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 25-14-00100
НазваниеПротивоопухолевый и радиосенсибилизирующий потенциал сульфатированных олиго- и полисахаридов морских водорослей на моделях резистентности опухолей, обусловленной гипоксией
Руководитель Ермакова Светлана Павловна, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-203 - Общая биохимия
Ключевые слова Ламинараны, фукоиданы, ульваны, водоросли, ферментативная модификация, химическая модификация, противоопухолевая активность, гипоксия, HIF-1, радиорезистентность, радиотерапия
Код ГРНТИ34.15.51
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Рак по смертности занимает второе место после сердечнососудистых заболеваний, по страху, который внушает людям, - первое. Десятки институтов и сотни лабораторий во всем мире работают над этой проблемой, обеспечивая успех в ее понимании и медленный, но неуклонный прогресс в борьбе с онкологией. Лучевая терапия (или лечение с использованием радиоактивного излучения) является одним из основных методов лечения онкологических заболеваний, который подразумевает использование радиации для уменьшения размеров опухоли или полного ее разрушения. Несмотря на успехи, достигнутые в лечении злокачественных новообразований с помощью лучевой терапии, проблема формирования радиорезистентности опухолей продолжает оставаться одной из важнейших для онкологии. Механизмы радиорезистентности рака очень сложны и зависят от многих факторов, из которых гипоксия является наиболее важным. Известно, что под влиянием гипоксии происходит изменение метаболизма опухолевых клеток, активация механизмов ангиогенеза и эпителиально-мезенхимальной трансформации, формируется пул раковых стволовых клеток, отличающихся химио- и радиорезистентностью. Поэтому проблема повышения эффективности лучевой терапии приобретает важное социально-экономическое значение и требует поиска оптимальных средств ее решения.
Одним из возможных направлений повышения эффективности лучевой терапии является использование радиосенсибилизирующих препаратов, способных регулировать активацию/супрессию внутриклеточных сигнальных каскадов, ответственных за развитие радиорезистентности опухолей в условиях гипоксии. С этих позиций перспективными представляются сульфатированные гликаны водорослей и их производные, которые зарекомендовали себя как эффективные нетоксичные природные модуляторы, проявляющие хемопревентивное, антипролиферативное, антиметастатическое, про-апоптотическое, метаболически-ориентированное и радиопротекторное действие.
Цель данного проекта - исследовать потенциал и молекулярный механизм действия гликанов водорослей различной структуры и их производных в коррекции адаптивных гипоксических состояний резистентных опухолевых клеток человека с целью повышения эффективности лучевой терапии онкологических заболеваний. Выявить взаимосвязь между структурой полисахаридов водорослей и их радиосенсибилизирующим действием.
В ходе исследования планируется получение серии высокоочищенных и структурно охарактеризованных препаратов гликанов – ламинаранов и фукоиданов из бурых водорослей Laminaria dentigera, Fucus evanescens и Sargassum horneri, а также ульванов из зеленых водорослей Ulva lactuca и Ulva fenestrate и продуктов их химической и ферментативной трансформации.
В рамках проекта будут получены новые данные о влиянии и молекулярном механизме действия ионизирующего излучения на процессы канцерогенеза 2D и 3D клеток меланомы, карциномы толстого кишечника и рака молочной железы человека в условиях нормоксии и гипоксии. Полученные в ходе выполнения проекта данные существенно расширят наши знания о формировании радиорезистентности, опосредованной гипоксией, в различных типах опухолей, а также позволят определить потенциальные мишени для ее преодоления. Впервые будет изучена способность гликанов водорослей и их химически- и ферментативно-модифицированных производных повышать чувствительность резистентных различных опухолевых клеток человека к радиоактивному излучению на моделях in vitro, ex vivo и in vivo в условиях гипоксии.
Таким образом, оригинальность структур биогликанов водорослей, исследуемых в данном проекте, а также получение производных полисахаридов с установленной структурой привлекают внимание биохимиков к этой группе природных веществ, а разнообразная биологическая активность позволяет рассматривать их как потенциальные препараты, способные корректировать адаптивные гипоксические состояния опухолевых клеток, ассоциированные с формированием радиорезистетности и прогрессированием онкологических заболеваний.
Ожидаемые результаты
Впервые будет проведено комплексное исследование механизмов развития радиорезистентности в отношении различных типов злокачественных опухолевых клеток in vitro, ex vivo и in vivo в условиях гипоксии, а также способов преодоления радиорезистентности с применением сульфатированных гликанов различной структуры.
В ходе выполнения проекта будут получены высокоочищенные структурно охарактеризованные препараты гликанов (ламинаранов, фукоиданов и ульванов) из бурых (Fucus evanescens, Sargassum horneri и Laminaria dentigera), а также зеленых водорослей (Ulva lactuca и Ulva fenestrata) в количествах, достаточных для проведения биологических испытаний. Будут получены сульфатированные производные ламинаранов, выделенных из бурых водорослей F. evanescens и L. dentigera. Впервые для структурной модификации фукоиданов и ульванов будет применен обширный арсенал различных ферментов с установленной специфичностью и механизмом действия. Структуры полученных производных будут установлены с применением современных спектральных методов исследования: ЯМР- спектроскопии и масс-спектрометрии. Полученные ферментативные производные фукоиданов и ульванов будут различаться по молекулярным массам, наличию/отсутствию разветвлений, а также по количеству и расположению сульфатных групп. Это позволит определить вклад отдельных элементов структур этих сложных биополимеров в проявляемые ими биологические эффекты и сделать вывод о взаимосвязи между структурой и биологическим действием сульфатированных гликанов.
