Сайт издательства «Медиа Сфера»
содержит материалы, предназначенные исключительно для работников здравоохранения. Закрывая это сообщение, Вы подтверждаете, что являетесь дипломированным медицинским работником или студентом медицинского образовательного учреждения.

Беляшова А.С.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Галкин М.В.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Антипина Н.А.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Павлова Г.В.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Голанов А.В.

ФГАУ «Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко» Минздрава России

Использование клеточных культур для оценки радиорезистентности глиобластом

Авторы:

Беляшова А.С., Галкин М.В., Антипина Н.А., Павлова Г.В., Голанов А.В.

Подробнее об авторах

Просмотров: 3310

Загрузок: 85


Как цитировать:

Беляшова А.С., Галкин М.В., Антипина Н.А., Павлова Г.В., Голанов А.В. Использование клеточных культур для оценки радиорезистентности глиобластом. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2022;86(5):126‑132.
Belyashova AS, Galkin MV, Antipina NA, Pavlova GV, Golanov AV. Cell cultures in assessing radioresistance of glioblastomas. Burdenko's Journal of Neurosurgery. 2022;86(5):126‑132. (In Russ., In Engl.)
https://doi.org/10.17116/neiro202286051126

Рекомендуем статьи по данной теме:
Ко­ва­лен­тно конъю­ги­ро­ван­ный ДНК-ап­та­мер с док­со­ру­би­ци­ном как in vitro мо­дель эф­фек­тив­но­го ад­рес­но­го воз­действия на опу­хо­ле­вые клет­ки гли­об­лас­то­мы че­ло­ве­ка. Жур­нал «Воп­ро­сы ней­ро­хи­рур­гии» име­ни Н.Н. Бур­ден­ко. 2024;(1):48-55
Воз­мож­на ли де­тек­ция по­вер­хностно­го ан­ти­ге­на CD133 на пе­ре­ви­ва­емых куль­ту­рах кле­ток гли­об­лас­то­мы па­ци­ен­тов с по­мощью флу­орес­цен­тных ап­та­ме­ров?. Жур­нал «Воп­ро­сы ней­ро­хи­рур­гии» име­ни Н.Н. Бур­ден­ко. 2024;(1):56-62
По­зит­рон­ная эмис­си­он­ная то­мог­ра­фия в со­че­та­нии с ком­пью­тер­ной то­мог­ра­фи­ей и 11С-ме­ти­они­ном в оцен­ке ме­та­бо­лиз­ма гли­ом го­лов­но­го моз­га. Жур­нал «Воп­ро­сы ней­ро­хи­рур­гии» име­ни Н.Н. Бур­ден­ко. 2024;(1):63-69
Вы­бор ре­жи­ма фрак­ци­они­ро­ва­ния при гли­омах IV сте­пе­ни зло­ка­чес­твен­нос­ти в за­ви­си­мос­ти от быс­тро­го ран­не­го прог­рес­си­ро­ва­ния (REP). Жур­нал «Воп­ро­сы ней­ро­хи­рур­гии» име­ни Н.Н. Бур­ден­ко. 2024;(5):23-29
Но­вая тка­не­вая мо­дель гли­об­лас­то­мы 101.8 в эк­спе­ри­мен­тах на кры­сах: срав­ни­тель­ное ПЭТ-КТ-ис­сле­до­ва­ние с кле­точ­ной ли­ни­ей гли­об­лас­то­мы C6. Жур­нал «Воп­ро­сы ней­ро­хи­рур­гии» име­ни Н.Н. Бур­ден­ко. 2024;(6):54-62
Па­ци­ен­ты с дли­тель­ной вы­жи­ва­емос­тью при зло­ка­чес­твен­ных гли­омах пос­ле фо­то­ди­на­ми­чес­кой те­ра­пии. Жур­нал нев­ро­ло­гии и пси­хи­ат­рии им. С.С. Кор­са­ко­ва. 2024;(6):54-61
Ран­няя хи­ми­оте­ра­пия меж­ду хи­рур­ги­чес­ким вме­ша­тельством и лу­че­вой те­ра­пи­ей при гли­омах 4-й сте­пе­ни зло­ка­чес­твен­нос­ти. Он­ко­ло­гия. Жур­нал им. П.А. Гер­це­на. 2024;(5):12-17
Ан­ти­ген­ные ре­цеп­то­ры в раз­ра­бот­ке CAR-T кле­ток для им­му­но­те­ра­пии гли­об­лас­то­мы. Он­ко­ло­гия. Жур­нал им. П.А. Гер­це­на. 2024;(6):91-95

