Профессор Дебора Гобердхан рассказывает News-Medical о последних исследованиях своей команды раковых клеток и механизмах, которые они используют для общения и адаптации к стрессу.

Что спровоцировало ваше исследование раковых клеток и их коммуникации?

Меня неожиданно спровоцировали на исследования рака во время моей докторской диссертации, когда я обнаружил несколько замечательных опухолевидных разрастаний у мух, несущих неопознанную мутацию. Виновником оказался мухой эквивалент PTEN, который только что был идентифицирован как главный ген-супрессор опухолей человека.

Мы показали, что PTEN теряется в увеличенных клетках, способствующих этому избыточному росту, и играет центральную роль в передаче сигналов фактора роста. Наши исследования на мухах впоследствии выдвинули на первый план механизм чувствительности к аминокислотам как средство избирательного блокирования роста рака.

Одной из первых целей моей новой исследовательской группы в Оксфорде было определить, как этот механизм работает в клетках человека. Эти исследования показали, что клетки ощущают окружающую их среду, поглощая внеклеточную жидкость посредством процесса, называемого эндоцитозом, а затем обнаруживают питательные вещества, такие как аминокислоты, на поверхности образовавшихся заполненных жидкостью структур, называемых эндосомами и лизосомами.

Между тем, я заинтересовался коммуникацией между клетками посредством случайной идентификации экзосом в железе мухи.

<img alt=" Раковые клетки "height =" 563 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f8%2fshutterstock_392018617.jpg "title =" Раковые клетки "ширина = "1000" />

Изображение предоставлено: Хавьер Регейро / Shutterstock.com

Что такое экзосомы и какова их роль при раке?

Экзосомы представляют собой тип небольших секретируемых пузырьков, окруженных мембраной. До недавнего времени считалось, что они образуются внутри особого класса эндосом, поздних эндосом. Отдельные экзосомы переносят разнообразную смесь молекул, включая белки, РНК и ДНК, к клеткам-мишеням и могут вызывать изменения в поведении этих клеток.

Множество исследований показали, что экзосомы участвуют в адаптации и прогрессировании рака. Например, экзосомы первичных опухолевых клеток могут перепрограммировать нормальные клетки, чтобы поддерживать как локальный рост опухоли, так и отдаленный рост метастазирующих опухолевых клеток. Экзосомы также могут подавлять иммунную систему, из-за чего пациенты хуже реагируют на иммунотерапию.

Улучшение понимания того, как создаются экзосомы и, следовательно, как их можно блокировать, может обеспечить средства предотвращения борьбы раковых клеток с терапией, развития метастазов и воздействия на иммунную систему.

Не могли бы вы описать, как вы проводили свое исследование, которое привело к открытию роли Rab11a-экзосом в развитии рака?

Наше открытие экзосом у мух привело к разработке мощного подхода к изучению их образования и идентификации Rab11a-экзосом как нового типа экзосом человека. Эта модель мухи предоставила простые средства исследования генетического контроля образования экзосом, чему способствуют необычно большие эндосомные компартменты некоторых из ее продуцирующих экзосомы клеток.

Мы смогли впервые увидеть образование экзосом в рассеченной живой ткани с помощью микроскопии с высоким разрешением. Это позволило нам наблюдать мухи-эквивалент Rab11a-экзосом и показать, что они представляют собой отдельный подтип экзосом, расположенный внутри Rab11-рециклирующих эндосом, нового компартмента, генерирующего экзосомы.

Нехватка внешних ресурсов, таких как глутамин, который влияет на гомеостаз раковых клеток, приводит к увеличению продукции Rab11a-экзосом человека. Обычно это происходит в сердцевинных областях со слабой васкуляризацией в растущей опухоли. Переключение на продукцию Rab11a-экзосомы также происходит в ответ на лекарства, которые воздействуют на сенсор микроокружения mTORC1 и снижают уровни сенсора аминокислоты PAT4, который, как мы показали, контролирует активность mTORC1.

Функциональное влияние продукции Rab11a-экзосомы оценивали путем сравнения эффекта добавления препаратов везикул, обогащенных и не обогащенных Rab11a-экзосомами, к наивным клеткам и определения эффекта, например, на рак и рост кровеносных сосудов в культуре клеток и человеческие опухоли, образовавшиеся у мышей, так называемые модели ксенотрансплантатов.

Эта работа также выделила такие молекулы, как AREG, лиганд рецептора фактора роста EGFR, как потенциальный причинный груз, на который можно воздействовать терапевтически. Я возглавляю британскую программу исследований рака, которая поддержала эту работу. Он возник в результате тесного и очень приятного сотрудничества между тремя группами: первая возглавляется профессором Адрианом Харрисом, клиническим онкологом, вторая – профессором Клайвом Уилсоном, генетиком по мухам, и моя собственная, которая ликвидирует разрыв между ними.

