rpmjResearch'n Practical Medicine JournalResearch and Practical Medicine Journal2410-1893"QUASAR", LLC10.17709/2410-1893-2023-10-4-5NDLLNMrpmj-935Research ArticleОригинальные статьи. Онкология, лучевая терапияOriginal Articles. ОncologyТрансплантация митохондрий из клеток злокачественной опухоли человека как метод формирования опухолевого роста в легких лабораторных животныхTransplantation of mitochondria from human malignant tumor cells as a method of tumor growth formation in the lungs of laboratory animalshttps://orcid.org/0000-0003-3061-6108КитО. И.KitO. I.

 

Кит Олег Иванович – академик РАН, д.м.н., профессор, генеральный директор ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3061-6108, SPIN: 1728-0329, AuthorID: 343182, Scopus Author ID: 55994103100, Researcher ID: U-2241-2017

 

 

Oleg I. Kit – Academician of RAS, Dr. Sci. (Medicine), Professor, General Director of National Medical Research Centre for Oncology of the Ministry of Health of Russia, Rostov-on-Don, Russian Federation

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3061-6108, SPIN: 1728-0329, AuthorID: 343182, Scopus Author ID: 55994103100, Researcher ID: U-2241-2017

super.gormon@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3618-6890ФранциянцЕ. М.FrantsiyantsE. M.

 

Франциянц Елена Михайловна – д.б.н., профессор, заместитель генерального директора по науке ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3618-6890, SPIN: 9427-9928, Author ID: 462868, Scopus Author ID: 55890047700, Researcher ID: Y-1491-2018

 

 

Elena M. Frantsiyants – Dr. Sci. (Biology), Professor, Deputy General Director for Science of National Medical Research Centre for Oncology of the Ministry of Health of Russia, Rostov-on-Don, Russian Federation

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3618-6890, SPIN: 9427-9928, Author ID: 462868, Scopus Author ID: 55890047700, Researcher ID: Y-1491-2018

super.gormon@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2943-7655ШихляроваА. И.ShikhlyarovaA. I.

 

Шихлярова Алла Ивановна – д.б.н., профессор, старший научный сотрудник лаборатории изучения патогенеза злокачественных опухолей ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2943-7655, SPIN: 6271-0717, Author ID: 482103, Scopus Author ID: 57312836900, Researcher ID: Y-6275-2018

 

Alla I. Shikhlyarova – Dr. Sci. (Biology), Professor, Senior Researcher at Laboratory of Malignant Tumor Pathogenesis Study, National Medical Research Centre for Oncology of the Ministry of Health of Russia, Rostov-on-Don, Russian Federation

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2943-7655, SPIN: 6271-0717, Author ID: 482103, Scopus Author ID: 57312836900, Researcher ID: Y-6275-2018

shikhliarova.a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7395-3086НескубинаИ. В.NeskubinaI. V.

 

Нескубина Ирина Валерьевна – к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории изучения патогенеза злокачественных опухолей ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7395-3086, SPIN: 3581-8531, AuthorID: 794688, Scopus Author ID: 6507509066, ResearcherID: AAG-8731-2019

 

 

Irina V. Neskubina – Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher at Laboratory of Malignant Tumor Pathogenesis Study, National Medical Research Centre for Oncology of the Ministry of Health of Russia, Rostov-on-Don, Russian Federation

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7395-3086, SPIN: 3581-8531, AuthorID: 794688, Scopus Author ID: 6507509066, ResearcherID: AAG-8731-2019

neskubina.irina@mail.ruНациональный медицинский исследовательский центр онкологии Министерства здравоохранения Российской Федерации<p> г. Ростов-на-Дону, Российская ФедерацияNational Medical Research Centre for Oncology of the Ministry of Health of Russia<p> Rostov-on-Don, Russian Federation2023191120231045969Copyright &#x00A9; Кит О.И., Франциянц Е.М., Шихлярова А.И., Нескубина И.В., 20232023Кит О.И., Франциянц Е.М., Шихлярова А.И., Нескубина И.В.Kit O.I., Frantsiyants E.M., Shikhlyarova A.I., Neskubina I.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rpmj.ru/rpmj/article/view/935Цель исследования

Цель исследования. Получение опухолевых очагов рака легкого в организме мышей Balb/c Nude путем трансплантации митохондрий, изолированных из злокачественной опухоли человека.

