Чтобы победить нашего злейшего врага, мы должны сначала дать ему вырасти.
Искусство ежедневной работы Денниса Пленкера-это растущий рак. И множество разных тоже.
В зависимости от дня и проекта в чашках Петри, хранящихся в лаборатории Колд-Спринг-Харбор, где Пленкер работает исследователем, могут появляться различные опухоли. Это может быть агрессивный рак молочной железы. Это могут быть глиобластомы, одна из самых смертоносных опухолей головного мозга, которая лишает пациентов способности говорить или читать, вытесняя нормальные клетки. Или это может быть рак поджелудочной железы, быстрый и злобный убийца, который может настигнуть здорового человека в течение нескольких недель или даже дней.
Эти крошечные кусочки опухоли прозрачны и мягки—они похожи на маленькие капельки геля для волос, которые случайно упали в пластиковое блюдо и завладели им. Но их непритязательный внешний вид обманчив. Если бы они все еще находились в человеческих телах, из которых пришли, они бы поглощали питательные вещества, быстро росли и уклонялись от защиты иммунной системы. Но в руках Пленкера—или, скорее, в уникальном учреждении CSHL—эти пресловутые убийцы никого не убивают. Вместо этого ученые позволили им вырасти, чтобы разработать наиболее эффективные способы их уничтожения.
Эти куски опухоли называются органоидами. Они представляют собой трехмерные скопления злокачественных новообразований, используемых для изучения поведения рака и уязвимости к химиотерапии и так называемым “таргетным препаратам”-методам лечения следующего поколения. Ученые использовали для изучения опухолей на одноклеточном уровне, но поскольку опухоли растут как скопления клеток в организме, это оказалось неэффективным. Трехмерные структуры имеют значение. Например, химиотерапия может разрушить внешний клеточный слой опухоли, но внутренние могут вызвать сопротивление, поэтому там, где отдельные клетки могут умереть, 3D - масса восстановится. Органоиды могут пролить свет на эти малоизвестные механизмы лекарственной устойчивости. Они могут показать, как нормальные ткани становятся злокачественными и где клеточный механизм выходит из строя, чтобы это произошло.
Как следует из их названия, органоиды-это окна ученых в органы, как здоровые, так и пораженные болезнью. Вам нужно знать своего врага, чтобы победить его, говорит Пленкер, и раковые органоиды предлагают такую возможность. Взятые у пациентов, в настоящее время проходящих лечение от рака, эти фрагменты опухоли выявят их слабые стороны, чтобы ученые могли найти ахиллесову пяту рака и разработать индивидуальное лечение. “Органоиды-это, по сути, пациенты в тарелке”, - говорит Пленкер. Только в отличие от реальных пациентов, органоиды могут подвергаться всевозможным жестким экспериментам, чтобы найти точные химиотерапевтические коктейли, которые уничтожат их наилучшим образом. И они, вероятно, обеспечат более реалистичный сценарий, чем тесты на наркотики на мышах или крысах, поскольку модели на животных не являются идеальными аналогами для людей.
Эти отъявленные убийцы никого не убивают. Вместо этого ученые разрабатывают наиболее эффективные способы их уничтожения.
То, как рак распространяется в организме, трудно воспроизвести в лаборатории. Исследования стволовых клеток сделали это возможным. После того, как ученые потратили десятилетие на понимание того, как различные клетки размножаются и дифференцируются в другие типы клеток на основе молекулярных сигналов и питания, они смогли заставить клетки расти и сливаться в ткани. Чтобы склеиться, как кирпичи в хорошо уложенной стене, клеткам нужна биологическая основа, которую ученые называют внеклеточным матриксом или ECM, который в организме изготовлен из коллагена и других материалов. Сегодня те же самые коллагеновые каркасы можно имитировать с помощью липкого вещества, называемого Матригелем, а затем засеять специфическими клетками, которые укореняются и начинают размножаться.
Некоторые типы тканей было легко выращивать—ученые Колумбийского университета вырастили жизнеспособные кости еще в 2010 году1. Другие, такие как клетки почек, были сложнее. Они превратились бы в незрелые ткани, неспособные выполнять свою работу по очистке и фильтрации крови. Ученым потребовалось время, чтобы понять, что этим клеткам нужно нечто большее, чем строительные леса и пища,—им нужно было “чувствовать себя как дома” или находиться в своей естественной среде обитания. Почечные клетки нуждались в ощущении жидкости, омывающей их, как обнаружила группа Гарвардского университета, когда им впервые удалось вырастить функционирующую почечную ткань в 2018 году2.
