митохондрии также имеют решающее значение в регулировании запрограммированной гибели клеток – апоптоза. Это эволюционно сложившийся и генетически регулируемый процесс, который закладывается во время эмбрионального развития и поддерживает гомеостаз в тканях взрослого организма. Апоптоз позволяет эффективно удалять ненужные или опасные клетки. Нарушение регуляции апоптоза связано с многочисленными заболеваниями, включая нейродегенеративные болезни, онкогенез, аутоиммунные расстройства и вирусные инфекции. При раке устойчивость к апоптозу способствует не только росту опухоли, но и устойчивости к традиционным методам терапии, таким как лучевая или химиотерапия. В своей работе Шошан-Бармац описала механизм запуска апоптоза и обнаружила молекулы, участвующие в этом процессе, которые могут стать потенциальной мишенью для противоопухолевой терапии.
VDAC1 – перспективная мишень
Профессор Шошана-Бармац и ее коллеги из Университета имени Бен-Гуриона в Израиле занялись поиском новых методов лечения тяжелых видов рака – глиобластомы, рака печени и других. Они провели исследование, посвященное изучению митохондриального белкового вольт-зависимого анионного канала (VDAC1) как терапевтической цели для лечения рака.
VDAC1 – это барьерный белок, который находится в толще наружной мембраны митохондрий и образует большие поры. Через них происходит транспорт метаболитов и ионов внутрь митохондрий из цитоплазмы и обратно. VDAC1 – это основной регулятор митохондриального и клеточного метаболизма.
Количество VDAC1 значительно повышено в раковых клетках. Группа Шошан-Бармац показала, что он необходим для их развития и выживания. Он также был признан ключевым белком в опосредованном митохондриями апоптозе: он способствует высвобождению межмембранных апоптотических белков в цитоплазму. Таким образом, VDAC1 является потенциальной мишенью для контроля апоптоза.
Важно отметить, что VDAC1 служит узловым белком, обеспечивающим взаимодействие различных компонентов цитоплазмы, эндоплазматического ретикулума, митохондрий и других белков, которые вместе регулируют жизнедеятельность клетки и процесс апоптоза. Наиболее важные из этих белков относятся к семейству гексокиназ – группы ферментов, которые катализируют первую стадию метаболизма глюкозы (гликолиза). Одной из характеристик агрессивных и мало дифференцированных опухолей является высокая скорость гликолиза вследствие чрезмерной экспрессии связанной с VDAC1 гексокиназы в раковых клетках. Потребление глюкозы ими выше, чем у обычных клеток. Эта особенность используется при выполнении позитронно-эмиссионной томографии.
Недавно изменилось понимание роли взаимодействия гексокиназ и VDAC1. Две гексокиназы, гексокиназа-1 (HK-1) и гексокиназа-2 (HK-2) чрезмерно экспрессируются в раковых клетках, и, взаимодействуя с VDAC1, получают прямой доступ к АТФ в митохондриях. Метаболизм глюкозы усиливается. Интересно, что взаимодействие HK-1 и HK-2 с VDAC1 также препятствует апоптозу. Таким образом, эта связь содействует не только репрограммированию метаболизма в раковых клетках, но и их способности уклоняться от апоптоза. Учёные определили участки VDAC1, служащие для взаимодействия с HK-1 и HK-2, и использовали их в качестве основы для разработки белков-ловушек. Взаимодействуя с HK-1 и HK-2, они мешали их контакту с VDAC1 и, таким образом, «нормализовали» раковые клетки.
Новые стратегии лечения рака
Дальнейшие исследования профессора Шошан-Бармац и ее коллег привели к появлению нескольких потенциальных стратегий лечения рака.
Первая стратегия включает поиск, идентификацию и разработку нескольких малых молекул, которые могут активировать апоптотическую активность в клетках. Влияя на HK-1 и HK-2 и опосредованный белком VDAC1 апоптоз, эти молекулы способны приводить к гибели клеток. На их основе фармацевтической компанией ViDAC Pharma был создан экспериментальный препарат, который в настоящее время проходит II фазу клинического исследования для лечения немеланомного рака кожи.
