Нейробластома является наиболее распространенной солидной опухолью детского возраста и на нейробластому приходится до 15 % всех детских смертей от рака [10]. Нейробластома представляет собой опухоль, возникающую из незрелых клеток эмбриональной симпатической нервной системы. Под действием различных факторов клетки нейробластомы могут пролиферировать, дифференцироваться или дедифференцироваться, а также погибать по механизмам некроза или апоптоза [17]. Существуют и периферические виды нейробластомы, возникающие в надпочечниках или в забрюшинных ганглиях, в кости и в костном мозге [19].
Клетки нейробластомы являются классической экспериментальной моделью для исследования механизмов пролиферации, дифференцировки и апоптоза. По данным PubMed еженедельно выходит не менее 2-х обзоров о нейробластоме, а общее количество публикаций приблизилось к 37.000, увеличиваясь ежегодно почти на 1500 штук.
Корреляция между гистологическими и генетическими признаками у клеток нейробластомы отмечалась многими исследователями и клиницистами. Развитие и патогенез эмбриональной нервной системы связан главным образом с Wnt сигнальным путём. В клетках нейробластомы ингибирование Wnt сигнализации блокирует пролиферацию и способствует дифференцировке, а гиперактивация Wnt сигнализации направляет раковые клетки к апоптозу [13]. Ранее нами было показано, что клетки мышиной нейробластомы N1Е -115 проявляют чувствительность к широкому кругу биологически активных веществ [4, 5], а также к ионному составу культуральной среды [2, 3]. Однако остаётся вопрос, какие метаболические пути являются общими как для множества биологически активных веществ, так и для неорганических ионов, являющихся компонентами культуральных сред.
Целью работы является поиск мишеней, на которых совмещаются влияния многообразных экзогенных биологически активных веществ и неорганических ионов.
Морфология клеток нейробластомы мыши N1Е -115
Клетки нейробластомы культивировали при 37°С в среде DМЕМ (Sigma, США) с добавлением 10 % эмбриональной сыворотки (Fetal Bovine Serum, Flow Laboratories, Великобритания). Плотность посева в пластиковых флаконах (50 мл) составляла 104 клеток на см2 при объёме среды 5 мл. Через сутки после обычного пересева среду меняли на обычную среду DМЕМ без сыворотки [4,5]. Исследования клеток проводили методом прижизненного наблюдения c использованием микроскопа.
Рис. 1. Типичная морфология пролиферирующих (А), дифференцированных (Б) и погибших (В) клеток нейробластомы
Адгезированные к поверхности клетки округлой или овальной формы, с наличием коротких отростков или без отростков определяли как пролиферирующие (рис. 1А). Критерием дифференцировки клетки было увеличение размеров и появление длинных аксоноподобных отростков (рис. 1Б). Погибшие клетки определяли как клетки округлой формы или деформированные с фрагментированной структурой ядра и цитоплазмы, как правило не адгезированные к поверхности (рис. 1В).
Влияние фармакологических препаратов на клетки нейробластомы
Ранее были иисследованы процессы пролиферации и морфологической дифференцировки клеток нейробластомы под действием аверсектина С, диметилсульфоксида (ДМСО) и форсколина [4]. Доля дифференцированных клеток, обусловленная применением этих веществ в сублетальных концентрациях, через пять суток культивирования достигала 50 %. Эффект мелатонина на клетки нейробластомы зависел от концентрации в диапазоне 10–8М до 10–3М и приводил к торможению пролиферации и индукции дифференцировки [5, 6]. Некоторые растительные препараты также ингибируют пролиферацию и индуцируют дифференцировку [22]. Аналогичное действие на клетки нейробластомы оказывал препарат растительного происхождения, полученный из синюхи голубой Polemonium coeruleum L. [21].
Приведённые экспериментальные данные свидетельствуют о том, что описанные морфологические изменения наблюдались при использовании сублетальных концентраций самых различных веществ, которые активируют или ингибируют различные сигнальные пути, в частности, Wnt сигнализацию или МАРК/ERK сигнальный путь [12, 13]. Отметим, что морфология пролиферирующих, дифференцированных или погибших клеток практически не зависит от природы действующего фактора. Более того, ниже будет показано, что процесс дифференцировки сопровождается закономерным изменением ионного состава внутриклеточной среды.