Введение

Проблема лечения диффузных глиальных опухолей, в частности самых злокачественных их вариантов — глиобластом (ГБ), находится в первом ряду актуальных задач нейроонкологии. Обусловлено это рядом причин. Во-первых, глиобластомы — это самые частые первичные злокачественные новообразования ЦНС. Во-вторых, несмотря на все достижения нейрохирургии, лучевого и лекарственного противоопухолевого лечения, выживаемость пациентов со злокачественными глиомами остается неудовлетворительной. Медиана безрецидивной и общей выживаемости при ГБ составляет только 6,2—7,5 мес и 14,6—20,5 мес соответственно [1, 2]. Эти показатели существенно не меняются на протяжении последнего времени.

Инфильтративный характер роста ГБ препятствует их тотальному удалению, поэтому лучевое лечение имеет большое значение и входит в стандарт первичного лечения, а также применяется при рецидивах [1, 2]. Принципиальная составляющая злокачественного потенциала глиальных опухолей — их радиорезистентность, т.е. устойчивость к лучевому лечению. Основная часть (79—93%) рецидивов злокачественных глиом происходит в пределах объема проведенного лучевого лечения [3, 4]. Исследования не подтвердили увеличения выживаемости пациентов при эскалации дозы в процессе лучевого лечения [5, 6].

Эти факты свидетельствуют о низкой радиочувствительности глиом и обосновывают исследование данного аспекта как потенциальной мишени для терапевтического воздействия. Анализ литературы демонстрирует актуальность этой проблемы и активное ее изучение при помощи клеточных опухолевых линий.

Один из ключевых вопросов, который необходимо рассмотреть при обсуждении использования линий опухолевых клеток, — насколько точно клеточная линия отражает или имитирует опухолевый процесс in vivo. Во многих работах продемонстрирована схожая экспрессия различных значимых биомаркеров. В работе Y. Zhang и соавт. показано, что изменения в пути TP53—ARF—MDM2 определяются в 84% ГБ и в 94% соответствующих клеточных линий [7]. C. Pesenti и соавт. определили схожие геномные аберрации в глиобластомах и клеточных культурах [8]. В других исследованиях отмечены некоторые различия. V.G. LeBlanc и соавт. сопоставляли экзом и транскриптом в 12 глиобластомах, а также в эксплантах и глиомосферах, полученных из этих опухолей [9]. Авторы заключили, что экспланты в большей степени, чем глиомосферы, отражают генетическую гетерогенность, присущую первичной опухоли. J. Lee и соавт. отметили, что культуральная среда может способствовать росту опухолевых стволовых клеток, которые в большей степени отражают основные свойства первичной опухоли [10].

В механизмах, обеспечивающих радиорезистентность ГБ, в том числе при ее прогрессировании, имеют значение несколько ключевых факторов. Среди них можно выделить гипоксию, микроокружение и метаболические особенности опухоли, особенности стволовых клеток глиом, внутриопухолевую гетерогенность, микроРНК, особенности клеточного цикла, а также некоторые аспекты повреждения и репарации ДНК.