Будет проведена оценка уровня экспрессии белков (HIF-1alfa, p53, c-myc, VHL, GLUT-1, Р-селектина, p-Akt, p-ERK1/2) внутриклеточных сигнальных каскадов, отвечающих за развитие радиорезистентности опухолей на моделях двухмерных (2D) и трехмерных(3D) клеточных культур меланомы, колоректальной карциномы и рака молочной железы человека в условиях нормоксии и гипоксии. Это позволит оценить уровень экспрессии потенциальных белковых мишеней сульфатированных гликанов в раковых клетках при нормоксии и гипоксии.
Впервые будут получены данные о влиянии ионизирующего излучения на процессы выживаемости, пролиферации, формирования колоний, индукции апоптоза и инвазии 2D и 3D опухолевых клеток в условиях нормоксии и гипоксии. Впервые будет изучена способность исследуемых гликанов водорослей и их химически и ферментативно модифицированных производных повышать чувствительность резистентных 2D и 3D клеток меланомы, карциномы толстого кишечника и рака молочной железы человека к радиоактивному излучению на моделях in vitro в условиях гипоксии и механизм действия.
Впервые будет изучено радиосенсибилизирующее действие гликанов водорослей и их производных на модели карциномы Эрлиха ex vivo и in vivo.
На основе полученного массива экспериментальных данных впервые будет установлена взаимосвязь между радиорезистентностью опухолевых клеток в условиях гипоксии и наиболее важными медиаторами опухолевого процесса, а также выявлена роль и потенциал природных гликанов водорослей и их производных в повышении чувствительности резистентных опухолевых клеток к радиационному излучению.
В результате выполнения проекта будет получена новая информация о механизмах противоопухолевого и радиосенсибилизирующего действия сульфатированных гликанов, относящихся к различным структурным группам. Предполагается, что некоторые из полученных в результате реализации проекта соединений могут быть рекомендованы в качестве препаратов для эффективной коррекции гипоксических состояний опухолей с целью преодоления радиорезистентности при лучевой терапии. Полученные данные послужат основой для повышения эффективности лучевой терапии при онкологических заболеваниях.
Ожидаемые результаты не будут уступать мировому уровню развития науки в данном направлении, а во многом будут превосходить его.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе проекта выделены высокоочищенные препараты ламинаранов и фукоиданов из бурых водорослей Saccharina dentigera и Fucus distichus subsp. evanescens, а также ульванов из Ulva lactuca. Методами хроматографии, ЯМР- и масс-спектрометрии установлена их детальная химическая структура. Показано, что ламинаран из S. dentigera (SdeL) имеет основу из 1,3-связанных остатков β-D-глюкозы с единичными ответвлениями по С6 (соотношение связей 1,3:1,6 = 10:1). Ламинаран из F. evanescens (FeL) имеет более разветвленную структуру (соотношение 1,3:1,6 = 4:1) с ответвлениями в виде глюкозы и гентиобиозы. Методом прямого сульфатирования получены их производные с заданной степенью сульфатирования.
Фукоидан из S. dentigera (SdeF) представляет собой 1,3-связанный α-L-фукан с ответвлениями в положении 2 и сульфатными группами в положениях 2 и 4. Фукоидан из F. evanescens (FeF) состоит из чередующихся 1,3- и 1,4-связанных остатков α-L-фукопиранозы, сульфатированных в положении 2, и содержит ацетатные группы.
Ульваны из U. lactuca состоят преимущественно из чередующихся дисахаридных звеньев [→4)-α-L-Rha3S-(1→4)-β-D-GlcA-1→/α-L-IdoA] и других.
С помощью набора рекомбинантных ферментов (эндо-фуканаз, сульфатаз, фукозидаз, ульван-лиаз) проведена направленная ферментативная модификация фукоидана FeF и ульвана из U. lactuca, позволившая получить серию производных с различной молекулярной массой, степенью сульфатирования и расположением сульфатных групп. Установлено, что полученные производные существенно различаются по своим структурным параметрам, что определяет их биологическую активность.
Оптимизирована модель химически индуцированной гипоксии с использованием CoCl₂, которая, в отличие от метода герметичного планшета, обеспечивает стабильный и физиологически релевантный уровень гипоксии без массовой некротической гибели клеток.
