Ученые МФТИ вместе со своими коллегами из Санкт-Петербурга. В Петербурге и Израиле проанализировано более 500 ранее опубликованных научных статей и предложен собственный подход к выбору методов лечения одного из самых распространенных видов рака. Подробности опубликованы в обзоре Международного журнала рака.
При выборе исследователи предложили использовать клинические данные о концентрации определенных белков (биомаркеров). Обладая этой информацией, математические модели, разработанные этой командой, позволяют сделать выбор между консервативным лечением (без операции) и радикальным (хирургическим) вмешательством. Более того, авторы считают, что такой подход позволит подобрать оптимальное лечение для каждого пациента.
Рак мочевого пузыря – один из самых распространенных видов рака; Статистика показывает, что каждый 26-й мужчина и каждая 90-я женщина подвержены этой форме рака. В России количество заболевших оценивается в 12500 в год, поэтому проблема точной диагностики стадии рака и правильного лечения актуальна как с научной, так и с клинической точки зрения.
При правильной диагностике и своевременном обнаружении неинвазивный рак мочевого пузыря можно успешно лечить. Опухоль практически всегда начинает расти в слое клеток, выстилающих мочевой пузырь изнутри – эпителии, и если опухоль не успевает повлиять на мышечный слой, то ее можно удалить с минимальным риском рецидива. Однако если опухоль проникла в мышцу мочевого пузыря, то рак называется мышечно-инвазивным; последний гораздо активнее вызывает метастазы, и шансы на полное выздоровление резко снижаются. В настоящее время пятилетняя выживаемость при мышечно-инвазивном раке мочевого пузыря составляет от 30 до 50 процентов – эти цифры показывают количество пациентов, выживающих в течение пяти лет после обнаружения такой опухоли.
"В этой работе мы сопоставляем последние клинические, молекулярные и клеточные данные, связанные с мышечно-инвазивным раком мочевого пузыря. Мы используем эти данные для разработки математической модели заболевания. Конечными целями нашей работы являются, во-первых, определение биомаркеров и конкретных клинических параметров, с помощью которых можно точно определить стадию этой агрессивной формы рака; во-вторых – разработка индивидуальных стратегий ее лечения в каждом конкретном случае," – говорит Александр Киселев, профессор МФТИ, ведущий автор новой статьи.
Опухоли рака мочевого пузыря имеют разные биохимические и клеточные характеристики, разные генетические и эпигенетические профили, и все эти вариации могут быть обнаружены даже у одного пациента. Конкретные мутации, произошедшие в ДНК раковой клетки, влияют на то, как опухоль реагирует на терапию. Определение точного типа опухоли (ее профиля) может значительно повысить шансы на успешное лечение и, в то же время, минимизировать побочные эффекты.
Определить генетический профиль – значит установить последовательность пар нуклеотидов в ДНК. Эта последовательность определяет, какие молекулы белка и РНК (рибонуклеиновой кислоты) будут синтезированы. Эпигенетический профиль относится к списку активных и "тихий" гены: если модифицируется участок ДНК или хромосомный белок, то часть генов перестанет использоваться.
Молекулярные основы рака
Нормальные клетки трансформируются в раковые из-за серии сбоев на генетическом и молекулярном уровнях. Ключевую роль в этом процессе играет так называемый эпителиально-мезенхимальный переход – эпителиальные клетки, которые образуют слой на поверхности ткани, теряют свою нормальную структуру и не реагируют на химические сигналы, что должно ограничивать их деление и / или вызывают их самоуничтожение (апоптоз). Этот переход вызван рядом факторов, в частности, синтезом повышенного количества определенных белков.
Процесс эпителиально-мезенхимального перехода (ЭМП) напоминает процесс создания нормальных клеток, работающих в обратном направлении – тех, которые изначально получены из стволовых клеток, которые характеризуются более широкой специализацией и могут делиться гораздо большее количество раз. Но если "Правильно" стволовые клетки не образуют опухоль и необходимы для регенерации тканей, процесс ЭМП может привести к возникновению рака – мезенхимальные клетки перестают реагировать на сигналы, поступающие из окружающих тканей, и начинают бесконтрольно расти. Белки, характерные для этой фазы, такие как фактор роста эпителия или белки семейства улиток, могут помочь обнаружить болезнь в самом начале.