Гипоксия

Гипоксия как фактор, влияющий на реакцию клеток млекопитающих на ионизирующее излучение, описана в середине прошлого века [11]. Большая часть повреждений ДНК, вызываемых лучевым воздействием в условиях нормоксии, опосредуется активными формами кислорода. Способность лучевой терапии вызывать окислительный стресс, обусловленный свободными радикалами, снижается в условиях гипоксии, поэтому неудивительно, что гипоксия приводит к развитию радиорезистентности. F. Marampon и соавт. исследовали чувствительность клеточных культур глиобластомы T98G, U87MG, U138MG и U251MG к облучению в условиях гипоксии при воздействии ингибиторов MEK/ERK и HIF-1α. Авторы сделали вывод, что путь MEK/ERK приводит к устойчивой экспрессии каталитической субъединицы ДНК-зависимой протеинкиназы (DNA-PKcs), далее к экспрессии и активации фактора, индуцируемого гипоксией 1α (HIF-1α), который поддерживает радиорезистентность ГБ в условиях гипоксии [12].

В других исследованиях показано, что после включения гипоксией фактора HIF-2α (который в отличие от HIF-1α является специфичным для опухолевых клеток) активируются пути OCT4, NANOG и c-MYC, имеющие большое значение для стволовых клеток. Это, в свою очередь, регулирует самообновление и дифференцировку стволовых клеток, приводит к смене фенотипа в пользу плюрипотентных клеток. Таким образом, гипоксия может вызывать радиорезистентность за счет увеличения «стволовости» популяций клеток глиомы [13]. С учетом специфичной экспрессии HIF-2α в опухолевых стволовых клетках предполагается терапевтическая значимость этой мишени [14].

Микроокружение

Микроокружение играет важную роль в онкогенезе и прогрессировании ГБ, а также в развитии радиорезистентности. Клеточный состав опухолевого микроокружения ГБ включает неопухолевые стромальные клетки, нормальные и реактивные астроциты, фибробласты, внеклеточные и сосудистые перициты, стволовые и иммунные клетки, а также структуры межклеточного матрикса [15]. Все эти клетки и биомолекулы в микроокружении опухоли вносят свой вклад в ответ на облучение [16]. Основную роль в этом процессе играет взаимодействие опухолевых стволовых клеток и микроокружения. Глиальные стволовые клетки находятся в особых «нишах» микроокружения, которые обеспечивают их различными молекулами и факторами, обусловливающими развитие устойчивости [17]. Показано, что клетки эндотелия и стволовые глиальные клетки взаимно стимулируют рост и выживаемость друг друга, в том числе в условиях лучевого повреждения [18, 19].

В нескольких исследованиях выявлено, что клетки глиом, облученные in vivo на моделях ксенотрансплантатов, радиорезистентны, притом что те же клетки, выращенные in vitro, имели большую чувствительность к облучению [20]. Это демонстрирует роль микроокружения опухоли in vivo в развитии радиорезистентности.

Стволовые клетки

Предполагается, что устойчивость глиом к лечению и способность к рецидивированию определяются небольшой субпопуляцией клеток. Инициирующие клетки глиомы устойчивы к лучевому воздействию и напрямую определяют результаты лечения пациентов [21]. Доля этих клеток в первичной опухоли коррелирует с выживаемостью пациентов [22]. Инициирующие клетки глиом отличаются экспрессией группы маркеров, таких как SOX2, OCT4, NANOG, OLIG2, NESTIN, ID1, CD133, CD15, CD44 и A2B5 [23—27]. Доля клеток глиомы, экспрессирующих CD133 (маркер как нервных, так и инициирующих клеток глиом), увеличивается после облучения [28]. В исследованиях C.-J. Chang и соавт. in vitro показана большая выживаемость CD133-положительных клеток после облучения культур [29]. В CD133-положительных инициирующих клетках глиом после облучения преимущественно активируются белки контрольных точек повреждения ДНК, такие как Chk1 и Chk2, которые выполняют репарацию радиационно-индуцированных повреждений ДНК более эффективно, чем это происходит в CD133-отрицательных клетках. Таким образом, повышенная способность к репарации повреждений ДНК, вероятно, частично определяет радиорезистентность CD133-положительных инициирующих клеток глиом [30]. Показано, что стволовые клетки и инициирующие клетки ГБ вносят вклад в радиорезистентность ГБ за счет повышенной активации путей контрольных точек повреждения ДНК и внутренней гиперактивации путей PI3K/AKT и PTEN [31, 32]. Различия в молекулярных и генетических характеристиках разных клеток в пределах одной опухоли вызывают разные ответы на лучевую терапию среди этих популяций. После облучения выжившие радиорезистентные популяции в конечном итоге становятся доминирующими, что приводит к общему увеличению устойчивости опухоли [33].

