Рак молочной железы (РМЖ) остается одним из самых распространенных и опасных онкологических заболеваний у женщин. Проблема в том, что традиционные лабораторные модели часто не предсказывают, как опухоль поведет себя у конкретного пациента. Обзорная статья ученых Казанского федерального университета, опубликованная в журнале Molecular Biology, систематизирует мировой опыт создания более точных экспериментальных систем – от 3D-сфероидов и органоидов до моделей «орган-на-чипе» и гуманизированных мышей.

Авторами работы являются ученые Института фундаментальной медицины и биологии КФУ: лаборант-исследователь научно-исследовательской лаборатории «OpenLab Генные и клеточные технологии» Инновационного научно-технологического центра «Биофармпарк» Айсылу Кадырова, профессора кафедры генетики Альберт Ризванов и Валерия Соловьева. Исследование проводилось при поддержке программы «Приоритет – 2030».

«Наша работа о том, как ученые пытаются создать в лаборатории как можно более правдоподобную копию, модель опухоли молочной железы, чтобы заранее понять, как она устроена и как будет реагировать на лечение», – пояснил профессор кафедры генетики ИФМиБ А. Ризванов.

Долгое время основным инструментом моделирования были отдельные опухолевые клетки, которые выращивали на плоской поверхности в чашке Петри. Это очень удобная модель, но реальная опухоль устроена гораздо сложнее. Дело в том, что она включает разные группы раковых клеток, клетки иммунной системы и соединительной ткани, межклеточное вещество, сосуды, участки с недостатком кислорода. Все это влияет на то, будет лекарство работать или нет.

«Поэтому сегодня исследователи переходят от простых 2D-культур к трехмерным сфероидам, органоидам, моделям „орган-на-чипе“, опухолям пациента, пересаженным лабораторным животным, и гуманизированным моделям. Параллельно мы можем читать геном опухоли, точечно менять его работу и анализировать активность тысяч генов и белков», – объяснил доктор биологических наук.

Главная идея работы казанских ученых – показать, что максимальную ценность дает не одна технология сама по себе, а их сочетание. Чем точнее модель воспроизводит реальную опухоль конкретного человека, тем выше шанс еще на доклиническом лабораторном этапе выбрать действительно перспективный препарат и отказаться от заведомо слабого варианта.

Так, исследования свидетельствуют, что примерно 90 процентов лекарственных кандидатов, дошедших до клинической разработки, не становятся зарегистрированными препаратами. Как разъяснил профессор кафедры генетики, это происходит по разным причинам: препарат может оказаться недостаточно эффективным, его действие может быть слабее ожидаемого, могут возникнуть проблемы с дозировкой, побочными эффектами и безопасностью.

«Именно поэтому нам и нужны более точные доклинические модели, чтобы как можно больше неудачных вариантов отсеять еще до перехода к человеку», – подчеркнул ученый.

По словам научных сотрудников, клиническое исследование начинается не с чистого листа. До первого введения человеку препарат проходит большой объем лабораторных исследований безопасности, а сам протокол оценивают регулярные органы и этические комитеты. Участнику все подробно объясняют. В ходе эксперимента состояние пациента всегда находится под контролем. Ризванов добавил, что этика в данной ситуации не противостоит науке, а является обязательной частью правильно организованной науки.

«Для онкологии есть еще одна важная особенность. Иногда в ранние исследования включают пациентов с тяжелым заболеванием, для которых стандартные варианты терапии уже исчерпаны. В такой ситуации потенциальный риск оценивают особенно внимательно, но одновременно надо помнить, что и отсутствие новой терапии для такого пациента тоже может быть смертельным приговором. Поэтому задача клинического исследования – не пожертвовать пациентом ради науки, а найти обоснованный баланс между возможной пользой и риском при максимально строгом контроле», – подчеркнул специалист.

Как же формируются органоиды, о которых идет речь в исследовании? Альберт Ризванов рассказал, что из образца опухолевой ткани пациента выделяют клетки или небольшие фрагменты ткани, после чего помещают их в специальную трехмерную среду, что позволяет образовывать пространственные структуры. Затем подбираются необходимые питательные вещества и сигналы роста.

