Индивидуальная устойчивость к гипоксии и молекулярно-биологические особенности инициации опухолевого роста на экспериментальной модели колоректального рака

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-25-00294

НазваниеИндивидуальная устойчивость к гипоксии и молекулярно-биологические особенности инициации опухолевого роста на экспериментальной модели колоректального рака

Руководитель Джалилова Джулия Шавкатовна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Российский научный центр хирургии имени академика Б.В. Петровского" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-401 - Молекулярная и клеточная медицина

Ключевые слова устойчивость к гипоксии, индивидуальные различия, аденокарцинома толстой кишки, HIF-1, мыши, воспаление

Код ГРНТИ34.43.45

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Рак толстой и прямой кишки (колоректальный рак, КРР) - один из наиболее часто диагностируемых видов рака, который может развиваться на фоне воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК), в частности, язвенного колита. Наиболее воспроизводимая экспериментальная модель КРР включает использование азоксиметана – канцерогена, инъекция которого с последующим потреблением декстрансульфата натрия (ДСН) индуцирует развитие аденокарциномы толстой кишки у большинства лабораторных животных. Одним из ключевых патогенетических факторов, определяющих развитие и тяжесть течения многих заболеваний, в том числе воспалительных, инфекционных и опухолевых является кислородная недостаточность. Недостаток кислорода активирует в клетках сигнальный путь индуцируемого гипоксией транскрипционного фактора HIF (Hypoxia-Inducible Factor), который имеет три изоформы – HIF-1, HIF-2, HIF-3, регулирующие экспрессию нескольких тысяч генов. В процессе развития и прогрессии опухолей активация HIF стимулирует ангиогенез, способствует изменениям метаболизма клеток, адгезии, способности к инвазии и метастазированию. Организмы человека и лабораторных животных отличаются как по устойчивости к гипоксии, так и по уровням экспрессии HIF и зависимых от него генов, что может обусловливать предрасположенность к развитию определенных онкологических заболеваний. Так, частота развития опухолей различных гистогенетических типов варьирует у людей, проживающих в горах и на уровне моря. При лимфоме, раке молочной железы, пищевода, языка и полости рта или гортани показано снижение смертности больных в высокогорье, при этом смертность от рака печени и шейки матки не различается у людей, живущих на уровне моря и в высокогорье. Кроме того, выявлено наличие обратной связи между высотой проживания и уровнем заболеваемости и смертности от рака лёгких. Заболеваемость и смертность от меланомы, параганглиомы и рака желудка увеличивается у людей, проживающих в горной местности. Однако, несмотря на ведущую роль гипоксии практически на всех этапах формирования опухолей, исходная устойчивость к недостатку кислорода не считается фактором, реализующим предрасположенность к опухолевому росту. В литературе представлено множество работ, в которых охарактеризован уровень локальной гипоксии в различных опухолях, и предлагаются принципиальные подходы к её нивелированию путём ингибирования HIF. Однако ингибиторы HIF, как правило, оказывают системное действие на организм, и при их применении не учитывается исходная устойчивость организмов к гипоксии, а также уровень экспрессии HIF. При развитии КРР наблюдаются мутации в таких генах, как TP53, KRAS, BRAF, MSH, которые взаимосвязаны с активацией фактора HIF. Кроме того, в значительной степени развитие КРР, помимо наличия нескольких существенных мутаций, зависит от тесного взаимодействия опухолевых клеток с микроокружением, в том числе иммунными клетками. На функционирование иммунных клеток во многом влияет активация HIF, которая изменяет их метаболизм и регулирует функциональную активность. Ранее нами было показано, что животные с разной устойчивостью к гипоксии различаются по экспрессии HIF-1 и тяжести течения острого и хронического язвенного колита, индуцированного ДСН. Гипоксия является одним из ключевых факторов в развитии злокачественных опухолей, поэтому исходная устойчивость организма к кислородной недостаточности и различия в уровне экспрессии HIF могут во многом определять инициацию, промоцию и прогрессию опухолевых заболеваний, в частности, КРР. В литературе отсутствуют данные об особенностях течения КРР у лиц с высокой и низкой устойчивостью к гипоксии. Проект направлен на изучение молекулярно-биологических особенностей инициации рака толстого кишечника, коррелирующих с индивидуальной устойчивостью к гипоксии, что позволит во многом решить научную проблему прогнозирования течения опухолевых заболеваний и коррекции их терапии с учетом индивидуальных различий в устойчивости к кислородной недостаточности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Джалилова Д.Ш., Золотова Н.А., Фокичев Н.С., Макарова О.В. Murine models of colorectal cancer: the azoxymethane (AOM)/dextran sulfate sodium (DSS) model of colitis-associated cancer PeerJ, 11, e16159 (год публикации - 2023)
10.7717/peerj.16159