У рака есть свои собственные потребности в росте. В организме им удается кооптировать ресурсы организма, но держать их счастливыми в блюде означает удовлетворять их диетические предпочтения. Различные виды рака нуждаются в различных типах молекулярных факторов роста, гормонов, кислорода и уровней рН, а также других питательных веществ. Аденокарцинома поджелудочной железы процветает в условиях низкого содержания кислорода и недостатка питательных веществ.3 Глиобластомы питаются жирными кислотами.4 Эти питательные вещества доставляются органоидам через специальный раствор, называемый питательной средой, который персонал лаборатории регулярно разливает в посуду.
Пленкеру предъявлено обвинение в том, что он поддерживает этот смертоносный зверинец живым и здоровым. Именно он разрабатывает диетическое меню для больных раком, конкретный протокол для каждого типа. И хотя его официальный титул-менеджер учреждения и исследователь, который тесно сотрудничает с Дэвидом Тувесоном, директором Онкологического центра CSHL, он, по сути, является хранителем рака, куратором уникальной коллекции, которая направлена на изменение парадигмы лечения рака.
Область исследований П. Ленкера-рак поджелудочной железы—один из самых известных известных убийц. Часто диагностируемый поздно и устойчивый к лечению, он, по сути, является смертным приговором—только 8-10 процентов пациентов остаются в живых через пять лет после постановки диагноза. Лекарственные препараты, используемые для его лечения, не менялись в течение 40 лет, говорит Пленкер. В последнее десятилетие врачи пытались комбинировать несколько препаратов вместе с относительным успехом. Выявление выигрышных комбинаций может спасти жизни или, по крайней мере, продлить их—и это то, что органоиды помогут клиницистам сделать лучше.
В новаторском клиническом исследовании под названием PASS-01 (для стратификации признаков аденокарциномы поджелудочной железы для лечения)команда Пленкера сотрудничает с другими американскими и канадскими коллегами, чтобы определить наиболее эффективные химиотерапевтические коктейли и понять поведение опухоли отдельных пациентов, что приведет к более персонализированному лечению.5
Ученые знают, что одни и те же типы рака ведут себя по-разному у разных пациентов. Как правило, все злокачественные новообразования имеют так называемую “мутацию драйвера”-основной триггер рака, вызванный мутировавшим геном. Но опухоли также часто имеют “пассажирские мутации”, которые происходят в близлежащих генах. Эти дополнительные мутировавшие гены могут генерировать различные белки, которые могут мешать лечению. Или нет. Ученые называют эти мутантные комбинации генов мутационными сигнатурами опухолей, которые могут варьироваться от одного пациента к другому. При некоторых видах рака врачи уже знают, какие признаки мутаций у них могут быть, но при раке поджелудочной железы у них нет хороших признаков или биомаркеров, которые могли бы рассказать о них. “Существует не так много биомаркеров, которые помогли бы клиницистам решить, какая химиотерапия может быть лучше для какого пациента”, - объясняет онколог Грейнн О'Кейн, которая лечит больных раком поджелудочной железы в больнице принцессы Маргарет в Торонто, Канада.
Именно по этой причине О'Кейн участвует в исследовании PASS-01—это даст врачам лучшее представление о точных особенностях злокачественных новообразований их пациентов. По мере того, как они берут биопсии у своих пациентов, они отправляют небольшие фрагменты рака в ЦГЛ, чтобы они были выращены в органоиды, которые будут подвергнуты химиотерапевтическим коктейлям различных комбинаций для разработки более персонализированных полков для них.
Больница лечит всех пациентов с помощью так называемой стандартной химиотерапии, которая представляет собой скорее универсальный подход. Некоторые пациенты будут реагировать на это, а другие-нет, поэтому цель состоит в том, чтобы определить вторую линию химиотерапевтической защиты более персонализированным образом. “Вот где могут пригодиться биопсии, которые мы отправляем в лабораторию Тувесона”, - говорит О'Кейн. “Они могут помочь нам найти что-то полезное для пациентов после того, как первая линия химиотерапии перестала действовать”.
Органоиды-это пациенты в тарелке. В отличие от реальных пациентов, органоиды можно подвергать экспериментам.
Ученые могут пробовать всевозможные комбинации на опухолевых органоидах, чего они не могут сделать у живых людей. “Вы можете обработать 100 органоидов 100 различными соединениями и посмотреть, какое из них работает, или какое соединение хорошо работает, а какие вообще не работают”, - говорит Пленкер. Это также позволило бы ученым определить точное количество химиотерапии, чтобы врачам не приходилось чрезмерно лечить пациентов сильнодействующими препаратами, которые вызывают тошнотворные побочные эффекты. В конечном счете, органоиды должны вывести из этого процесса много догадок.