Гетерогенность экзосом была очевидна в течение некоторого времени, но до сих пор не было признано, что эндосомное происхождение является ключевым фактором и что изменение условий окружающей среды клетки может привести к изменению подтипа экзосом и межклеточные сообщения, которые они несут.

<img alt=" Экзосома, выделяющая клетки "height =" 750 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f8%2fshutterstock_1213619197.jpg "title =" Экзосома, выделяющая клетки "width =" 1000 "/>

Изображение предоставлено: Meletios Verras / Shutterstock.com

Каким образом экзосомы Rab11a приводят к невосприимчивости одних методов лечения рака и устойчивости других?

Генерация и секреция Rab11a-экзосом подавляются высокими уровнями питательных веществ, особенно глутамина, а также сигналом факторов роста, который часто повышается из-за мутаций в раковых клетках.

Когда рост опухоли опережает доступность питательных веществ или мы блокируем передачу сигналов фактора роста во многих наиболее распространенных методах лечения рака, преимущественно секретируются Rab11a-экзосомы. Они загружены молекулами, которые могут обеспечить дополнительный стимул для роста других раковых клеток в области опухоли, лишенной питательных веществ, а также могут стимулировать рост кровеносных сосудов для увеличения поступления питательных веществ и подавления иммунной системы.

Мы предполагаем, что это приводит к отбору популяций раковых клеток, которые более плодовиты и менее чувствительны к терапии. Эти более агрессивные раковые клетки увеличиваются в количестве и вызывают прогрессирование опухоли.

Верите ли вы, что, определив роль этой экзосомы, мы можем помочь улучшить методы лечения рака и их результаты?

Да. Сейчас у нас есть много лекарств, которые могут блокировать рост опухоли, но очень часто опухоль развивает механизмы резистентности, и при разработке комбинаторных методов лечения важно одновременно бороться с этими смешивающими эффектами.

Разработка способов блокирования секреции Rab11a-экзосом может дать один ответ, или мы сможем идентифицировать другие белки на Rab11a-экзосомах и использовать антитела для блокирования про-онкогенных функций этих везикул.

В то время как наша способность терапевтически воздействовать на Rab11a-экзосомы может развиться через несколько лет, понимание того, как Rab11a-экзосомы работают в механизмах резистентности, может помочь нам адаптировать текущие методы лечения к конкретным пациентам и типам рака с улучшенным исходом для пациентов.

Какое еще потенциальное влияние эта экзосома может оказать на раннее выявление рака и последующее выживание рака?

Главный камень преткновения при анализе экзосом и других внеклеточных везикул – их гетерогенная природа. Идентификация Rab11a-экзосом выдвинула на первый план специфический подтип протанкогенных экзосом с отличными белками и сигнатурами РНК от других экзосом.

По мере того, как наши знания о специфической сигнатуре Rab11a-экзосомы раковой клетки возрастают, возможности обнаружения этих экзосом в жидкостях организма будут увеличиваться, что приведет к более раннему обнаружению с улучшением пользы для пациентов и выживаемости. Имея потенциал для улучшения раннего выявления заболеваний, во всем мире существует множество групп, пытающихся разработать рутинные анализы крови на экзосомы, связанные с раком и другими заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера.

Идентификация Rab11a-экзосом, вероятно, повлияет на эти исследования, потому что она подчеркивает конкретный подтип экзосом, который имеет отношение к заболеванию. Если мы сможем совместно обнаружить несколько маркеров на одном типе экзосом, это повысит специфичность этих анализов крови. Связь между Rab11a-экзосомами и резистентностью опухоли также означает, что их обнаружение может позволить нам определить, какие пациенты будут лучше всего реагировать на конкретное лечение.

<img alt=" Анализ крови "height =" 668 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f8%2fshutterstock_327930536.jpg "title =" Анализ крови "ширина = "1000" />

Изображение предоставлено: Роман Зайец / Shutterstock.com

Какие дальнейшие исследования и информация необходимы, прежде чем мы сможем использовать это исследование для лечения рака?

В долгосрочной перспективе нам необходимо лучше понять, как создаются Rab11a-экзосомы. Комбинация нашей модели образования экзосом мух и подходов к линии раковых клеток человека доказала свою эффективность с помощью нескольких различных механизмов образования экзосом Rab11a, которые уже тестируются.