На клеточных линиях меланомы (RPMI-7951), колоректальной карциномы (HCT 116) и рака молочной железы (MDA-MB-231) показано, что гипоксия не только защищает часть клеточной популяции от радиационно-индуцированной гибели, но и способствует селекции высокоагрессивных клоногенных клеток с повышенным пролиферативным потенциалом, что является прямым свидетельством развития адаптивной радиорезистентности. Выявлена универсальная активация сигнальных белков HIF-1α, GLUT 4, p-ERK1/2 и каспазы 7 в ответ на комбинированное воздействие гипоксии и радиации, а также клеточно-специфичная активация путей p-p53/c-Myc (RPMI-7951) и p-AKT (HCT 116).
На модели клеток меланомы RPMI-7951 продемонстрировано выраженное радиосенсибилизирующее действие фукоидана FeF из бурой водоросли F. evanescens. Установлен ключевой молекулярный механизм радиосенсибилизирующего действия фукоидана, связанный с ингибированием пути PI3K/AKT/mTOR. Это приводит к дестабилизации HIF-1α, подавлению экспрессии переносчика глюкозы Glut 4 и ключевых гликолитических ферментов (гексокиназы II, пируваткиназы), вызывая метаболический коллапс. Параллельно фукоидан индуцирует апоптоз через активацию каспазного каскада (каспазы 9, 3, 7) и регуляцию про- (BAK, BAX) и антиапоптотических (Bcl-2) белков.
На модели трижды негативного рака молочной железы (MDA-MB-231) показано, что ингибитор гликолиза 2-деокси-D-глюкоза (2-ДГ) индуцирует компенсаторную активацию окислительного фосфорилирования (OXPHOS). Установлено, что тритерпеновый гликозид (SpD) из морской звезды Solaster pacificus в комбинации с 2-ДГ эффективно подавляет эту метаболическую резистентность через усиление активности опухолевого супрессора VHL, индукцию оксидативного стресса и запуск митохондриального апоптоза.
Показано, что фукоидан SdeF из S. dentigera эффективно подавляет миграцию (в 2D-модели) и инвазию (в 3D-модели сфероидов) клеток меланомы, колоректальной карциномы и рака молочной железы, индуцированную рентгеновским облучением в условиях гипоксии, снижая их метастатический потенциал и радиорезистентность.
Полученные в рамках проекта результаты закладывают прочную основу для продолжения исследований в рамках данного проекта. Установленные четкие взаимосвязи «структура-активность» демонстрируют, что направленный синтез и ферментативная модификация полисахаридов водорослей представляют собой мощный инструмент для создания целевых препаратов, преодолевающих гипоксия-опосредованную радиорезистентность опухолевых клеток.
Результаты работы представлены в виде докладов на российских конференциях и отправлены в редакцию высокорейтинговых международных журналов.
Публикации
1. Шкрабов Р.А., Шевченко Н.М., Анастасюк С.Д., Маляренко О.С., Ермакова С.П. ВЫДЕЛЕНИЕ И ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ФУКОИДАНА ИЗ БУРОЙ ВОДОРОСЛИ SACCHARINA SCULPERA VII Всероссийская конференция Фундаментальная гликобиология, Москва, стр. 98 (год публикации - 2025)
2. Маляренко О.С., Дружинина В.Р., Ермакова С.П. РАДИОСЕНСИБИЛИЗИРУЮЩЕЕ И РАДИОПРОТЕКТОРНОЕ ДЕЙСТВИЕ СУЛЬФАТИРОВАННЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ IN VITRO И IN VIVO VII Всероссийская конференция Фундаментальная гликобиология, стр. 83 (год публикации - 2025)
3. Ермакова С.П., Маляренко О.С., Сильченко А.С., Шевченко Н.М., Кусайкин М.И. БИОФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ПОЛИСАХАРИДОВ БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ И ИХ ПРОИЗВОДНЫХ VII Всероссийская конференция Фундаментальная гликобиология, Москва, 17 (год публикации - 2025)
4.
Дружинина В.Р., Маляренко О.С., Ермакова С.П.
РАЗРАБОТКА IN VITRO МОДЕЛИ РАДИОРЕЗИСТЕНТНОСТИ КЛЕТОК МЕЛАНОМЫ ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОТИВООПУХОЛЕВОГО ПОТЕНЦИАЛА ФУКОИДАНА БУРОЙ ВОДОРОСЛИ FUCUS DISTICHUS SUBSP. EVANESCENS
"Клеточные культуры как ресурс для биомедицинских исследований", Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, стр. 55-56 (год публикации - 2025)
10.18720/SPBPU/2/id25-403
5.
Кунщикова А.А., Маляренко О.С., Зуева А.О., Суриц В.В., Ермакова С.П.
ФУКОИДАН ИЗ БУРОЙ ВОДОРОСЛИ ALARIA OCHOTENSIS ИНГИБИРУЕТ ФОРМИРОВАНИЕ КОЛОНИЙ И МИГРАЦИЮ КЛЕТОК МЕЛАНОМЫ ЧЕЛОВЕКА В УСЛОВИЯХ ГИПОКСИИ ПОСРЕДСТВОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ИХ МЕТАБОЛИЗМА
"Клеточные культуры как ресурс для биомедицинских исследований", Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, стр. 94-95 (год публикации - 2025)
10.18720/SPBPU/2/id25-403