Учитывая, что уже собрано около 150 аденокарцином пациентов, команда надеется получить некоторые ответы. О'Кейн говорит, что у ее команды уже есть три пациента, для которых они смогли разработать более персонализированную химиотерапию второй линии защиты, основанную на том, что показали их органоиды. Они еще не пытались это сделать, потому что судебный процесс начался совсем недавно, но это был бы следующий шаг. “Возможность собрать всю эту информацию воедино в режиме реального времени, когда пациенты проходят курс лечения, действительно может улучшить результаты”, - говорит О'Кейн. И хотя они, возможно, не смогут спасти всех тех, кто любезно пожертвовал свои фрагменты биопсии науке, это поможет создать более эффективные методы лечения в будущем. “Даже если мы не сможем помочь этим конкретным пациентам, мы надеемся использовать эту информацию в будущих клинических испытаниях”, - говорит О'Кейн.
Органоиды также могут помочь понять, как развивается рак. Это особенно верно в отношении рака молочной железы, говорит Камилла дос Сантос, доцент и сотрудник Онкологического центра CSHL. Она изучает внутреннюю жизнь молочных желез человека, чаще называемых грудями, а также является частью команды по борьбе с раком. Гормональные изменения, через которые проходят женщины во время беременности, впоследствии изменяют риск развития рака молочной железы, иногда снижая его, а иногда увеличивая—сложное взаимодействие химических веществ в организме.
“Мы знаем, что у женщин, которые впервые беременеют до того, как им исполнится 25 лет, в более позднем возрасте на 30 процентов снижается заболеваемость раком молочной железы”, - говорит дос Сантос. “Когда им исполнится 60 или 70 лет, у 30 процентов из них не разовьется рак”. Напротив, у тех, кто беременен после 38 лет, на 30-50 процентов чаще развиваются агрессивные типы рака молочной железы. Очевидно, что здесь задействованы некоторые молекулярные переключатели, но их очень трудно изучить внутри организма. Вот где органоиды могут обеспечить окно в тайный процесс.
Используя органоиды молочной железы, ученые могут моделировать сложную жизнь молочных желез на различных этапах жизни женщины. И хотя большинство женщин не хотели бы, чтобы их груди тыкали и прокалывали, когда они беременны или кормят грудью, многие жертвуют свои ткани после операции по уменьшению груди или профилактической мастэктомии из-за мутаций высокого риска, таких как ген BRCA. Вот где сияют органоиды, потому что ученые могут не только выращивать их, но и давать им гормональные сигналы беременности, которые заставят клетки вырабатывать молоко, прекращать кормление грудью или делать это снова—и изучать сложные клеточные взаимодействия, которые происходят в реальной жизни.
Там еще многое нужно изучить. При рождении молочные железы похожи у обоих полов—просто небольшие участки ткани эпителия молочной железы. Но когда наступает половое созревание, женские железы заполняются так называемым молочным деревом-системой протоков для будущей выработки молока, которое полностью “расцветает” во время беременности. “Когда женщина беременеет, дерево протоков расширяется, выращивая два типа клеток—люминальные и миоэпителиальные”, - объясняет Зузана Коледова, доцент Университета Масарика в Чешской Республике, которая также использует органоиды в своей работе. Когда ребенок рождается, светоносные клетки, расположенные внутри протоков, производят белки, из которых состоит молоко. Клетки миоэпителия находятся за пределами протоков и работают как мышцы, которые сдавливают протоки, чтобы вытолкнуть молоко. Дос Сантос сравнивает этот рост молочной железы во время беременности с изменениями сезонов. Изображения прорастающих протоков похожи на цветущие деревья весной, в то время как позже они высыхают, как растения осенью.
Организм управляет этими процессами с помощью молекулярного механизма гормонов, которые стимулируют рост клеток молочной железы во время беременности, а затем вызывают их отмирание. Два гормона, связанные с беременностью, пролактин и окситоцин, отвечают за выработку молока. Пролактин заставляет люминальные клетки вырабатывать молоко, в то время как окситоцин заставляет миоэпителиальные клетки сокращаться. Как только ребенок отлучается от груди, уровень этих гормонов падает, заставляя клетки сокращаться до небеременного состояния.
С помощью органоидов ученые могут наблюдать эту клеточную динамику в работе. Команда Коледовой наблюдала, как органоиды молочной железы выделяют молоко на основе биологических сигналов. Они даже записали фильмы о клетках, перекачивающих крошечные капельки молока в тарелку, в которой они росли. Используя крошечные фрагменты донорской ткани молочной железы, команда вырастила органоиды в матрице Матригеля в питательной среде, а затем добавила в смесь два гормона беременности, объясняет Якуб Сумбаль, исследователь молочной железы в группе Коледовой. Когда они начали выделять белки, из которых состоит молоко, органоиды, которые выглядели как маленькие купола внутри блюда, изменились с полупрозрачных на непрозрачные. “Сначала вы можете видеть их насквозь, но затем, когда они производят эти белки, они как бы темнеют”, - говорит Сумбал. “И вы можете видеть, как они выталкивают эти маленькие капельки”.
