27.11.2018

Клетки острого лимфобластного лейкоза пробираются в мозг по наружной поверхности сосудов

Острый лимфобластный лейкоз — злокачественное заболевание, при котором неконтролируемо размножаются незрелые белые кровяные клетки (лимфобласты). Попадание таких клеток в центральную нервную систему отягощает прогноз течения болезни. Терапия в таких случаях затруднена из-за того, что большинство лекарств не могут преодолеть гемато-энцефалический барьер, защищающий мозг от вредных веществ и микроорганизмов. Однако лимфобластам как-то удается попасть в мозг, несмотря на наличие этого барьера. Ученые из Университета Дьюка (США) изучили на модельных мышах пути проникновения клеток острого лимфобластного лейкоза в центральную нервную систему и обеспечивающие его механизмы. Оказалось, что эти клетки проникают в мозг по кровеносным сосудам, но не с кровотоком, а мигрируя по их наружной поверхности. Ключевую роль в такой миграции играет взаимодействие интегрина лимфобластов с ламинином сосудов. Подавление экспрессии интегрина или нейтрализация его специфическими антителами блокирует миграцию клеток острого лимфобластного лейкоза в мозг и вызываемое ими поражение центральной нервной системы.

Злокачественные клетки острого лимфобластного лейкоза (англ. Acute lymphoblastic leukemia, ALL) склонны проникать в центральную нервную систему (ЦНС) и образовывать там метастазы. В отличие от метастазов солидных опухолей (развившихся не из клеток кроветворной системы, а из различных тканей организма), метастазы острого лимфобластного лейкоза редко проникают во внутренние отделы мозга, а локализуются на его оболочках. Проникновение клеток острого лимфобластного лейкоза в мозг сильно снижает эффективность противораковой терапии. А применяемые в таком случае химиотерапевтические средства и радиотерапия могут повредить мозг.

Оболочки мозга представляют собой структуру из четырех слоев. Дальше всего от мозга находится твердая оболочка, которая состоит из соединительной ткани и выстилает внутреннюю часть черепа и спинномозгового канала. Сразу под ней расположена тонкая паутинная (арахноидальная) оболочка, снабженная небольшим количеством нервов и сосудов. Самая внутренняя — мягкая оболочка. Она сращена с мозгом, заходит в борозды и содержит большое количество кровеносных сосудов. Между мягкой и паутинной оболочкой находится подпаутинное (субарахноидальное) пространство, содержащее спинномозговую (цереброспинальную) жидкость, или ликвор, омывающую головной и спинной мозг. Она обеспечивает механическую защиту этих органов и поддерживает обменные процессы между центральной нервной системой и кровью. По составу ликвор похож на плазму крови, прошедшую через фильтр тонкой очистки, но, в отличие от плазмы крови, в ликворе почти нет белков (около 0,3% от белков плазмы), в норме нет красных кровяных клеток и совсем немного белых кровяных клеток.

Чтобы проникнуть в ЦНС, клетки острого лимфобластного лейкоза должны преодолеть гемато-энцефалический барьер (ГЭБ, см. картинку дня Гемато-энцефалический барьер) — физиологический барьер, который защищает нервную ткань и отделяет спинной и головной мозг от обслуживающих их кровеносных сосудов. Стенки этих сосудов ЦНС более плотные, чем в остальных органах и тканях, поэтому многие лекарства, микроорганизмы и даже собственные иммунные клетки сами по себе в мозг проникнуть не могут — только с помощью специального активного транспорта. Однако клеткам острого лимфобластного лейкоза как-то удается попасть в ЦНС — но как именно, оставалось загадкой.

Известно, что метастазы в тканях ЦНС могут образовываться при всех подтипах острого лимфобластного лейкоза. Значит, лимфобласты могут пользоваться каким-то общим консервативным механизмом для того, чтобы достичь мозговых оболочек. Ученые из Института онкологии при Университете Дьюка (Duke Cancer Institute) во главе с Дороти Сипкинс (Dorothy Sipkins) показали, каким может быть этот механизм.

