Для гибели под действием паклитаксела раковой клетке нужно потерять 20% ДНК

Химиотерапевтические препараты, влияющие на микротрубочки, такие как паклитаксел, считаются достаточно эффективными и часто применяются в клинической практике. Тем не менее, на паклитаксел отвечают только 41–58% пациентов. Поиски более эффективных препаратов со схожим механизмом действия ни к чему не привели. Американские ученые предположили, что причина в том, что мы неправильно понимаем этот механизм действия.

Долгое время считалось, что паклитаксел и подобные ему препараты останавливают митоз. В результате клетка или погибает, или выходит из митоза без анафазы с образованием тетраплоида. И действительно, именно такой эффект был продемонстрирован in vitro. Проблема в том, что ученые испытывали слишком высокие концентрации препаратов, которые не достигаются в теле пациента. Еще в 2014 году авторы нового исследования  показали, что клинически релевантные концентрации этих химиотерапевтических препаратов не останавливают митоз, но заставляют клетку войти в анафазу и поделиться с образованием мультиполярного веретена деления.

В новой работе исследователи показали, что выявленный ими механизм действия характерен для многих химиотерапевтических препаратов, воздействующих на микротрубочки. Эти препараты индуцируют мультиполярное веретено деления, которое повышает хромосомную нестабильность и приводит к гибели клетки. В других случаях мультиполярное веретено деления преобразуется в почти нормальное биполярное, и клетка выживает. Также исследователи показали, сколько ДНК нужно потерять клетке для гибели, и наметили пути преодоления резистентности.

Сначала авторы проверили, насколько консервативен выявленный ими механизм. Для этого они использовали клетки трижды негативного рака молочной железы и различные концентрации химиотерапевтических препаратов, воздействующих на микротрубочки, включая стабилизаторы микротрубочек (доцетаксел, иксабепилон, эпотилон B) и дестабилизаторы (винбластин, винорелбин, эрибулин). Все препараты индуцировали образование мультиполярного веретена деления при низких концентрациях. Интересно, что дестабилизаторы микротрубочек нокодазон и колцемид не обладали таким эффектом. Эти препараты не используются в клинической практике.

Образование мультиполярного веретена деления показали также у пациентов с раком молочной железы, получавших винорелбин, эрибулин или наб-паклитаксел. При этом митотический индекс не повышался.

Ранее авторы показали на клетках, что оверэкспрессия Plk4, индуцированная доксициклином, вызывает амплификацию центросомы, что способствует образованию мультиполярного веретена деления и гибели дочерних клеток после обработки паклитакселом. Опыты повторили с винорелбином и показали тот же эффект: при низких дозах винорелбина, недостаточных для образования мультиполярного веретена деления, оверэкспрессия Plk4 приводила к тому, что такие веретена деления все же образовывались на ранних этапах митоза, а дочерние клетки гибли.

Если мультиполярное веретено деления сохраняется в прометафазе и анафазе, и в результате образуются три дочерние клетки или более, то более 75% таких клеток погибает в течение 72 часов. Если в результате деления с мультиполярным веретеном образуется всего две клетки, то погибнет половина. И менее 10% клеток погибнет, если мультиполярное веретено исчезает в анафазе. То есть фокусировка мультиполярного веретена и образование биполярного ассоциированы с резистентностью к паклитакселу и винорелбину.

Резистентность часто возникает при приеме препаратов, воздействующих на микротрубочки. Если предотвратить фокусировку веретена, это повысит эффективность терапии. Изучение этого вопроса затрудняет тот факт, что хромосомную нестабильность нельзя оценить напрямую при мультиполярном делении. Авторы показали, что для оценки содержания ДНК и хромосомной нестабильности можно использовать интенсивность флуоресценции гистона H2B.

Содержание ДНК диплоидной клетки до репликации обозначили как 100%, тогда материнская клетка в ходе митоза содержит 200% ДНК. Если мультиполярное веретено деления сохраняется в прометафазе и анафазе, а в результате образуются три дочерние клетки или более, то среднее содержание ДНК в таких клетках составляет 67%. Если клетка вошла в анафазу с мультиполярным веретеном, а образовывались две клетки, то содержание ДНК в дочерних клетках варьирует от 50% до 150%. Фокусировка веретена в анафазе приводит к тому, что содержание ДНК составляет в среднем 100%. Потеря в среднем 20% ДНК означает гибель клетки. Если клетка приобретает 20% ДНК или более, то погибает 30%.

Предыдущие опыты провели на диплоидных клетках с p53 дикого типа. Полиплоидные клетки теоретически могут быть резистентными к потере ДНК. Однако опыты с полиплоидными клетками, содержащими мутантный p53, показали схожие результаты.

Исследователи предположили, что чувствительность резистентных клеток можно повысить с помощью другого препарата, вызывающего хромосомную нестабильность. Однако неясен критический уровень хромосомной нестабильности. Ранее уже было показано, что частичное ингибирование белка CENP-E препаратом GSK923295 обладает синергическим летальным действием с паклитакселом. Оказалось, что при ингибировании CENP-E становится смертельной потеря всего 6% ДНК. Это соответствует нарушению сегрегации трех или четырех хроматид. То есть повышение хромосомной нестабильности до того уровня, который приводит к потере 3–4 хроматид на диплоидный геном, достаточно для повышения чувствительности клеток к паклитакселу или винорелбину.

Авторы подчеркнули, что предыдущие работы по поиску препаратов, останавливающих митоз, были основаны на неправильном понимании механизма действия паклитаксела и других соединений. Именно поэтому так много клинических оснований препаратов, прекрасно действующих in vitro, закончились неудачей. Новое понимание механизмов действия поможет в разработке следующего поколения препаратов.

Обнаружены четыре гена, отвечающие за резистентность опухолей к химиотерапии