Другой белок, который играет решающую роль в диагностике и лечении рака, – это белок p53. Известно, что этот белок предотвращает превращение здоровой клетки в раковую, запуская процесс самоуничтожения при повреждении ДНК и возникновении различных стрессов (в биохимическом, а не психологическом смысле). Этот механизм эффективно защищает организм от злокачественных опухолей, но он не может справиться с теми мутациями, которые происходят внутри гена, кодирующего белок p53. Такие проблемы известны при многих типах рака; они позволяют выявить заболевание, но не дают информации, необходимой для правильного выбора лечения.
Наконец, важным признаком агрессивного мышечно-инвазивного рака мочевого пузыря является изменение концентрации белка Shh. В развивающемся организме этот белок необходим для дифференцировки эмбриональных клеток, но его аномальная экспрессия может быть связана с развитием инвазивного рака.
Буквы Shh обозначают слова "звуковой еж", которые относятся к истории открытия гена, носящего это имя. Во-первых, ученые открыли ген, мутация которого покрыла экспериментальных мух дрозофилы чем-то напоминающим иголки ежа – они закодировали это как "чч", Короче для "еж." Остроумные генетики добавили к этому описанию слово "Соник" в честь вымышленного ёжика – персонажа из игры Sonic the Hedgehog. Затем они открыли гены "ежик в пустыне" а также "Индийский ёжик."
От знания белков до диагностики
Проанализировав данные, авторы предложили следующий подход к лечению рака мочевого пузыря: сначала всех пациентов проверяют на выбранные маркеры развития рака – белки семейства Snail, белки Shh и другие. Для этого проводят биопсию: отщипывают небольшой кусочек опухоли, затем обрабатывают спиртом или формалином – веществами, защищающими опухоль от разложения. Образец заливается парафином, а затем с помощью специального ножа, называемого микротомом, образец разрезается на тонкие срезы.
Чтобы выявить структуру опухоли, срезы "развитый" с помощью реагентов, содержащих модифицированные антитела – белки, способные связываться с определенными частями ткани – антигены. Реакции антиген-антитела происходят в нашем организме каждый день – на них основан иммунитет. Когда, например, микробы попадают в организм, специализированные клетки иммунной системы синтезируют антитела, которые связываются с микробами и предотвращают их распространение. Иммуногистохимические исследования основаны на том же принципе. Если антиген присутствует в образце, то он вступает в реакцию с антителом. Этот процесс можно сравнить со снятием отпечатков пальцев – поверхность кажется чистой, но после обработки специальным порошком появляется узор из сосочковых линий.
Чтобы увидеть антитела, добавляют флуоресцентные красители. Изучая обработанные срезы под микроскопом с набором фильтров, ученые могут обнаружить наличие раковых клеток; и при большом увеличении они могут детально наблюдать расположение исследуемых белков внутри клеток.
Чтобы найти важные маркеры развития опухоли, образец ткани также делится на множество частей, которые распределяются по предметному стеклу микроскопа. Каждая из этих частей подвергается действию определенных антител. Таким образом, из одного куска ткани ученые могут собирать данные о многих биомолекулах. В конечном итоге это позволяет определить стадию развития опухоли и спрогнозировать ее агрессивность и инвазивность. В то же время, множественность образцов на одном куске стекла позволяет выбрать отдельные маркеры с учетом истории болезни пациента и связанных с ним заболеваний.
Полученные качественные и количественные данные об экспрессии конкретных биологических молекул (маркерных панелей) будут использованы в математической модели, предложенной авторами, для того, чтобы:
После завершения лечения необходимо провести дальнейшие тесты с использованием выбранных панелей маркеров для оценки результатов. Авторы понимают, что в зависимости от результатов может потребоваться радикальное изменение курса лечения. Такой подход к ведению истории болезни предоставит необходимые клинические данные для большого количества пациентов, что должно помочь лечащим врачам улучшить процесс диагностики и процесс выбора индивидуального лечения для каждого пациента. В то время, когда на счету каждый день, это реальная возможность продлить жизнь многим пациентам.