Фермент фосфоинозитид-3-киназы (англ. Phosphoinositide 3-kinases, или PI3K) играет важную роль в передаче межклеточных сигналов, которые регулируют рост и выживание клеток. Его дельта-изоформа — PI3Kδ — присутствует на поверхности нейронов и иммунных клеток, и его ингибиторы (например, иделалисиб) успешно применяются для лечения некоторых форм лимфомы. О влиянии ингибиторов PI3K на острый лимфобластный лейкоз данных не было. Испытание одного из таких ингибиторов, химического соединения GS-649443, провели на мышах, которым предварительно ввели внутривенно линию клеток острого лимфобластного лейкоза человека — Nalm-6. У мышей с иммунодефицитом после инъекций развилась острая лейкемия, поражающая ЦНС.

Испытание показало, что применение этого вещества продлевало жизнь мышей, больных острым лимфобластным лейкозом, на 50% (рис. 2), а количество опытных животных с поражением ЦНС снижалось в 3–6 раз (рис. 3). Еще одним важным результатом этого эксперимента было то, что, хотя в контрольной и опытной группе практически не различалось влияние болезни на клетки крови, костный мозг и селезенку, у мышей, получавших GS-649443, было заметно меньше развитие острого лимфобластного лейкоза в центральной нервной системе.

Далее надо было определить функцию PI3Kδ в проникновении клеток острого лимфобластного лейкоза с периферии в центральную нервную систему. Было известно, что ферменты семейства PI3K играют важную роль в миграции клеток. Оставалось проверить, влияет ли PI3Kδ на подвижность клеток острого лимфобластного лейкоза. Подавление PI3Kδ веществом GS-649443 существенно снижало их подвижность как in vitro, так и in vivo. Подвижность клеток, обработанных GS-649443 (то есть с подавленной PI3Kδ), снижалась как in vitro, так и in vivo: у этих клеток снижалась активность легкой цепи миозина (см. Myosin light chain) — молекулярного мотора, преобразующего химическую энергию клетки в кинетическую.

С помощью метода интравитальной микроскопии (см. Intravital microscopy ученые проследили распределение клеток острого лимфобластного лейкоза в костном мозге, но не нашли никаких отличий между больными мышами, которым вводили плацебо (контрольная группа), и теми, кому вводили GS-649443 (опытная группа). Это означало, что лимфобласты не полностью утратили подвижность после ингибирования PI3Kδ, то есть миграция клеток в центральную нервную систему регулировалась каким-то другим механизмом.

Для определения молекул, участвующих в этом механизме, ученые провели анализ экспрессии генов, связанных (см. Фокальные контакты) с перемещением и прикреплением клеток к поверхности, в клетках спинномозговой жидкости и костного мозга опытных мышей. Результат оказался как раз таким, каким его ожидали: экспрессия этих генов была понижена. Но более всего ученых заинтересовал ген ITGA6, кодирующий белок интегрин альфа-6, поскольку он связан и с миграцией клеток, и с развитием центральной нервной системы. Они определили подвижность клеток острого лимфобластного лейкоза in vitro, сравнив их перемещения на специальных подложках — матрицах, моделирующих внеклеточный матрикс (сравнивали матрицы, состоящие только из коллагена, из коллагена и фибронектина и из коллагена и ламинина). Выяснилось, что во взаимодействии с PI3Kδ интегрин альфа-6 контролирует миграцию клеток вдоль матрицы, образованной белками ламинином и коллагеном. В ЦНС ламинин локализован на наружной поверхности сосудов, на оболочках мозга и на поверхности сосудистого сплетения мозга.

