Bone marrow endothelial progenitor cells play a key role in tumor growth progression in a mouse model of pulmonary metastases
- Authors: Sergeev V.S.
- Issue: Vol 3, No 2 (2008)
- Pages: 15-17
- Section: Cell technology
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/155360
- DOI: https://doi.org/10.23868/gc155360
- ID: 155360
Cite item
Full Text
Full Text
Наиболее ранней стадией рака является карцинома in situ. Она представляет собой образования мелкого размера, чаще всего не более 1-3 мм в диаметре, не прорастающие глубже базальной мембраны. В этой фазе опухоли лишены сосудов и питание клеток осуществляется лишь за счет процесса диффузии необходимых веществ из окружающих тканей. Так как трансформированные клетки значительно лимитированы в отношении необходимых для жизнедеятельности продуктов, рост новообразований в эту фазу сильно замедлен и они в течение нескольких месяцев или даже лет пребывают в «латентном состоянии». Ключевые события, которые инициируют фазу быстрого (экспоненциального) роста опухоли, плохо изучены. Они четко ассоциируются с васкуляризацией новообразования, так называемым «ангиогенным переключением», которое, возможно, стимулируется ангиогенными факторами продуцируемыми трансформированными клетками [1].
Формирование метастазов во многих случаях происходит по схожему сценарию. Большинство попадающих в системную циркуляцию малигнизированных клеток, по-видимому, погибает, а меньшая часть заселяет преметастатические ниши или участвует в их формировании [2, 3]. Затем клетки пролиферируют и формируют лишенные сосудов микрометастазы диаметром до 1-2 мм, в которых появление новых клеток находится в равновесии с их гибелью [4]. В подобном состоянии микрометастазы могут находиться длительное время, их прогрессия в макрометастазы также ассоциируется с «ангиогенным переключением» [5].
Неудивительно, что феномен «ангиогенного переключения» является предметом внимательного изучения, так как раскрытие основных механизмов данного процесса может дать толчок к разработке новых видов терапии и профилактики новообразований. Новые кровеносные сосуды могут образовываться путем ответвления от уже существующих или формироваться de novo за счет дифференцировки эндотелиальных клеток-предшественниц, мигрирующих из костного мозга [1]. Ранее было продемонстрировано, что циркулирующие эндотелиальные клетки-предшественницы могут участвовать в формировании сосудистой сети некоторых видов опухолей, а также трансплантированных тканей [6, 7]. Однако количество мигрирующих клеток было столь мало, что какая-либо существенная роль у описанного явления остается сомнительной.
Эти данные, опубликованные в журнале Science исследовательской группой V. Mittal, позволяют по новому оценить роль циркулирующих эндотелиальных клеток-предшественниц костномозгового происхождения в процессе «ангиогенного переключения».
На первом этапе исследования RPF+ клетки карциномы легких Левиса, трансплантировали внутрикожно сингенным мышам, клетки костного мозга которых экспрессировали GFP (рис. 1А). На 14-е сут. после введения злокачественных клеток первичные опухоли подвергались резекции. Легкие исследовались на наличие метастазов на 14-е, 21-е и 28-е сут. Через 2 недели в легочной ткани животных было обнаружено в среднем около 12 RPF+ микрометастазов (менее 1 мм в диаметре). Общее количество метастазов увеличивалось со временем (22 и 35 к 21-м и 28-м сут., соответственно). На 28-е сут. посттрансплантационного периода 47% процентов метастазов являлись макрометастазами (более 1 мм в диаметре). Таким образом, прогрессия микрометастазов в макрометастазы наступала на 3-4-й неделе после введения малигнизированных клеток.
Схема эксперимента
Ассоциируется ли прогрессия микрометастазов в макрометастазы с «ангиогенным переключением»? Иммуногистохимическое исследование метастазов на 14-е сут. показало практически полное отсутствие капиллярной сети при наличии редких CD31+ эндотелиоцитов. Напротив, анализ макрометастазов на 21-28-е сут. посттрансплантационного периода выявил большое количество сосудов, содержащих CD31+ клетки. Следовательно, экспансия роста метастазов сопровождалось и параллельным развитием и ростом сосудов.
При детальном анализе макрометастазов было обнаружено, что около 13% клеток эндотелия формирующихся сосудов характеризовались фенотипом GFP+/CD31+, то есть имели костномозговое происхождение. Как было показано ранее, эндотелиальные клетки костномозгового происхождения являются потомками костномозговых эндотелиальных клеток-предшественников (bone-marrow endothelial progenitor cells, BM-EPCs) с высокой степенью экспрессии VE-cadherin, VEGFR2, слабой экспрессией CD31 и CD133 и отсутствием экспрессии гематопоэтических маркеров [8]. Инфильтрация GFP+/VE-cadherin+ BM-EPCs наблюдалась по периферии микрометастазов. Концентрация этой популяции клеток была в 5 раз выше, чем в нормальной окружающей легочной ткани.
Таким образом, прогрессия микрометастазов в макрометастазы ассоциируются с «ангиогенным переключением», в процессе которого BM-EPCs мигрируют в очаги поражения, дифференцируются и участвуют в формировании сети кровеносных сосудов метастатических очагов.
Для оценки значимости мигрирующих эндотелиальных клеток-предшественников в прогрессии роста метастазов была создана in vivo модель с селективной недостаточностью BM-EPCs. Авторы сфокусировались на транкрипционном факторе Id1, так как у мышей с нокаутом по гену Id1 наблюдается ослабленный рост новообразований по причине дефектов формирования сосудов [9]. В ответ на введение клеток опухоли авторы обнаружили 2,5-кратное возрастание экспрессии мРНК Id1 в клетках костного мозга. Более того, экспрессия ограничивалась популяцией EPCs и не была обнаружена в других клетках костного мозга, что может свидетельствовать о ключевой роли Id1 в реализации функций EPCs по формированию сосудистой сети новообразований.