Влияние неорганических ионов на клетки нейробластомы
В наших экспериментах дифференцировка клеток нейробластомы NIE-115 происходила только на бессывороточных средах. Были выявлены зависимости скорости дифференцировки клеток от осмотичности среды, концентрации ионов Na+, значения рН, содержания аминокислот и углеводов в культуральной среде. Показано, что быстрая дифференцировка приводит к быстрой гибели клеток, а максимальную длительность жизни дифференцированных клеток обеспечивали среды, время дифференцировки в которых было сопоставимо с длительностью клеточного цикла [2, 3]. В рамках нашей теоретической модели дифференцировка клеток нейробластомы происходила при вполне определённых значениях внутриклеточных активностей неорганических ионов Na+, K+, Ca2+и рН [1]. При этом неудивительно, что некоторые фармакологические препараты, непосредственно влияющие на распределение неорганических ионов между клеткой и средой, в частности, эндогенный сердечный гликозид оуабаин, действуя на Na+/К+ – АТФазу, вызывает у злокачественной нейробластомы человека обратимую остановку клеточного цикла в S-G2 фазе и увеличение содержание Na+ в цитоплазме, что активирует открытие Ca2+-каналов и вхождение Ca2+ в клетку [16]. Отметим, что уже в течение первого часа инкубации культивируемых клеток с оуабаином ингибирование Na+/К+ – АТФазы приводило практически к полной деполяризации плазматической мембраны клетки [8]. В клетках нейробластомы N2A имеются два типа потенциалзависимых К+ -каналов, которые ингибируются 4–аминопиридином и тетраэтиламмонием. Ингибирование калиевых потоков в этих каналах блокирует дифференцировку, в частности, нейритогенез, вызываемый внутриклеточным цАМФ [18].
Ионы кадмия Cd2+ нарушают гомеостаз свободного внутриклеточного кальция Са2+, что приводит к апоптозу в различных клетках, в том числе в первичной культуре нейронов мыши. Cd2+ ингибирует активность Na+/К+ – АТФазы, Са2+ – АТФазы и Mg2+ – АТФазы, нарушает транспорт Са2+ в эндоплазматическом ретикулуме, вызывая рост внутриклеточного Са2+, и активацию апоптотического сигнального пути в митохондриях [25]. Триоксид мышьяка As2O3 при концентрации порядка 0,5×10–6М также вызывает доз-зависимое ингибирование пролиферации, а при концентрациях выше 1,5×10–6М приводит к апоптозу клеток нейробластомы [11]. Известно, что мышьяк As3+ участвует в окислительно-восстановительных реакциях: окислительном распаде сложных углеводов, брожении, гликолизе и т. п. Возможно, что As3+ конкурирует с ионами Са2+ за соответствующие центры связывания на ферментах.
Все изменения основных параметров ионно-осмотического гомеостаза в процессе дифференцировки, которые были описаны в приведённых выше независимых экспериментах, могут быть описаны в рамках простейшей модели, учитывающей активный транспорт ионов Na+ и K+ [9].
Комплексообразование ферментов с ионами
Регуляция функциональной активности посредством комплексообразования с ионами металлов играет ключевую роль во многих ферментативных реакциях. До 40 % всех, исследованных на сегодняшний день белков, являются металлопротеинами [14, 15]. Металлы играют важную роль в формировании структуры белков. Многие ферменты содержат несколько металлов в своих активных центрах, расположенных в разных местах белковой цепи. В некоторых случаях замена одного металла на другой может ингибировать ферментативную активность и стать причиной отравления и гибели организма [15]. Большинство белков ассоциируется с двухвалентными металлами: Fe2+ участвует в окислительно-восстановительных циклах, Zn2+- в каталитических реакциях, Ca2+ определяет стабильность структуры ферментов и играет ключевую роль в системе внутриклеточной сигнализации [14]. Существует семейство низкомолекулярных металлопротеинов, связывающих Zn2+, и принимающих участие в важнейших физиологических процессах у всех живых существ, в частности, в процессах канцерогенеза [14]. для функционирования биологических макромолекул необходимы и одновалентные ионы группы IА: Na+ и К+ [15].
Связывание одновалентного катиона с его аллостерическим центром влечет за собой активацию фермента и преобразование этого события в изменении каталитической активности. Ионы натрия и калия необходимы для функционирования многих ферментов, включая киназы, шапероны, фосфатазы, альдолазы, рекомбиназы, дегидрогеназы и рибокиназы, диалкилкарглициндекарбоксилазы, триптофансинтаза, тромбин и Na/K-АТФазы [15]. Эффекты ионов Na+ или К+ для всех исследованных ферментов разнонаправлены.