Чтобы определить, проходят ли клетки острого лимфобластного лейкоза через стенки сосудов мягкой и паутинной оболочки, мышам ввели флуоресцентные клетки Nalm-6 и с помощью интравитальной микроскопии в реальном времени проследили распределение клеток Nalm-6 в сосудистой сети (рис. 4). Несмотря на то что в день инъекции клетки острого лимфобластного лейкоза циркулировали в сосудах мягкой и паутинной оболочек, клетки Nalm-6 не проходили через гематоэнцефалический барьер в течение всего времени наблюдения. Зато клетки Nalm-6 быстро проникали через стенки сосудов костного мозга вскоре после внутривенной инъекции. Гистохимическое окрашивание отделов ткани головного мозга подтвердило, что клетки Nalm-6 отсутствовали в ткани мягкой и паутинной мозговых оболочек до поздних стадий заболевания.

Детальный иммуногистохимический анализ показал, что эти клетки проникают в мозговые оболочки очень необычным путем — не через кровеносные сосуды с кровотоком, а путем миграции по наружной поверхности сосудов, проходящих напрямую между костным мозгом позвоночника или черепа и подпаутинным пространством. Базальная мембрана этих сосудов насыщена ламинином, про который известно, что он координирует перемещения нейронных клеток-предшественников. GS-649443 подавлял эту миграцию. Аналогично действовали антитела к интегрину альфа-6, не влияя на прогрессию заболевания вне центральной нервной системы.

Результаты, полученные на мышах, соответствовали клиническим наблюдениям. У больных острым лимфобластным лейкозом частота инвазии лимфобластов в мозг положительно коррелировала с высоким уровнем экспрессии интегрина-альфа-6.

Блокирование проникновения раковых клеток в мозг представляется очень эффективным подходом, с точки зрения клинической практики, для лечения как острого лимфобластного лейкоза, так и ряда других форм онкологических заболеваний. В частности, другой ингибитор, PI3Kδ, иделалисиб, уже успешно применяется для лечения ряда гематологических раков. Возможно, он откроет пути предотвращения миграции острого лимфобластного лейкоза или других раков в мозг.

Эта элегантная работа не только открывает новые перспективы исследований, но и ставит ряд вопросов. Пока неясно, полностью ли верны для человека результаты, полученные на модельных мышах, и могут ли клетки солидных (негематологических) раков использовать пути проникновения в мозг, свойственные для острого лимфобластного лейкоза. Ранее на модельных мышах было показано, что проникновению раковых клеток в мозг, в том числе при лейкозе, мешает подавление активности VEGF-A — фактора роста эндотелия сосудов (V. Munch et al., 2017. Central nervous system involvement in acute lymphoblastic leukemia is mediated by vascular endothelial growth factor). При остром лимфобластном лейкозе уровень экспрессии VEGF-A повышен, и антитела к нему могут подавить миграцию злокачественных клеток в мозг.

Авторы обсуждаемой работы показали, что лечение мышей ингибитором PI3Kδ, веществом GS-649443, существенно снижало экспрессию VGEF-A, но вопрос об участии этого белка в колонизации ЦНС клетками острого лимфобластного лейкоза пока остался без ответа. В отличие от солидных раков, формирование новых кровеносных сосудов в случае острого лимфобластного лейкоза, вероятно, не требуется. Возможно, VGEF-A производит какую-то модификацию кровеносных сосудов, способствующую проникновению лимфобластов в мозг.

Подготовлено по материалам:

1) Hisayuki Yao, Trevor T. Price, Gaia Cantelli, Brandon Ngo, Matthew J. Warner, Lindsey Olivere, Sarah M. Ridge, Elizabeth M. Jablonski, Joseph Therrien, Stacey Tannheimer, Chad M. McCall, Anjen Chenn & Dorothy A. Sipkins. Leukaemia hijacks a neural mechanism to invade the central nervous system // Nature. 2018. V. 560. P. 55-60.

2) Frank Winkler. Leukaemia follows a blood-vessel track to enter the nervous system // Nature. 2018. V. 560. P. 35-36. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье.)

Вячеслав Калинин

Источники:

1. elementy.ru