Материалы и методы

Материалы и методы. Митохондрии рака легкого человека выделяли с применением дифференциального центрифугирования на высокоскоростной рефрижераторной центрифуге. Митохондриальные образцы разводили 0,9 % раствором NaCl до концентрации белка 3 мг на одно животное. Мышам-самцам линии Balb/c Nude (n = 6) в хвостовую вену однократно трансплантировали митохондрии рака легкого. Контролем служили мыши-самцы линии Balb/c Nude (n = 4), которым одноразово в хвостовую вену вводили 0,4 мл физиологического раствора. Всех животных умерщвляли путем декапитации на гильотине через 4 мес. после внутривенной трансплантации митохондрий, изолированных из рака легкого.

Результаты

Результаты. После введения митохондрий в хвостовую вену мышей не обнаружено изменения поведения животных, окраски покровов; не возникало проблем с дыханием, а также аллергических реакций на введение чужеродного белка. Проблемы с дыханием у мышей с трансплантацией митохондрий возникли в период с 113-х по 123-и сутки, тогда же когда отмечено падение массы тела примерно ≥ 25 %. На препаратах легкого мыши-самца линии Balb/c Nude четко просматривались опухолевые узлы, которые представлены солидными структурами, состоящими из полей, ячеек и тяжей из плотно прилегающих атипичных полиморфных клеток сквамозного эпителия со слабо развитой цитоплазмой, близкие к патоморфологической картина рака легкого человека. Признаками аденокарциномы служили железистои сосочкоподобные структуры и комплексы клеток с крупными ядрышками. Клетки сквамозного эпителия характеризовались выраженной атипией и полиморфизмом. Форма ядер у большинства клеток была неправильная, достигающая больших размеров, окраска неоднородная, ядрышки укрупнены. С достаточно высокой частотой встречались многоядерные клетки, а также патологические митозы с четко обозначенными фигурами деления, что свидетельствовало об их пролиферативной активности.

Заключение

Заключение. Применение внутривенной трансплантации митохондрий, изолированных из злокачественной опухоли легкого человека, у мышей-самцов линии Balb/c Nude вызывает рост и развитие в организме злокачественных очагов. Этот ранее не известный факт в экспериментальной онкологии, позволяющий проводить изучение новых свойств митохондрий клеток рака человека.

Purpose of the study

Purpose of the study. Obtaining lung cancer tumors in Balb/c Nude mice by transplantation of mitochondria isolated from human malignant tumors.

Materials and methods

Materials and methods. Human lung cancer mitochondria were isolated using differential centrifugation on a high-speed refrigerated centrifuge. Mitochondrial samples were diluted with 0.9 % NaCl solution to a protein concentration of 3 mg per animal. Freshly isolated lung cancer mitochondria were once transplanted into the tail vein of male Balb/c Nude mice (n = 6) at the rate of 3 mg of protein per 1 animal in 0.4 ml of saline. Male mice of Balb/c Nude line (n = 4), which were injected with 0.4 ml of physiological solution into the tail vein once a day, served as a control group. All animals were killed by guillotine decapitation 4 months after intravenous transplantation of mitochondria isolated from lung cancer.

