Модифицированные адипоциты научились лишать раковую опухоль питательных веществ

Раковые клетки обладают повышенной способностью поглощать и метаболизировать питательные вещества. Она необходима им для того, чтобы выжить в гипоксии и дефицита нутриентов — условиях, характерных для опухолевого микроокружения. Раковые клетки перепрограммируют свои метаболические пути, чтобы эффективнее использовать доступные субстраты (например, глюкозу они метаболизируют путем аэробного гликолиза). Ученые из США воспользовались тем, что выживание клеток опухолей зависит от метаболизма, нетипичного для нормальных клеток, — они модифицировали адипоциты таким образом, чтобы те конкурировали с опухолевыми клетками за питательные вещества. Имплантация таких адипоцитов существенно задерживала прогрессию опухоли.

Для перепрограммирования адипоцитов человека авторы использовали систему активации CRISPR (CRISPRa). С ее помощью они усилили экспрессию UCP1, PPARGC1A или PRDM16 — всех известных генов, участвующих в формировании и функционировании бурого жира. В преадипоциты внедрили гидовые РНК, нацеленные на промотор каждого гена, а также dCas9, лишенную эндонуклеазной активности и слитой с транскрипционным активатором VP64. Вследствие такой модификации адипоциты, дифференцированные из предшественников белых жировых клеток, приобрели характеристики бурого жира. В них значительно возросла экспрессия целевых генов, а также маркерных генов бурого жира, таких как TFAM, DIO2, CPT1b и NRF1. Кроме того, у модифицированных клеток увеличилась скорость потребления кислорода (OCR), которую авторы измерили с помощью анализа Seahorse. При этом также усилилось разобщение дыхания под действием ингибитора АТФ-синтазы.

Полученные адипоциты оказались способны подавлять рост раковых клеток in vitro. Авторы совместно культивировали их с пятью опухолевыми линиями: MCF-7 (ER⁺PR⁺GR⁺ рак молочной железы), MDA-MB-436 (трижды негативный рак молочной железы), SW-1417 (рак толстой кишки), Panc 10.05 (рак поджелудочной железы) и DU-145 (рак простаты). Эксперимент проводили в системе Transwell, которая ограничивает непосредственный контакт клеток и позволяет им свободно обмениваться метаболитами. Через три дня такой культивации во всех пяти линиях наблюдалось значительно меньшее количество клеток, чем в контроле. В раковых клетках значимо ослаблялась пролиферация — на это указал пониженный уровень экспрессии MKI67 и анализ включения бромдезоксиуридина (BrdU).

Присутствие модифицированных адипоцитов изменяло метаболизм глюкозы и жирных кислот в раковых клетках. У них снижалась скорость гликолиза — как базовая, так и максимальная, — и замедлялось поглощение глюкозы. Количественная ПЦР с обратной транскрипцией выявила снижение экспрессии ключевых генов гликолиза (например, GCK и GLUT4). В некоторых линиях также снизилась интенсивность окисления жирных кислот.

Затем способность модифицированных адипоцитов подавлять рост рака изучили на мышах. Под кожу иммунодефицитным мышам (SCID) подсаживали клетки одной из четырех линий — MCF-7, MDA-MB-436, Panc 10.05 или DU-145. Через 6-8 недель рядом с опухолями вживляли органоиды, сформированные из адипоцитов. Спустя еще три недели ученые извлекали органоиды и опухоли для анализа. Все четыре типа опухолей, к которым подсаживали жировые органоиды, были значительно меньше контрольных опухолей — они уменьшались в объеме более чем на 50%. Анализ экспрессии генов и иммунофлуоресцентное окрашивание выявили в опухолях снижение гликолиза, уменьшение уровня гипоксии и ослабление способности к метастазированию. Уровень апоптоза, напротив, возрастал.

Анализ метаболических показателей, проведенный на отдельной группе мышей через шесть недель после вживления им жировых органоидов, показал, что у животных повысилась глюкозотолерантность и возросло потребление кислорода. Уровень инсулина в плазме крови снижался.

Проанализировав состав подсаженных структур, ученые обнаружили повышенное содержание глюкозы в жировых органоидах и сниженное — в опухолях. Уровень промежуточных метаболитов в опухолевой ткани также снижался, если рядом с раковыми клетками в организме мыши находились жировые органоиды. Кроме того, в присутствии модифицированных жировых клеток опухолям удавалось поглотить меньше жирных кислот. Исследователи заключили, что органоиды, полученные из модифицированных адипоцитов, конкурировали с раковыми клетками за глюкозу и жирные кислоты, лишая их необходимых для выживания нутриентов.

Жировые органоиды препятствовали росту опухоли также в мышиной модели тамоксифен-индуцибельного рака поджелудочной железы.

Дальнейшие эксперименты проводились уже не на дифференцированных in vitro адипоцитах, а на клетках, полученных из иссеченной ткани молочной железы. Авторы модифицировали их тем же способом, повысив экспрессию UCP1, и показали, что такие адипоциты подавляют рост рака молочной железы в культуре клеток и в ксенотрансплантатах. Кроме того, модифицированные адипоциты подавляли предраковый фенотип клеток в органоидах молочной железы, которые получили из клеток доноров с наследственной предрасположенностью к раку.

Такм образом, органоиды из клеток с фенотипом бурой жировой ткани можно применять для лечения онкозаболеваний, Описанный в работе способ ингибировать рост раковых клеток, лишив их питания, можно персонализировать — авторы указывают на перспективность аутологичной трансплантации адипоцитов, которые можно модифицировать ex vivo для придания им терапевтических свойств.

Как заморить голодом раковую клетку, воздействуя на метаболизм глутамина