«Их (органоидов – прим. ред.) ценность в том, что они могут сохранять значительную часть молекулярных и клеточных особенностей исходной опухоли: характерные мутации, активность определенных сигнальных путей, различия между отдельными субпопуляциями клеток. После этого на органоидах можно параллельно тестировать разные препараты или их комбинации и смотреть, какой вариант сильнее подавляет рост именно этой опухолевой ткани. Но нужно помнить, что обычный органоид чаще всего не содержит полноценной сосудистой сети и всего разнообразия иммунных и стромальных клеток. Поэтому сейчас активно развиваются более сложные совместные культуры, где к опухолевым клеткам добавляют компоненты микроокружения», – проинформировал ученый.

В мире существуют клинические исследования и отдельные центры, где органоиды используют как дополнительный инструмент для функционального тестирования чувствительности опухоли к лекарствам. Но для рака молочной железы такой метод пока нельзя назвать повсеместным стандартом медицинской помощи. В большинстве случаев окончательное решение о терапии по-прежнему принимают на основании клинических рекомендаций, стадии заболевания, морфологии опухоли и подтвержденных молекулярных маркеров.

«Главные ограничения – время, стоимость, не из каждого образца удается стабильно получить органоид, а результаты нужно стандартизировать и доказать, что лабораторная чувствительность действительно надежно предсказывает эффект у пациента. Поэтому сейчас органоиды находятся на переходе от исследовательской технологии к практическому инструменту персонализированной онкологии. На мой взгляд, особенно перспективно их использование там, где есть несколько разумных вариантов лечения и нужно понять, какой из них лучше подходит конкретной опухоли», – акцентировал профессор.

Исследование также затрагивает эволюцию моделей РМЖ от простых 2D-культур до сложных 3D-систем и моделей invivo. Первоначальные варианты считаются «золотым стандартом» доклинических исследований. Проблема возникает тогда, когда результат такой простой модели начинают напрямую переносить на человека. По словам А. Ризванова, на пластике клетка живет в совершенно других условиях, чем внутри опухоли. В 2D-культуре большая часть соответствующей архитектуры исчезает. Поэтому препарат может великолепно уничтожать отдельные клетки в чашке, но значительно хуже работать в трехмерной опухоли, не говоря уже об организме пациента.

«Именно этот разрыв между „работает в лаборатории“ и „работает у человека“ мы и пытаемся уменьшить», – описал он цель команды казанских ученых.

Самым важным прорывом в исследовании является переход от абстрактной «средней опухолевой клетки» к модели опухоли конкретного пациента. Трехмерные сфероиды были очень важным шагом, потому что вернули клеткам пространственную организацию. Но органоиды и PDX-модели (от английского Patient Derived Xenograft, то есть ксенографт опухоли от пациента животному) пошли дальше: они позволяют сохранить часть индивидуальных особенностей исходной опухоли.

«Я бы не объявлял одну модель победителем всех остальных. Органоиды быстрее и удобнее для параллельного тестирования большого количества препаратов, PDX позволяют оценивать рост опухоли в целом организме, а простые культуры незаменимы для быстрых механистических экспериментов. Настоящий прорыв в том, что сегодня эти модели можно объединить с секвенированием, геномным редактированием CRISPR, мультиомиксным анализом и не просто получить ответ на вопрос „Препарат работает или нет?“, а попытаться объяснить, почему он работает именно в этой опухоли», – детализировал нынешнюю ситуацию Ризванов.

При этом в статье отмечено, что персонализированные модели, в том числе PDO и PDX, сохраняют неоднородность исходной опухоли. Биолог указал на важность этой модели для лечения, так как опухоль – это целая экосистема, где одновременно живут разные клоны опухолевых клеток. Одни могут быть чувствительны к препарату, другие – изначально устойчивы, третьи – способны быстро перестраивать свой обмен веществ или сигнальные пути.

«Сохранение неоднородности позволяет моделировать реальную селекцию под действием лечения. Препарат убивает чувствительную часть опухоли, а устойчивые клетки получают преимущество и начинают доминировать. Поэтому персонализированные модели важны не только для ответа на вопрос о том, что уменьшит опухоль сейчас, но и для более сложного вопроса „Что может остаться после лечения и как предупредить развитие устойчивости?“. Именно отсюда возникает интерес к комбинациям препаратов и последовательным схемам терапии», – заявил ученый.

Поэтому PDX часто лучше воспроизводит чувствительность и устойчивость реальной опухоли к терапии. Но это не идеальная копия: человеческие клетки микроокружения со временем частично заменяются мышиными, модель требует месяцев, стоит дорого и подходит не для каждого образца. Таким образом, «более точная» не означает «абсолютно точная». Ее сила в том, что она находится на ступень ближе к пациенту, чем многократно пассированная клеточная линия.