2. Джалилова Д.Ш., Силина М.В., Цветков И.С., Косырева А.М., Золотова Н.А., Ганцова Е.А., Кириллов В.М., Фокичев Н.С., Макарова О.В. Changes in the expression of genes regulating the response to hypoxia, inflammation, cell cycle, apoptosis, and epithelial barrier functioning during colitis-associated colorectal cancer depend on individual hypoxia tolerance International Journal of Molecular Sciences, 25(14), 7801 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25147801

3. Джалилова Д.Ш., Силина М.В., Золотова Н.А., Портнова Т.С., Вагабов М.Д., Цветков И.С., Макарова О.В. Morphological characteristics of colon tumors in mice with different tolerance to hypoxia Bulletin of Experimental Biology and Medicine , 177, 162–168 (год публикации - 2024)
10.1007/s10517-024-06149-1

4. Джалилова Д.Ш., Силина М.В., Косырева А.М., Фокичев Н.С., Макарова О.В. Morphofunctional changes in the immune system in colitis-associated colorectal cancer in tolerant and susceptible to hypoxia mice PeerJ, Dzhalilova D, Silina M, Kosyreva A, Fokichev N, Makarova O. 2025. Morphofunctional changes in the immune system in colitis-associated colorectal cancer in tolerant and susceptible to hypoxia mice. PeerJ 13:e19024 (год публикации - 2025)
10.7717/peerj.19024

5. Силина М.В., Джалилова Д.Ш., Макарова О.В. The Role of Hypoxia and HIF Transcription Factors in the Development of Ulcerative Colitis and Associated Colorectal Cancer Moscow University Biological Sciences Bulletin, Silina M.V., Dzhalilova D.Sh., Makarova O.V. The Role of Hypoxia and HIF Transcription Factors in the Development of Ulcerative Colitis and Associated Colorectal Cancer. Moscow University Biological Sciences Bulletin. 2025. 80(2):52–65 (год публикации - 2025)
10.3103/S0096392525600681