Больным раком больше не придется проходить химиотерапию методом проб и ошибок.
Команда Дос Сантоса, которая также проделала аналогичную работу, в своем недавнем исследовании описала молекулярные изменения, которые следуют за такими гормональными сигналами на основе блюд.6 В ответ на гормональные сигналы клетки вырабатывают белки, которые они отображают на своей поверхности, как символы статуса. Во время беременности растущие клетки, подготавливающиеся к производству молока, показывают “белковые флаги”, которые придают им важный вид, привлекая питание. Когда приходит время умирать, они совершают клеточное самоубийство. Они сигнализируют обходящим их макрофагам—команде по очистке иммунной системы—чтобы они их сожрали. “По сути, они говорят макрофагам:” Съешьте меня!", - говорит дос Сантос. ”Потому что я больше не нужен".
Способность имитировать эти процессы в посуде позволяет ученым изучать молекулярные переключатели, которые запускают развитие рака молочной железы—или минимизируют его. Ученые знают, что раковые клетки могут скрываться от иммунной системы и даже кооптировать ее, чтобы защитить себя. Они делают это, показывая свои собственные белковые флаги “не ешьте меня” на поверхности и избегая разрушения. “Иногда раковые клетки могут рекрутировать определенные типы иммунных клеток, чтобы защитить их”, - говорит дос Сантос. “Они могут не только сказать”не ешьте меня", но и сказать макрофагам "иди со мной", и макрофаги будут посылать подавляющие сигналы В-клеткам или Т-клеткам, защитникам организма". Это похоже на то, как если бы рак нуждался в защите—команде хранителей вокруг него, чтобы защититься от других клеток, которые в противном случае уничтожили бы его.
Ученые не могут заглянуть в телескоп тела, чтобы увидеть эти взаимодействия, но теперь они могут наблюдать за этими скрытыми битвами, разворачивающимися в тарелке. “Прямо сейчас мы смотрим на белки, которые секретируются органоидами—белки, которые находятся на поверхности клеток органоидов, и на то, что они передают иммунной системе”, - говорит дос Сантос. ” Даже когда их не окружает иммунная система, они все равно будут это делать". Также есть способ имитировать иммунную систему. Ученые могут добавлять В-клетки, Т-клетки, макрофаги и других игроков в среду роста и наблюдать за полномасштабной клеточной войной в действии. “Это следующий шаг в нашем исследовании”, - говорит дос Сантос.
Понимание того, какие гормональные потоки вызывают рак молочной железы, и как он привлекает другие клетки для безопасного хранения, может дать ученым идеи для фармацевтического вмешательства. “Мы можем найти лекарства, которые фармакологически отключают переключатели, вызывающие рак, или прерывают его сигнализацию для защиты”, - говорит дос Сантос. “Это открывает новые способы обращения с людьми”.
МОЖЕТ ли исследование органоидов привести к новому стандарту лечения онкологических больных? Это конечная цель, говорят исследователи. Вот почему Пленкер работает над тем, чтобы сохранить свою коллекцию раковых опухолей живой, здоровой и процветающей—он называет ее живым биобанком. И еще он держит тайник в криогенном морозильнике. Он также разрабатывает протоколы, которые позволили бы коммерческим компаниям выращивать органоиды так же, как химическая промышленность производит реагенты, или поставщики мышей выращивают грызунов для исследований. Преимущество органоидных экспериментов в том, что в них вообще не участвуют животные.
Больницы могут в один прекрасный день начать выращивать органоиды из биопсий своих пациентов, чтобы разрабатывать и тестировать для них персонализированные химиотерапевтические коктейли. Как только наука перейдет к этой реальности, вся парадигма лечения изменится. Больным раком не придется проходить химиотерапию методом проб и ошибок. Вместо этого их раковые органоиды будут подвергнуты этому процессу—выбиты целым рядом комбинаций лекарств, чтобы найти выигрышную для использования в реальном лечении. Пленкер отмечает, что как только будет собрано достаточно данных о мутационных сигнатурах опухолей, ученые могут создать базу данных опухолевых “фотографий”, сопоставив их с коктейлями химиотерапии, которые превзошли их лучше всего. А затем просто секвенирование образца биопсии немедленно сообщило бы онкологам, какой препарат нужен пациенту. “Возможно, до этого нам еще около 10 лет", - говорит Пленкер, но пока предстоит провести гораздо больше исследований. И еще много раковых опухолей, которые нужно вырастить.