Если же говорить о современных технологиях в целом, то самое перспективное сегодня – их последовательное сочетание. Так, секвенирование отдельных клеток и пространственные методы показывают карту опухоли: какие мутации присутствуют, какие гены активны в разных клетках и где именно эти клетки находятся. Мультиомиксный анализ объединяет разные уровни информации – ДНК, РНК, белки, метаболиты – и помогает понять, какая сеть нарушена в конкретной опухоли. А геномное редактирование (CRISPR/Cas9) позволяет перейти от наблюдения к эксперименту.

«Если анализ данных показал, что какой-то ген связан с устойчивостью, мы можем выключить его, изменить или, наоборот, активировать и проверить, действительно ли он причинно влияет на ответ на лечение», – подытожил автор исследования.

Альберт Ризванов заметил, что основные современные технологии на данный момент доступны российским ученым. Например, в крупных научных центрах работают секвенаторы нового поколения, широко применяются CRISPR/Cas-системы, имеются специалисты по биоинформатике и собственные вычислительные мощности. Однако доступность не везде одинакова, так как новейшие методики требуют дорогих расходных материалов, стабильной логистики и сильной команды анализа данных.

«Иногда именно стоимость и регулярность доступа становятся более серьезным ограничением, чем отсутствие самой технологии. Поэтому для нас особенно важны коллективные центры, кооперация между лабораториями и развитие собственных реагентов, программных решений и биоинформатической инфраструктуры», – конкретизировал он положение дел в России.

Говоря о перспективах, А. Ризванов подчеркнул, что рак молочной железы – это не одно заболевание: есть разные молекулярные подтипы, разные стадии и очень разное течение. Многие локализованные формы уже сегодня излечиваются у большой доли пациентов. При распространенном заболевании задача часто состоит в том, чтобы максимально долго контролировать опухоль, превращая ее в хроническое состояние.

«Думаю, через десять лет эта граница еще сильнее сдвинется в пользу пациента. Мы будем раньше выявлять минимальные признаки возврата болезни, точнее подбирать таргетные и иммунные препараты, чаще использовать комбинации на основании молекулярного профиля и функционального тестирования на моделях пациента. Для части метастатических опухолей длительный контроль на протяжении многих лет станет обычным. Обещать, что за десять лет мы «полностью победим рак груди» во всех его вариантах, было бы неправильно. Реалистичная цель – сделать лечение все более точным, менее токсичным и не давать опухоли времени сформировать устойчивый клон», – изложил актуальные перспективы исследователь.

В Казанском федеральном на протяжении многих лет развивается экспериментальная онкология, клеточные и генные технологии, трехмерные опухолевые модели и подходы к доклиническому тестированию. Ранее ученые анализировали возможности опухолевых сфероидов и органоидов для персонализированной медицины, изучали механизмы приобретения опухолевыми клетками стволовых свойств в трехмерных моделях, разрабатывали многокомпонентные клеточные тест-системы для скрининга противоопухолевых препаратов.

«Для меня эта тема – логичное продолжение многолетней работы нашей группы в экспериментальной онкологии. Рак молочной железы очень хорошо показывает одну из главных проблем современной онкологии: две опухоли, которые внешне относятся к одному диагнозу, могут иметь совершенно разную молекулярную природу и по-разному отвечать на лечение. Продолжать эту тему, безусловно, имеет смысл. Для нас интересна не только конкретная локализация рака, но и более общая задача: научиться строить такие экспериментальные модели, которые действительно предсказывают поведение опухоли у пациента», – заключил профессор кафедры генетики.

Программа «Приоритет – 2030» важна тем, что позволяет соединять разные направления в одну технологическую цепочку: от молекулярного анализа и клеточной модели до доклинической проверки и дальнейшей трансляции в медицину. В современной онкологии недостаточно иметь только хороший секвенатор или только хорошую клеточную лабораторию. Необходимы биоинформатика, молекулярная биология, клеточные технологии, модели invivo и взаимодействие с клиницистами. Сильная сторона университета заключается в возможности собрать эти компетенции вместе.

При частичной или полной перепечатке материала, а также цитировании необходимо ссылаться на пресс-службу КФУ. 

Присоединяйтесь к каналу КФУ в MAX.