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Охарактеризованы морфологические и молекулярно-биологические особенности колит-ассоциированного колоректального рака (КРР) и выраженность реакций иммунной системы у животных с разной устойчивостью к гипоксии (https://doi.org/10.3390/ijms25147801). Исследование проводили на самцах мышей C57Bl/6 (n=130) в возрасте 1,5-2 месяца, массой тела 20-25 г. Устойчивость животных к гипоксии определяли однократно в барокамере на критической «высоте» (10000 м) по «времени жизни» до принятия бокового положения. По результатам определения устойчивости к гипоксии животные были разделены на 2 группы – высокоустойчивые (ВУ, n=39), «время жизни» которых было более 10 мин и низкоустойчивые (НУ, n=33) – менее 3 мин. Среднеустойчивых (n=58) к гипоксии мышей («время жизни» от 3 до 10 мин) в экспериментах не использовали. Через месяц после определения устойчивости к гипоксии ВУ (n=29) и НУ (n=23) животным опытных групп моделировали КРР путем однократного внутрибрюшинного введения канцерогена – азоксиметана (АОМ) в дозе 10 мг/кг. Через неделю после инъекции АОМ мышам опытных групп моделировали хронический колит – питьевую воду заменяли 1% декстрансульфатом натрия (ДСН) с молекулярной массой 40 кДа на 7 суток. Через 14 суток потребления питьевой воды, ее заменяли 0,5% ДСН на 7 суток, затем через 14 суток потребления питьевой воды – на 0,5% ДСН на 5 суток. Животных выводили из эксперимента путем цервикальной дислокации через 86 дней после последней замены питьевой воды на ДСН у опытных групп, то есть на 141-е сутки эксперимента (Tanimura Y. et al., 2021). ВУ (n=10) и НУ (n=10) к гипоксии мышам контрольных групп внутрибрюшинно вводили физиологический раствор, затем на протяжении 140 суток они потребляли питьевую воду. Тяжесть течения КРР, индуцированного АОМ и ДСН, у животных с разной устойчивостью к гипоксии варьировала. Частота развития опухолей в дистальном отделе ободочной кишки у НУ к гипоксии мышей была в 2 раза выше по сравнению с ВУ. Кроме того, у НУ к гипоксии животных все опухоли были представлены аденокарциномами, в то время как у ВУ преимущественно железистой интраэпителиальной неоплазией. Средняя площадь опухолей была статистически значимо выше у НУ к гипоксии животных. Метастазов в брыжеечных лимфатических узлах, печени, почках и легких у половозрелых самцов мышей C57BL/6 с разной устойчивостью к гипоксии после инъекции АОМ и длительного потребления ДСН не выявлено. В развитии опухолей ключевую роль играют реакции иммунной системы. Содержание F4/80+ макрофагов, CD3-CD19+, CD3+CD4+ лимфоцитов и NK клеток в опухолях между животными с разной устойчивостью к гипоксии не различалось, однако число CD3+CD8+ цитотоксических Т-лимфоцитов было выше у НУ к гипоксии мышей. У НУ к гипоксии мышей процесс инициации и прогрессии опухоли на фоне хронического воспаления происходит быстрее и сопровождается более выраженными изменениями субпопуляционного состава клеток крови и брыжеечных лимфатических узлов – в них повышалось относительное и абсолютное количество CD19+ и NK клеток, абсолютное число CD8+ лимфоцитов, а также снижалось относительное число F4/80+ макрофагов. В крови по данным проточной цитофлуориметрии в опытных группах как у ВУ, так и у НУ к гипоксии мышей по сравнению с контрольными снижалось абсолютное число NK клеток и Т-регуляторных лимфоцитов и относительное количество CD4+ Т-лимфоцитов. Однако только у НУ животных повышалось относительное и абсолютное количество CD19+ и относительное – CD8+ лимфоцитов. Относительное число CD8+ и NK клеток в периферической крови при КРР было выше у НУ к гипоксии мышей по сравнению с ВУ. Независимо от устойчивости к гипоксии у мышей развивалась нормоцитарная гипохромная анемия, при этом только у НУ мышей также выявлено накопление железа в тканях опухоли. При КРР в тимусе только у ВУ к гипоксии мышей наблюдалась гиперплазия коркового вещества и увеличивалось содержание тимических телец в виде кистоподобных полостей. При морфометрическом исследовании селезенки как у ВУ, так и у НУ к гипоксии мышей опытных групп показано увеличение объемной доли лимфоидных узелков и уменьшение ПАЛМ-зон, при этом расширение светлых центров лимфоидных узелков отмечалось только у НУ к недостатку кислорода животных. Изменения экспрессии генов, регулирующих ответ на гипоксию Hif1a, Epas1, Hif3a, Vegf, и воспаление – Nfkb, Il1b, Il6, Tnfa, Il10, Tgfb, клеточный цикл и апоптоз – Trp53, Pten, Cmet, Egf, Egfr, Pcna, Mki67, Bax, Bcl2, а также генов, кодирующих компоненты эпителиального барьера Muc1, Muc13, Cldn2, Cldn7 в опухолях и перитуморальной зоне зависели от исходной устойчивости мышей к недостатку кислорода. В контрольной группе НУ к гипоксии мышей выявлены более высокие уровни экспрессии мРНК Hif1a, Hif3a, Nfkb, Il10, Trp53, Bax, Bcl2, Cldn2, в то время как у ВУ была выше экспрессия Pten, Cmet, Egfr, Muc1, Muc13 и Cldn7. В опухолях у НУ к гипоксии животных по сравнению с ВУ наблюдалась более высокая экспрессия Hif3a, Vegf, Tnfa, Il10, Tgfb, Cmet, Egf, Egfr, Bax, Muc1 и Cldn7, а в перитуморальной зоне – только Egf. Таким образом, через 140 сут после введения АОМ и потребления трех циклов ДСН частота развития опухолей, распространенность среди них аденокарцином и площадь опухолей в дистальном отделе ободочной кишки у НУ к гипоксии мышей были выше по сравнению с ВУ. В опухолях у НУ к гипоксии животных по сравнению с ВУ наблюдалась более высокая экспрессия генов, регулирующих ответ на гипоксию – Hif3a, Vegf, воспаление – Tnfa, Il10, Tgfb, клеточный цикл и апоптоз – Cmet, Egf, Egfr, Bax, компоненты эпителиального барьера – Muc1 и Cldn7, а в перитуморальной зоне – только эпидермального фактора роста Egf. По сравнению с ВУ у НУ к недостатку кислорода животных изменения экспрессии различных групп генов и реакции иммунной системы при колит-ассоциированном КРР более выражены, что свидетельствует о более тяжелом течении и менее благоприятном прогнозе. Выявленные различия в опухолевой прогрессии, связанные с индивидуальной устойчивостью к гипоксии, необходимо учитывать при разработке новых подходов к диагностике и терапии КРР.

Публикации