Связь ферментативной активности и локальной концентрации ионов внутри клетки
Более 20 лет назад было показано, что электрофизиологические сдвиги коррелируют с изменениями синтетических процессов [20]. Как клеточный цикл, так и процесс дифференцировки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами Cdks. Нарушение активности циклинов и циклин-зависимых киназ приводит к развитию опухолей [24]. В зависимости от дозы некоторых препаратов в клетках задействуются различные молекулярные механизмы, в результате чего может усилиться пролиферация или произойти дифференцировка клеток, приводящая к апоптозу [23].
Связь ферментативной активности с ионно-осмотическим гомеостазом клетки наглядно проявляется в теоретической модели, учитывающей потоки субстратов и продуктов обмена через плазматическую мембрану при различных функциональных нагрузках, таких как синтез нуклеиновых кислот, синтез белков, синтез липидов или двигательная активность, требующая большого расхода АТФ. Результаты, полученные на этой модели, могут объяснить наблюдаемые в экспериментах изменения ионных проницаемостей клеточной мембраны, мембранного потенциала и внутриклеточных активностей неорганических ионов в ходе клеточного цикла и в процессе дифференцировки [1]. Отметим, что наличие доз-зависимых эффектов [23], зарегистрированных при действии многих веществ на процессы пролиферации, дифференцировки и клеточной гибели, свидетельствует о вероятностном механизме взаимодействия как биологически активных веществ, так и неорганических ионов с ферментом, являющимся первичной мишенью. Такими мишенями, на которых совмещаются влияния неорганических катионов и органических субстратов, могут быть, в частности, циклинзависимые киназы или циклины [24].
Уравнение Михаэлиса – Ментен для фермента, обладающего центрами связывания как для органического субстрата, так и для неорганических ионов, имеет вид:
,
где P – скорость ферментативной реакции; [Si] – внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона; [Ii] – внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона, ингибирующего этот центр, kmi и kii – кажущиеся константы ассоциации органического субстрата или конкретного неорганического иона и их ингибиторов. Подобное выражение для скорости ферментативной реакции использовалось ранее для описания функционирования Na+/К+ – АТФазы плазматической мембраны при изменении ионного состава внешней среды и показало хорошее соответствие с результатами ряда независимых электрофизиологических экспериментов [9]. Приведённое уравнение означает, что скорость ферментативной реакции P определяется произведением вероятностей заполнения всех n центров связывания фермента. При этом активность фермента зависит от внутриклеточных концентраций многих ионов, а роль ионно-осмотического гомеостаза заключается в поддержании внутриклеточных концентраций ионов на уровне, позволяющем производить тонкую регуляцию переключения различных ферментативных систем. При этом, лимитирующим фактором для активности фермента может оказаться внутриклеточная концентрация любого иона, если внутриклеточные концентрации других ионов оптимальны, т.е. вероятности заполнения соответствующих центров связывания близки к единице.
Заключение
В совокупности, представленные данные свидетельствуют о том, что морфогенез нейробластомы in vitro можно контролировать различными воздействиями, как биологически активными веществами, так и ионным составом культуральной среды. Все рассмотренные выше и полученные в независимых экспериментах биологические эффекты легко интерпретировать в рамках модели регуляции ферментативной активности, предполагающей совершение единичного акта при одновременном заполнении всех центров связывания для субстратов и неорганических ионов.
Действительно, в условиях культивирования могут реализоваться две стратегии развития клеток нейробластомы. Одна стратегия заключается в ее дифференцировке и старении, и, в конечном счете, индивидуальной гибели (апоптотической или некротической). Другая может заключаться в усилении пролиферации и даже в дедифференцировке. Первый сценарий развивается на бессывороточных средах и усиливается при воздействии экзогенных или эндогенных повреждающих факторов, в частности, при воздействии сублетальных концентраций самых разнообразных веществ [4, 5, 13] или определённых изменений ионного состава культуральной среды [2, 3]. На уровне организма при достижении определённого предела компенсаторных возможностей клеток нарушается тканевой и функциональный гомеостаз в жизненно важных органах, что ведёт к старению и последующей гибели всего организма. В условиях культивирования присутствие сыворотки, в частности, наличие биологически активных вещества, способствует процессу пролиферации [3]. На уровне организма усиление пролиферации стволовых клеток приводит к развитию клона неопластических клеток, к росту опухоли и последующей гибели организма. Обе рассмотренные стратегии представляют собой многостадийные процессы, некоторые этапы которых хорошо охарактеризованы, тогда как другие нуждаются в дополнительном исследовании. В частности, наличие ключевого фермента, обладающего центрами связывания для органического субстрата и неорганических ионов можно выявить с использованием слабых магнитных полей, настроенных в резонанс с определёнными неорганическими ионами, такими как Na+, K+, Ca2+ [7].