Чашка Петри исказила биохимию метастазирующих клеток

Американские ученые сняли документальный фильм о поведении раковой клетки в объеме. Главная героиня сюжета, созданного с помощью микроскопа и специальной камеры, путешествует не по плоской поверхности чашки Петри, а по толще коллагенового геля. Как показали наблюдения, алгоритм перемещения в трехмерном пространстве значительно отличается от движения на плоскости. Значит, чтобы лечить метастазирующие опухоли, ученым придется учитывать и правила движения, которым следует раковая клетка.

Путешествие в объем

Борьба с онкологическими заболеваниями -- один из немногих вопросов, который волнует большую часть человечества. Знания о метастазах основаны на исследованиях, которые проводились в традиционной чашке Петри, то есть в двумерном пространстве. Известно, что для движения на плоской твердой поверхности (стекло) раковая клетка использует специальные адгезивные белки. В экспериментах в чашке Петри раковые клетки приобретали некоторое сходство с амебами и образовывали специальные выросты -- псевдоподии. С их помощью метастазы образуют плотный контакт с поверхностью -- фокальные адгезии -- и перемещаются, то прилипая, то отлипая от нее.

Сотрудники Центра онкологического инжиниринга при Университете Джона Хопкинса (Engeneering in Oncology Center, Johns Hopkins University) и ученые из Университета Джорджа Вашингтона (Washington University in St. Louis) под руководством Стефани Фрейли (Stephanie Fraley, doctoral student in Chemical and Biomolecular Engineering) исследовали движение раковой клетки в трехмерном пространстве. Результаты эксперимента опубликованы в статье A distinctive role for focal adhesion proteins in three-dimensional cell motility, которая выходит в журнале Nature Cell Biology.

Для эксперимента ученые насытили питательную среду коллагеном. Известно, что рак распространяется не только по поверхности пораженного органа, но и уходит вглубь, проникает в пространство между здоровыми клетками и «дает ростки» во всех направлениях. В качестве «путеводителя» метастазирующие клетки используют нити внеклеточного матрикса. И чтобы максимально приблизить условия эксперимента к физиологическим, ученые пронизали гель микроволокнами, которые имитировали межклеточный матрикс.

Исследователи поместили отдельные раковые клетки в коллагеновый гель и перемешали его. Далее, используя микроскопы, ученые следили, как метастазирующая клетка поднимается на поверхность геля. Оказалось, что она своими «клешнями» тянется к микроволокнам и образует краткосрочные контакты, которые невозможно измерить. Она отталкивается от одного из волокон лишь в том случае, если коснется другого. Клетку можно сравнить с путешественником, который пробирается сквозь заросли леса и хватается за ветки, пытаясь найти путь.

Исследователи отмечают, что клетка может и «передумать». Иногда метастазы возвращаются назад или меняют направление движения. Как показало исследование, поведение клетки зависит от наличия адгезивных белков. Так, если в организме активирован ген, отвечающий за синтез белка зиксина, то раковая клетка перемещается в ограниченном ареале, но в разных направлениях. Если отмеченный ген «отключен», метастазирующая клетка путешествует по прямой и уходит далеко от первоначальной опухоли. То есть без зиксина она срывается с цепи и мчится, куда глаза глядят.

Получается, что в объеме раковая клетка использует адгезивные белки не так, как на плоскости. Она не образует плотных и долгосрочных контактов, которые можно зафиксировать и изучить. Тем не менее присутствие белка значительно изменяет поведение клетки. По словам ученых, механизм влияния адгезивных белков пока не ясен.

Клетка на блюде

Выводы ученых очевидны, хотя и довольно неприятны для других исследователей. В большинстве ранее проводившихся исследований использовались чашки Петри. Но, соприкасаясь с поверхностью стекла, клетка имела плотный контакт и перемещалась подобно амебе. Как показал трехмерный эксперимент, метастаз вообще предпочитает избегать «надежных связей» и образует слишком небольшие и непродолжительные контакты, которые невозможно зафиксировать. Возможно, отличия есть и в других механизмах. Авторы работы отмечают, что в трех измерениях раковая клетка принимает форму, которая радикально отличается от описанной в двумерных экспериментах. В частности, клетки не образуют псевдоподий и пробивают путь сразу в нескольких направлениях. Это значит, что часть знаний о механизмах жизнедеятельности раковых клеток и, как следствие, биохимии процессов ошибочны.

Стефани Фрейли намерена исследовать влияние механосенсорных белков на поведение раковых клеток. А ее научный руководитель доктор Дэнис Виртз (Denis Wirtz) уверен, что это исследование поможет разобраться с тем, как лекарства должны «гоняться» за метастазами.