Results

Results. After the introduction of mitochondria into the tail vein of mice, no changes were found in the animals’ behavior, coloration of coverings. No respiratory problems, and no allergic reactions to the introduction of foreign protein were detected. Respiratory problems in mice with mitochondrial transplantation occurred between days 113 and 123, when a drop in body weight ≥ 25 % was observed. A uniform formation of tumor nodes together with an active filling of the lung space with blood was clearly visible on lung preparations of a Balb/c Nude male mouse after intravenous transplantation of mitochondria from the lung of a patient with non-keratinizing squamous cell carcinoma. Similar characteristics of tumor growth in the lung parenchyma of the patient and Balb/c Nude mice as direct recipients of tumor mitochondria involved solid structures consisting of fields, cells and strands of tightly fitting atypical polymorphic cells of the squamous epithelium with poorly developed cytoplasm. In addition, signs of adenocarcinoma included glandular and papillary-like structures and cell complexes with large nucleoli. Squamous epithelial cells were characterized by severe atypia and polymorphism. The shape of the nuclei was irregular in most cells, with large sizes, the color was heterogeneous, and the nucleoli were enlarged. Multinucleated cells, as well as pathological mitoses with clearly marked division figures, which testified to their proliferative activity, were encountered with a rather high frequency.

Conclusions

Conclusions. Application of intravenous transplantation of mitochondria isolated from malignant human lung tumor in male mice of Balb/c Nude line causes growth and development of malignant foci in male Balb/c Nude mice. This is previously unknown fact in experimental oncology, allowing the study of new properties of mitochondria of human cancer cells.