Внутриопухолевая гетерогенность

Внутриопухолевая гетерогенность является следствием нарушения механизмов поддержания стабильности генома в опухолевых клетках и определяет вариативность ответа на неблагоприятные факторы, в том числе на лучевую терапию. После облучения радиорезистентные популяции в конечном итоге становятся доминирующими, что приводит к общему увеличению устойчивости опухоли [29, 33]. Сообщалось, что клетки с мутацией IDH1 более радиочувствительны за счет эпигенетического подавления активности TIGAR (активированный TP53 регулятор гликолиза и апоптоза). Подавление гена IDH1 и последующее снижения уровня NADPH может улучшить ответ клеток ГБ на облучение [34].

Метаболизм

Изменения метаболизма и митохондриальной биоэнергетики, определяемые в клетках ГБ, способствуют пролиферации и инвазии, а также обеспечивают устойчивость к стандартным методам лечения ГБ. В частности, высокая скорость гликолиза коррелирует с радиорезистентностью ГБ, а выключение гликолитического пути снижает эту устойчивость как in vitro, так и in vivo [35, 36].

Восстановитель NADPH является основным источником электронов для большинства клеточных антиоксидантных систем, опосредованных глутатионом и тиоредоксином, которые играют критическую роль в окислительно-восстановительном метаболизме и определяют устойчивость к многочисленным прооксидантам, в том числе к ионизирующему излучению. В глиобластомах IDH1 дикого типа повышается продукция NADPH в ответ на облучение, что также способствует радиорезистентности. Напротив, нокдаун IDH1 дикого типа снижает уровень NADPH, делая клетки ГБ радиочувствительными in vitro и in vivo [37]. В клетках глиомы отмечается повышенная экспрессия митохондриального протеина семейства АТФаз и АТФ-зависимых митохондриальных калиевых каналов, что также способствует развитию радиорезистентности [38].

МикроРНК

МикроРНК представляют собой небольшие некодирующие РНК, которые обычно подавляют экспрессию генов на посттранскрипционном уровне. Изменения экспрессии некоторых микроРНК отмечены при различных формах рака [39].

Согласно обзору, выполненному H.G. Møller и соавт., в ГБ по сравнению с нормальной мозговой тканью выявляется повышенная экспрессия 235 и снижение уровня еще 95 микроРНК [40]. МикроРНК в ГБ активно влияют на сигнальные пути, связанные с ответом на облучение, и могут быть мишенью для воздействия с целью радиосенсибилизации. Обнаружено, что miR-124 увеличивает радиочувствительность клеток глиомы за счет выключения CDK4 [41, 42]. Избыточная экспрессия miR-1 и miR-221/222 обусловливают радиорезистентность клеток ГБ через сигнальный путь AKT вне зависимости от статуса PTEN. Сигнальный путь AKT модулирует экспрессию каталитической субъединицы ДНК-зависимой протеинкиназы (DNA-PKcs), которая участвует в репарации повреждений ДНК (DDR), тем самым повышая радиорезистентность [43]. Показано, что miR-1, miR-125a, miR-150 и miR-425 повышают радиорезистентность клеток ГБ, влияя на контрольные точки клеточного цикла [44]. Таким образом, эти исследования демонстрируют, что различные микроРНК могут регулировать радиорезистентность ГБ путем модуляции передачи сигналов пути AKT, контрольных точек клеточного цикла и активности репаративного пути DDR.