Вторая стратегия включает в себя пептид на основе VDAC1. Это цепь аминокислот, последовательность которых повторяет ту часть белка VDAC1, с которой связываются HK-1, HK-2 и другие антиапоптотические протеины. Было разработано и проверено более 40 версий способных проникать в клетку пептидов. В результате выявлены три наиболее подходящие цепочки – самые короткие, стабильные и эффективные для индуцирования апоптоза в линиях раковых клеток, которые к тому же не оказывали воздействия на здоровые клетки. Эти пептиды протестировали на мышиных моделях рака. Они снижали образование энергии в клетках опухоли, ингибировали пролиферацию и инвазию в окружающие ткани, индуцировали гибель клеток, включая раковые стволовые клетки. Эти эффекты пептиды оказывали независимо от вида опухоли и степени зрелости раковых клеток, здоровые клетки не были затронуты.
Исследования с VDAC1-подобными пептидами были проведены на животных моделях опухолей легких, молочной железы и печени. Во всех экспериментах удалось получить положительный результат: рост опухоли останавливался, метастазирование не происходило. Получены хорошие результаты и в испытании на модели хронического лимфолейкоза. Эта работа была удостоена престижной трехлетней премии Американского общества лейкемии и лимфомы (American Leukemia & Lymphoma Society).
Профессор Шошан-Бармац и ее группа продемонстрировали способность созданного на основе VDAC1 пептида Tf-D-LP4 эффективно индуцировать гибель раковых клеток в группе генетически детерминированной глиобластомы, раковых стволовых клеток из глиобластомы, а также на животных моделях глиобластомы человека. Пептид Tf-D-LP4 способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и оказывать широкое действие, нарушая метаболизм клеток опухоли, резко уменьшая рост опухолевых очагов, снижая инвазивность и пролиферацию и, что важно, увеличивая выживаемости мышей более чем на 5 месяцев (что эквивалентно нескольким годам у людей) после окончания лечения. Таким образом, TfD-LP4 создает инновационную терапевтическую стратегию, которая способна предотвращать репликацию не только зрелых клеток, но и раковых стволовых клеток глиомы в опухоли, снижая частоту рецидивирования и метастазирования.
Третья стратегия основана на чрезмерной выработке VDAC1 при раковых заболеваниях и включает подавление его экспрессии с использованием мелких интерферирующих рибонуклеиновых кислот (siRNA). Вместо того чтобы вмешаться в клеточный метаболизм и активировать апоптоз на уровне белка, исследователи решили остановить его синтез. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является генетическим кодом, определяющим последовательность аминокислот всех белков организма. Гены в составе ДНК копируются на матричную РНК (мРНК), которая затем транслируется в белки. Если прервать этот процесс, белок не будет синтезироваться, и все клеточные функции, связанные с ним, будут утрачены. Были разработаны специфические siRNA (модифицированные для устойчивости) которые прерывают трансляцию белка VDAC1 из его шаблона мРНК. Исследования показали, что это приводит к дефициту VDAC1 и, как следствие, прекращению роста, нарушению производства энергии и остановке аномального метаболизма в раковых клетках. Эксперименты на мышиных моделях рака шейки матки, рака легкого и глиобластомы показали, что siRNA белка VDAC1 ингибирует рост опухоли и вызывает регрессию опухоли.
Используя глиобластому как платформу для доказательства концепции, потенциал siRNA тестировали в нескольких клеточных линиях, в клетках, полученных из организма пациентов, на мышиных моделях подкожной или внутричерепной ортотопической глиобластомы. Остановка экспрессии VDAC1 приводила к значительному подавлению роста опухоли. При помещении внутрь наночастиц siRNA удавалось достичь мозга, где они смогли обратить метаболическое репрограммирование клеток опухоли, прекратили их пролиферацию и трансформировали раковые стволовые клетки глиомы в нормальные нейроноподобные клетки мозга.
Будущие результаты VDAC1-терапии
Профессор Шошан-Бармац продемонстрировала, что белок VDAC1 играет фундаментальную роль в метаболической и апоптотической адаптации раковых клеток. Эти результаты представляют собой крупное достижение в разработке стратегий противоопухолевой терапии, которые способны одновременно влиять на несколько механизмов развития рака. VDAC1 является важной контрольной точкой в онкологии и, следовательно, новой мишенью для терапии с огромным потенциалом. Новые противораковые средства профессора Шошан-Бармац, возможно, окажут широкое терапевтическое воздействие и, как ожидается, приведут к прорыву в лечении не только глиобластомы, но и других видов рака.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Scientia: Professor Varda Shoshan-Barmatz – Mitochondria – A Novel Target in the Fight Against Cancer.