митохондриивнутривенная трансплантация митохондрийрак легкого человекаморфологические исследованиямыши-самцы Balb/c Nudemitochondriaintravenous transplantation of mitochondrialung cancermale Balb/c Nude micemorphological studiesReferencesLiu W, Cui Y, Zheng X, Yu K, Sun G. Application status and future prospects of the PDX model in lung cancer. Front Oncol. 2023 Mar 24;13:1098581. https://doi.org/10.3389/fonc.2023.1098581Liu W, Cui Y, Zheng X, Yu K, Sun G. Application status and future prospects of the PDX model in lung cancer. Front Oncol. 2023 Mar 24;13:1098581. https://doi.org/10.3389/fonc.2023.1098581Кутилин Д. С., Айрапетова Т. Г., Анистратов П. А., Пыльцин С. П., Лейман И. А., Карнаухов Н. С., Кит О. И. Изменение копийности генов в опухолевых клетках и внеклеточной ДНК у больных аденокарциномой лёгкого. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2019;167(6):731–738.Kutilin DS, Airapetova TG, Anistratov PA, Pyltsin SP, Leiman IA, Karnaukhov NS, Kit OI. Copy number variation in tumor cells and extracellular DNA in patients with lung adenocarcinoma. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2019;167(6):771–778.Firestone B. The challenge of selecting the ‘right’ in vivo oncology pharmacology model. Curr Opin Pharmacol. 2010 Aug;10(4):391– 396. https://doi.org/10.1016/j.coph.2010.06.012Firestone B. The challenge of selecting the ‘right’ in vivo oncology pharmacology model. Curr Opin Pharmacol. 2010 Aug;10(4):391– 396. https://doi.org/10.1016/j.coph.2010.06.012Ibarrola-Villava M, Cervantes A, Bardelli A. Preclinical models for precision oncology. Biochim Biophys Acta Rev Cancer. 2018 Dec;1870(2):239–246. https://doi.org/10.1016/j.bbcan.2018.06.004 Epub 2018 Jun 28. Erratum in: Biochim Biophys Acta Rev Cancer. 2019 Dec;1872(2):188292Ibarrola-Villava M, Cervantes A, Bardelli A. Preclinical models for precision oncology. Biochim Biophys Acta Rev Cancer. 2018 Dec;1870(2):239-246. https://doi.org/10.1016/j.bbcan.2018.06.004 Epub 2018 Jun 28. Erratum in: Biochim Biophys Acta Rev Cancer. 2019 Dec;1872(2):188292Jing X, Yang F, Shao C, Wei K, Xie M, Shen H, Shu Y. Role of hypoxia in cancer therapy by regulating the tumor microenvironment. Mol Cancer. 2019 Nov 11;18(1):157. https://doi.org/10.1186/s12943-019-1089-9Jing X, Yang F, Shao C, Wei K, Xie M, Shen H, Shu Y. Role of hypoxia in cancer therapy by regulating the tumor microenvironment. Mol Cancer. 2019 Nov 11;18(1):157. https://doi.org/10.1186/s12943-019-1089-9Dong L, Gopalan V, Holland O, Neuzil J. Mitocans Revisited: Mitochondrial Targeting as Efficient Anti-Cancer Therapy. Int J Mol Sci. 2020 Oct 26;21(21):7941. https://doi.org/10.3390/ijms21217941Dong L, Gopalan V, Holland O, Neuzil J. Mitocans Revisited: Mitochondrial Targeting as Efficient Anti-Cancer Therapy. Int J Mol Sci. 2020 Oct 26;21(21):7941. https://doi.org/10.3390/ijms21217941Damaghi M, West J, Robertson-Tessi M, Xu L, Ferrall-Fairbanks MC, Stewart PA, et al. The harsh microenvironment in early breast cancer selects for a Warburg phenotype. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jan 19;118(3):e2011342118. https://doi.org/10.1073/pnas.2011342118Damaghi M, West J, Robertson-Tessi M, Xu L, Ferrall-Fairbanks MC, Stewart PA, et al. The harsh microenvironment in early breast cancer selects for a Warburg phenotype. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Jan 19;118(3):e2011342118. https://doi.org/10.1073/pnas.2011342118Humpton TJ, Alagesan B, DeNicola GM, Lu D, Yordanov GN, Leonhardt CS, et al. Oncogenic KRAS Induces NIX-Mediated Mitophagy to Promote Pancreatic Cancer. Cancer Discov. 2019 Sep;9(9):1268–1287. https://doi.org/10.1158/2159-8290.cd-18-1409Humpton TJ, Alagesan B, DeNicola GM, Lu D, Yordanov GN, Leonhardt CS, et al. Oncogenic KRAS Induces NIX-Mediated Mitophagy to Promote Pancreatic Cancer. Cancer Discov. 2019 Sep;9(9):1268–1287. https://doi.org/10.1158/2159-8290.cd-18-1409Cogliati S, Frezza C, Soriano ME, Varanita T, Quintana-Cabrera R, Corrado M, et al. Mitochondrial cristae shape determines respiratory chain supercomplexes assembly and respiratory efficiency. Cell. 2013 Sep 26;155(1):160–171. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.08.032Cogliati S, Frezza C, Soriano ME, Varanita T, Quintana-Cabrera R, Corrado M, et al. Mitochondrial cristae shape determines respiratory chain supercomplexes assembly and respiratory efficiency. Cell. 2013 Sep 26;155(1):160–171. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.08.032Singh B, Modica-Napolitano JS, Singh KK. Defining the momiome: Promiscuous information transfer by mobile mitochondria and the mitochondrial genome. Semin Cancer Biol. 2017 Dec;47:1–17. https://doi.org/10.1016/j.semcancer.2017.05.004Singh B, Modica-Napolitano JS, Singh KK. Defining the momiome: Promiscuous information transfer by mobile mitochondria and the mitochondrial genome. Semin Cancer Biol. 2017 Dec;47:1–17. https://doi.org/10.1016/j.semcancer.2017.05.004Shanmughapriya S, Langford D, Natarajaseenivasan K. Inter and Intracellular mitochondrial trafficking in health and disease. Ageing Res Rev. 2020 Sep;62:101128. https://doi.org/10.1016/j.arr.2020.101128Shanmughapriya S, Langford D, Natarajaseenivasan K. Inter and Intracellular mitochondrial trafficking in health and disease. Ageing Res Rev. 2020 Sep;62:101128. https://doi.org/10.1016/j.arr.2020.101128Walters HE, Cox LS. Intercellular Transfer of Mitochondria between Senescent Cells through Cytoskeleton-Supported Intercellular Bridges Requires mTOR and CDC42 Signalling. Oxid Med Cell Longev. 2021 Jul 31;2021:6697861. https://doi.org/10.1155/2021/6697861Walters HE, Cox LS. Intercellular Transfer of Mitochondria between Senescent Cells through Cytoskeleton-Supported Intercellular Bridges Requires mTOR and CDC42 Signalling. Oxid Med Cell Longev. 2021 Jul 31;2021:6697861. https://doi.org/10.1155/2021/6697861Ali Pour P, Hosseinian S, Kheradvar A. Mitochondrial transplantation in cardiomyocytes: foundation, methods, and outcomes. Am J Physiol Cell Physiol. 2021 Sep 1;321(3):C489–C503. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00152.2021Ali Pour P, Hosseinian S, Kheradvar A. Mitochondrial transplantation in cardiomyocytes: foundation, methods, and outcomes. Am J Physiol Cell Physiol. 2021 Sep 1;321(3):C489–C503. https://doi.org/10.1152/ajpcell.00152.2021Park A, Oh M, Lee SJ, Oh KJ, Lee EW, Lee SC, Bae KH, Han BS, Kim WK. Mitochondrial Transplantation as a Novel Therapeutic Strategy for Mitochondrial Diseases. Int J Mol Sci. 2021 Apr 30;22(9):4793. https://doi.org/10.3390/ijms22094793Park A, Oh M, Lee SJ, Oh KJ, Lee EW, Lee SC, Bae KH, Han BS, Kim WK. Mitochondrial Transplantation as a Novel Therapeutic Strategy for Mitochondrial Diseases. Int J Mol Sci. 2021 Apr 30;22(9):4793. https://doi.org/10.3390/ijms22094793Russell OM, Gorman GS, Lightowlers RN, Turnbull DM. Mitochondrial Diseases: Hope for the Future. Cell. 2020 Apr 2;181(1):168– 188. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.051Russell OM, Gorman GS, Lightowlers RN, Turnbull DM. Mitochondrial Diseases: Hope for the Future. Cell. 2020 Apr 2;181(1):168– 188. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.051Sidarala V, Pearson GL, Parekh VS, Thompson B, Christen L, Gingerich MA, Zhu J, Stromer T, Ren J, Reck EC, Chai B, Corbett JA, Mandrup-Poulsen T, Satin LS, Soleimanpour SA. Mitophagy protects β cells from inflammatory damage in diabetes. JCI Insight. 2020 Dec 17;5(24):e141138. https://doi.org/10.1172/jci.insight.141138Sidarala V, Pearson GL, Parekh VS, Thompson B, Christen L, Gingerich MA, Zhu J, Stromer T, Ren J, Reck EC, Chai B, Corbett JA, Mandrup-Poulsen T, Satin LS, Soleimanpour SA. Mitophagy protects β cells from inflammatory damage in diabetes. JCI Insight. 2020 Dec 17;5(24):e141138. https://doi.org/10.1172/jci.insight.141138Liu Z, Sun Y, Qi Z, Cao L, Ding S. Mitochondrial transfer/transplantation: an emerging therapeutic approach for multiple diseases. Cell Biosci. 2022 May 19;12(1):66. https://doi.org/10.1186/s13578-022-00805-7Liu Z, Sun Y, Qi Z, Cao L, Ding S. Mitochondrial transfer/transplantation: an emerging therapeutic approach for multiple diseases. Cell Biosci. 2022 May 19;12(1):66. https://doi.org/10.1186/s13578-022-00805-7Егорова М. В., Афанасьев С. А. Выделение митохондрий из клеток и тканей животных и человека: Современные методические приемы. Сибирский медицинский журнал. 2011;26(1–1):22–28.Egorova MV, Afanasyev SA. Isolation of mitochondria from cells and tissues of animals and human: modern methodical approaches. Siberian Medical Journal. 2011;26(1–1):22–28. (In Russ.).Гуреев А. П., Кокина А. В., Сыромятникова М. Ю., Попов В. Н. Оптимизация методов выделения митохондрий из разных тканей мыши. Вестник ВГУ, серия: химия, биология, фармация. 2015;4:61–65.Gureev AP, Kokina AV, Syromyatnikov MYu, Popov VN. Optimization of methods for the mitochondria isolation from different mice tissues. Proceedings of Voronezh State University. Series: Chemistry. Biology. Pharmacy. 2015;4:61–65. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.