Клеточный цикл, репарация ДНК и другие молекулярные пути

В нескольких исследованиях получены данные о роли путей репарации ДНК в радиорезистентности ГБ. F. Marampon и соавт. сообщили, что фермент гистондеацетилаза (HDAC4 и HDAC6) в клетке обусловливает радиорезистентность ГБ за счет репарации двухцепочечных разрывов [45]. Повышенная экспрессия интегрина α6 также усиливает радиорезистентность ГБ за счет повышения эффективности репаративного пути DDR [46]. Повышение уровня EGFR и EGFRvIII стимулирует как гомологичную рекомбинацию, так и негомологичное соединение концов, а также активирует ключевой фермент DNA-PKcs, участвуя в репарации двунитевых разрывов ДНК [47].

Один из путей, вовлеченных в формирование радиорезистентности ГБ, это сигнальный путь Notch. Этот сигнальный путь важен для поддержания жизнедеятельности различных клеток, в том числе опухолевых и стволовых [48]. Эффект радиорезистентности реализуется через влияние на пути PI3K/AKT, а выключение сигнальных путей Notch 1 и 2 восстанавливает радиочувствительность стволовых клеткок глиомы [49]. Лучевое воздействие активирует путь AKT в ГБ и тем самым способствует развитию радиорезистентности [32]. Активация AKT может усилить восстановление повреждений ДНК (DDR) за счет разрешения очагов фосфорилированных гистонов (γ-H2AX), тогда как подавление AKT способствует нерепарируемым двунитевым разрывам ДНК в облученных клетках глиомы U251 [31, 47]. В ГБ часто изменена экспрессия гена PTEN — важного компонента в сигнальном пути PI3K/AKT [50]. Утрата или мутация PTEN приводит к активации AKT и, как следствие, к снижению радиочувствительности.

Опухолевый супрессор P53 является одним из наиболее часто дисрегулируемых генов при злокачественных опухолях человека и находится в центре сигнальных путей, ответственных за пролиферацию и выживаемость клеток. Около 40—50% ГБ характеризуются наличием мутаций в гене P53, и отсутствие p53-опосредованного апоптоза может быть фактором резистентности к терапии [51]. Нарушение способности P53 запускать экспрессию p21BAX является также одной из причин развития радиорезистентности в клетках ГБ [52].

Большое значение для формирования резистентности имеет сигнальный путь Wnt. Повышенная экспрессия Wnt/β-катенина коррелирует с агрессивностью ГБ и плохим прогнозом у пациентов [53]. Несколько генов, связанных с сигнальным путем Wnt, включая APC, FZD1, LEF1, TCF4 и WISP1, гиперэкспрессируются в радиорезистентных клетках ГБ [54]. Выключение пути Wnt/β-катенин восстанавливает радиочувствительность клеток ГБ [55].

В исследовании N. Kim и соавт. показано, что пациенты с ГБ и мутацией в гене ATM более чувствительны к проведению радиотерапии [56]. Играя центральную роль в системе репарации ДНК, гены XPC, BRCA2 и ATM определяют устойчивость ГБ к алкилирующим агентам и радиотерапии, а выключение ATM оказывает радиосенсибилизирующий эффект in vivo [56].

A. Balbous и соавт. в своих исследованиях подтвердили важность гена RAD51 в механизмах радиорезистентности стволовых клеток глиом [57]. Ингибирование RAD51 с помощью RI-1 приводило к уменьшению репарации ДНК и способствовало развитию апоптоза после облучения дозой 16 Гр в клетках, в которых выявлен высокий уровень экспрессии RAD51. Инактивация белков SOCS в клетках глиомы после облучения может активировать путь JAK/STAT, который увеличивает радиорезистентность [58].