В модели использовалась shRNA, которая снижала уровень эндогенного Id1, а также его мРНК, более чем на 95%. В качестве контроля использовалась неспецифическая shRNA. Lin- клетки костного мозга Rosa26-rtTA трансгенных мышей трансфецировались вектором на основе лентивируса с Id1 или неспецифической shRNA, экспрессия которых могла быть индуцирована доксициклином. Этот подход позволил авторам селективно подавлять экспрессию Id1 в клетках костного мозга в ранее установленное время прогрессии микрометастазов в макрометастазы, не оказывая какого-либо влияния на вклад BM-EPCs в рост первичной опухоли, которая не растет у мышей с нокаутом по гену Id1.
Трансфецированные клетки трансплантировались летально облученным мышам. На 4-й неделе посттрансплантационного периода осуществлялась подкожная инъекция RPF+ клеток карциномы легких Левиса. До введения доксициклина параметры роста опухолей у мышей обеих групп были одинаковы. Однако введение доксициклина на 14-е сут. после трансплантации опухолевых клеток приводило к существенному снижению общего количества легочных метастазов у животных опытной группы к 28-м сут. [28±5 у мышей без введения докцициклина [-Dox] и 8±5 у мышей с введением доксициклина [+Dox)] в сравнении с животными контрольной группы [32±7] у -Dox мышей и 33±6 у +Dox мышей. Снижение количества метастазов у +Dox мышей опытной группы было обусловлено снижением количества макрометастазов (13,8±6,1 у -Dox мышей и 0,6±1,3 у +Dox мышей, Р = 0,0014). Не было обнаружено значительного снижения числа микрометастазов у всех групп мышей, что свидетельствует о том, что репрессия Id1 не влияет на начальную колонизацию опухолевыми клетками тканей легких, однако нарушает прогрессию микрометастазов в макрометастазы. Более того, +Dox мыши опытной группы имели значительно большую продолжительность жизни.
Подавление экспрессии Id1 приводило к трехкратному снижению уровня циркулирующих c-kit+/VEGFR2+/CD11b- EPCs в сравнении с -Dox мышами. Снижение количества EPCs было специфично, так как уровни клеток гематопоэтического ряда, включая В-, Т-клетки, миелоидные и VEGFR1 + клетки, существенно не изменялись. Индуцированная недостаточность циркулирующих BM-EPCs привела к существенному снижению плотности сосудов в метастатичеких очагаху +Dox мышей опытной группы (22,2±4,7% у -Dox мышей и 4,1±2,9% у +Dox мышей).
Таким образом, BM-EPCs играют ключевую роль в процессе «ангиогенного переключения», который лежит в основе прогрессии метастатических очагов. При этом BM-EPCs не влияют на инициацию образования метастазов, которая, как было показано ранее, зависит ot VEGFR1+ гемопоэтических клеток [2]. Несмотря на то, что лишь около 12% эндотелиальных клеток в сосудистой сети макрометастазов имеют костномозговое происхождение, недостаточность мигрирующих EPCs приводит к критическому снижению ангиогенеза и, как следствие, подавлению формирования макрометастазов. Эти факты свидетельствуют о том, BM-EPCs могут иметь важную «инструктивную» функцию в инициации формирования новых сосудов благодаря секреции многочисленных паракринных факторов.
По материалам: Gao D., Nolan D., Mellick A. et al. Endothelial progenitor cells control the angiogenic switch in mouse lung metastasis. Science. 2008; 319: 195-8
About the authors
V. S. Sergeev
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation
References
- Bergers G., Benjamin L. Tumorigenesis and the angiogenic switch. Nat. Rev. Cancer 2003; 3: 401-10.
- Kaplan R., Riba R., Zacharoulis S. etal. VEGFRI-positive haematopoietic bone marrow progenitors initiate the pre-metastatic niche. Nature 2005; 438:820-7.
- Hiratsuka S., Watanabe A., Aburatani H., Maru Y. Tumour-mediated upregulation of chemoattractants and recruitment of myeloid cells predetermines lung metastasis. Nat. Cell. Biol. 2006; 8:1369-75.
- Townson J., Chambers A. Dormancy of solitary metastatic cells. Cell Cycle 2006; 5:1744-50.
- Holmgren L., O'Reilly M., Folkman J. Dormancy of micrometastases: balanced proliferation and apoptosis in the presence of angiogenesis suppression. Nat. Med. 1995;1:149-53.
- Peters В., Diaz L., Polyak K. et al. Contribution of bone marrow-derived endothelial cells to human tumor vasculature. Nat. Med. 2005; 11:261-2.
- Minami E., Laflamme M., Saffitz J., Murry C. Extracardiac progenitor cells repopulate most major cell types in the transplanted human heart. Circulation 2005; 112: 2951-8.
- Nolan D., Ciarrocchi A, Mellick A. etal. Bone marrow-derived endothelial progenitor cells are a major determinant of nascent tumor neovascularization. Genes Dev. 2007; 21:1546-58.
- Ruzinova M., Schoer R., Gerald W. et al. Effect of angiogenesis inhibition by Id loss and the contribution of bone-marrow-derived endothelial cells in spontaneous murine tumors. Cancer Cell 2003; 4: 277-89.
Supplementary files