Эти механистические подсказки будут затем подтверждены на мышах. В краткосрочной перспективе нам необходимо охарактеризовать Rab11a-экзосомы более подробно, чтобы мы могли использовать их в качестве многофакторных биомаркеров. Это будет включать разработку улучшенных методов разделения, таких как специфический захват антителами против поверхностных Rab11a-экзосомных маркеров, а также стандартный метод обнаружения молекул внутри них.

Один из подходов, который разрабатывают несколько групп, в том числе один из наших сотрудников, – это метод, называемый микрофлюидикой. Целью этого метода является разработка простого детектора, для которого требуется менее миллилитра крови пациента, аналогичного тем, которые используются для измерения инсулина в крови.

Каковы следующие шаги в ваших исследованиях экзосом и рака?

Мы продолжаем идентифицировать избирательные способы блокирования Rab11a- и других про-онкогенных подтипов экзосом. Эта работа выделила группы молекул, которые специфически участвуют в образовании Rab11a-пузырьков, что может привести к новым методам блокирования этих пузырьков.

Мы также заинтересованы в определении грузов для различных подтипов экзосом, что может предоставить средства раннего обнаружения рака с улучшенными преимуществами для пациентов. Это включает использование таких подходов, как протеомика и транскриптомика, для скрининга маркеров, которые постоянно присутствуют на Rab11a-экзосомах раковых клеток, но не на более нормальных клетках. Мы также охарактеризуем другие подтипы экзосом у мух перед дальнейшей характеристикой на раковых клетках человека.

В нашей работе уже было несколько побочных эффектов. Благодаря сотрудничеству с группой профессора Мэтью Вуда из Оксфорда мы обнаружили, что молекула, которая, по-видимому, на высоких уровнях связывается с наружной стороной Rab11a- и другими экзосомами (GAPDH), может быть использована в качестве носителя для биомолекул, таких как миРНК. , которые можно использовать в генетической терапии.

Эта технология, кажется, применима к экзосомам из многих источников, с эквивалентной системой, существующей у мух. Путем перепрофилирования экзосом пациентов и, таким образом, избежания проблем с иммуногенностью, это открывает возможность доставки выбранной терапии конкретным клеткам-мишеням пациентов.

Где читатели могут найти дополнительную информацию?

Полную версию статьи можно прочитать в журнале EMBO Journal. В том же номере журнала EMBO Journal опубликован обзор статьи, написанной двумя лидерами в области внеклеточных везикул. Это можно прочитать по этой ссылке: Внеклеточные везикулы: ешьте глютамин и выплевывайте кислые пузырьки.

Более поздние работы, посвященные новому механизму блокировки экзосом Rab11a, можно найти здесь: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.06.18.158725v1

В то время как другие совместные работы предполагают роль GAPDH в повышении терапевтического потенциала внеклеточных везикул в доставке лекарств в мозг: BioRxiv, https://doi.org/10.1101/2020.01.09.899880.

Подробнее об исследованиях профессора Гобердхана можно прочитать здесь https://www.dpag.ox.ac.uk/team/deborah-goberdhan

О профессоре Деборе Гобердхан

Дебора Гобердхан – адъюнкт-профессор клеточной передачи сигналов на факультете физиологии, анатомии и генетики Оксфордского университета, где она возглавляет британскую программу исследований рака, специализирующуюся на передаче сигналов экзосом и других внеклеточных везикул (EV) и ее регуляции стрессом микросреды и его ролью в адаптации раковых клеток. <img alt=" Профессор Дебора Гобердхан "height =" 270 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f8%2fCellComms_Bio. jpg "style =" float: right; "title =" Профессор Дебора Гобердхан "width =" 180 "/>

Она изучала химию в Оксфорде, затем обучалась в Гарварде, Массачусетском технологическом институте и Кентском университете, а затем открыла собственную лабораторию в Оксфорде. Ее группа сделала несколько открытий в фундаментальной биологии рака, связанных с факторами роста и другими сигналами клеток, реакциями на стресс и восприятием питательных веществ.

Ее команда в настоящее время использует совместно разработанную in vivo модель биогенеза экзосом на мухах и дополнительный анализ линий раковых клеток человека для исследования фундаментальных аспектов биологии экзосом и ЭВ с целью клинического применения этих результатов, а также обсуждалось выше. Этот подход обеспечивает дальнейшее понимание подтип-специфичных регуляторов биогенеза экзосом, разработки новых инструментов биодоставки, а также новых внеклеточных мультиплексных сигнальных комплексов, которые они совместно идентифицировали, названных микроносителями.

Дебора активно участвует в объединении работ по ЭВ и экзосомам в Оксфорде через фокус-группу по ЭВ и недавно была избрана в Исполнительный совет Международного общества внеклеточных везикул (ISEV), ведущего профессионального сообщества в области ЭМ. .