Заключение

На данный момент многие опухоли ЦНС являются причиной высокой летальности пациентов, несмотря на многочисленные исследовательские усилия, клинические испытания препаратов и разработку методов улучшения результатов лечения.

Использование клеточных культур позволяет перейти к технологиям персонализированной медицины и индивидуального подбора доз и режимов лучевой терапии и химиотерапии. Гетерогенность опухолевых культур, полученных непосредственно от пациентов, является одним из преимуществ по сравнению с классическими линейными культурами, например такими как U87, U251, A172. Культуры, полученные от пациента, позволяют исследовать важные клеточные субпопуляции — инвазивную и неинвазивную фракцию стволовых клеток, а также клетки с повышенной миграционной активностью. В недавнем исследовании Z. Tang и соавт. показано, что «инвазивная» субпопуляция клеточной культуры U87 по сравнению с «неинвазивной» отличается повышенной способностью к репарации повреждений ДНК, снижением процессов апоптоза и увеличением клоногенной выживаемости инвазивных клеток [59]. Изучение этих особенностей опухоли обеспечивает новые подходы к снижению радиорезистентности. Например, перспективным представляется использование облучения с высоким линейным переносом энергии или создание молекул-регуляторов процессов, связанных с инвазией и миграцией опухолевых клеток, что является предметом разработки новых терапевтических стратегий.

Гетерогенность опухолевой культуры проявляется в различной радиочувствительности клеточных субпопуляций. Известно, что стволовые клетки глиом отличаются большей радиорезистентностью, чем другие опухолевые клетки. Получены данные о том, что белок одного из путей репарации — гомологичной рекомбинации RAD51 гиперэкспрессируется именно в стволовых клетках глиом, что приводит к восстановлению повреждений ДНК и восстановлению популяции опухолевых клеток. Соответственно, потенциальный интерес могут представлять молекулы, ингибирующие данный путь восстановления ДНК.

Создание клеточных культур прогрессирующих опухолей, полученных непосредственно от пациента, прошедшего курсы лучевого и химиотерапевтического лечения, позволяет изучать процессы химиорезистентности и радиорезистентности. Проведение геномного и транскриптомного анализа и выявление основных путей, которые задействованы в процессах радиорезистентности, позволит разрабатывать специфически нацеленные на них аптамеры и ингибиторы. Эксперименты на клеточных культурах с облучением позволяют сравнить радиочувствительность культур, полученных от пациентов сразу после первичного удаления опухоли и после многоэтапного лечения. Проведение данных экспериментов требует проработки техники облучения, в частности соблюдения принципов распределения доз в емкостях с клетками, точности подведения доз. В наших экспериментах для этих целей мы использовали специально изготовленный водоэквивалентный фантом для фиксации матрасов и планшетов с клеточными культурами. Использование специально изготовленного водоэквивалентного фантома позволило принципиально увеличить гомогенность и воспроизводимость полученных результатов [60].

Изучение радиосенсибилизаторов остается перспективным направлением для улучшения результатов лечения глиобластом. Необходимы дополнительные исследования механизмов радиорезистентности глиобластом и других опухолей, чтобы улучшить результаты лечения пациентов с этими заболеваниями. Преимущество перевиваемых и частично перевиваемых культур также состоит в том, что данные культуры могут быть использованы для создания ортотопических моделей. Например, линия U87 имеет посредственный инвазивный потенциал in vivo, что обусловливает интерес к перевиваемым клеточным культурам, которые могут содержать клетки с более высокими миграционными и инвазивными свойствами.

Представляется, что создание биоабанка клеточных культур, полученных от пациента при удалении глиобластом и других глиом, может сыграть значительную роль в поиске новых стратегий для улучшения результатов лечения пациентов с опухолями ЦНС.

Работа поддержана грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение №075-15-2021-1343).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Подтверждение e-mail

На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.

Подтверждение e-mail



Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.