Исследование структурно-модифицированных фукоиданов выявило клеточно-специфические механизмы противоопухолевого действия
Коллектив исследователей из ТИБОХ ДВО РАН опубликовал работу, посвященную систематическому изучению зависимости противоопухолевой активности фукоидана от его молекулярной массы и характера сульфатирования. Фукоиданы являются сульфатированными полисахаридами бурых водорослей. Они давно привлекают внимание исследователей со всего мира благодаря способности ингибировать пролиферацию и метастазирование опухолей, не проявляя при этом токсичности в отношении нормальных клеток. Однако природные фукоиданы гетерогенны по составу и их структуру сложно анализировать ‒ это долгое время препятствовало определению, какие именно особенности молекулы отвечают за биологическую активность. Ситуацию усложняли и противоречивые данные разных исследований: эффективность фукоидана менялась в зависимости от источника сырья и способа его получения.
Для преодоления этих ограничений авторы применили набор рекомбинантных эндо-фукоиданаз семейства GH107, обладающих различной субстратной специфичностью по отношению к сульфатированным участкам α-L-фукопиранозной цепи. Ферментативный гидролиз нативного фукоидана из бурой водоросли Fucus evanescens позволил получить две серии производных: высокомолекулярные фракции (HMP) с молекулярной массой от 66 до 187 кДа и низкомолекулярные олигосахаридные фракции (LMP) со степенью полимеризации от 2 до 12 звеньев и массой около 1,4–2,5 кДа. Важно, что производные различались не только длиной цепи, но и содержанием и расположением сульфатных групп ‒ в частности, содержанием 2,4-ди-О-сульфатированных остатков, которое оценили с помощью спектроскопии ЯМР. Такой подход позволил впервые получить из одного исходного полимера набор структурно охарактеризованных производных с контролируемыми модификациями.
Скрининг биологической активности полученных производных проводили на пяти линиях раковых клеток человека, представляющих различные гистогенетические типы: MCF-7 (протоковая аденокарцинома молочной железы), MDA-MB-231 (трижды негативный рак молочной железы), DLD-1 (аденокарцинома толстой кишки), HuTu-80 (аденокарцинома двенадцатиперстной кишки) и SK-MEL-28 (меланома). Все производные демонстрировали низкую цитотоксичность даже в концентрации 800 мкг/мл (гибель клеток не превышала 18 %). Однако в тесте на способность клеток фоормировать колонии в мягком агаре ‒ модели, отражающей их злокачественный потенциал, ‒ были зафиксированы выраженные и при этом строго клеточно-специфические различия.
Для линий MCF-7 и DLD-1 максимальную супрессию роста колоний обеспечивал нативный высокомолекулярный фукоидан (снижение на 40–50 %), тогда как низкомолекулярные фракции оказались практически неактивными. Это указывает на то, что для данных типов опухолей критическим фактором является протяжённость полимерной цепи, возможно, определяющая мультивалентность взаимодействия с мембранными рецепторами. Напротив, по отношению к клеточным линиям MDA-MB-231, SK-MEL-28 и HuTu-80 наибольшую активность проявляли производные со сниженной молекулярной массой и повышенной степенью сульфатирования. В частности, фракции HMP-W4 и LMP-W3, обогащённые остатками →3)-α-L-Fucp2,4S, ингибировали формирование колоний меланомы на 37–41 % эффективнее, чем исходный полимер. При этом для ингибирования роста клеток меланомы определяющим оказалось именно наличие 2,4-ди-сульфатных групп, тогда как общий уровень сульфатирования не коррелировал с активностью.
Отдельное внимание в работе уделено влиянию эпидермального фактора роста (EGF) ‒ сигнального белка, активность которого имитирует условия, характерные для агрессивных, быстрорастущих опухолей. Стимуляция EGF приводила к изменению чувствительности клеточных линий к отдельным производным фукоидана. Например, клетки MCF-7, в отсутствие EGF реагировали лишь на нативный фукоидан, однако после активации рецептора EGF наибольшую эффективность демонстрировала фракция HMP-W4. Таким образом, экзогенные сигналы могут переключать предпочтительность структурных мотивов, что следует учитывать при моделировании терапевтического действия.
В модели хемопревенции ‒ предотвращения злокачественного перерождения клеток ‒ на нормальных эпидермальных клетках JB6 C141, трансформация которых вызывалась EGF, некоторые HMP- и LMP-производные подавляли рост колоний на 84–97 %, тогда как нативный фукоидан ‒ только на 59 %. Наилучший эффект достигался при сочетании молекулярной массы в диапазоне 5–150 кДа и содержании 2,4-ди-сульфатных остатков выше 13 %. Эти данные свидетельствуют о потенциале ферментативно модифицированных фукоиданов в качестве агентов, эффективно препятствующих инициации неопластических изменений.
В целом, проведённая работа демонстрирует, что структурная гетерогенность фукоидана F. evanescens скрывает упорядоченную доменную организацию, которая может быть выявлена только с помощью селективных фукоидандеградирующих ферментов. Полученные производные с определёнными сульфатными паттернами позволяют избирательно воздействовать на различные типы опухолевых клеток, а клеточно-специфический ответ, дополнительно модулируемый факторами роста, открывает новые перспективы для дизайна адресных противоопухолевых препаратов на основе природных полисахаридов.
Результаты опубликованы в журнале International Journal of Biological Macromolecules.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 25–14-00100).