Ученые из НовГУ, МГУ и Московской городской онкологической больницы №1 разработали и протестировали технологию быстрого выращивания трехмерных копий опухолей пациентов с немелкоклеточным раком легкого. Они состоят не только из раковых клеток, но и из компонентов естественного микроокружения опухоли — иммунных клеток и стромы (соединительной ткани, формирующей каркас опухоли). Это позволяет за десять дней после операции протестировать чувствительность новообразования к разным химиопрепаратам и подобрать для пациента максимально эффективную схему лечения. Ранее такие тесты либо занимали недели и месяцы, либо не учитывали микроокружение опухоли, что снижало точность прогноза клинической пользы химиотерапии.
Исследование провела группа ученых под руководством Михаила Дурыманова из лаборатории медицинской информатики НовГУ. В состав авторского коллектива от университета вошли Лилиан Исмаил, Комал Захид, Анна Полянская, Айя Аль Отман, Шэнь Нинфэй, Сяоли Ци, Рушан Сулиманов, Владимир Макаров, Глеб Фильков, Александр Трофименко, Александр Мезенцев и Михаил Дурыманов (также от МГУ). От Московской городской онкологической больницы №1 в исследовании принял участие Юрий Есаков. Результаты работы опубликованы в авторитетном научном журнале Research in Pharmaceutical Sciences.
Немелкоклеточный рак легкого — самая распространенная форма онкопатологии этого органа, на которую приходится до 80 процентов случаев. Пятилетняя выживаемость при этом диагнозе составляет лишь 15-20 процентов. Одна из главных причин столь низкого показателя — отсутствие надежных методов прогнозирования по подбору наиболее эффективного для конкретного пациента химиотерапевтического препарата. Генетический анализ помогает подбирать таргетные препараты, но для классической химиотерапии таких биомаркеров не существует. Поэтому врачи вынуждены назначать лечение вслепую, ориентируясь лишь на стандартные протоколы, а пациенты — тратить драгоценное время на неэффективную терапию.
Для решения этой проблемы ученые разрабатывают модели опухолей in vitro — трехмерные сфероиды и органоиды, выращенные из раковых клеток (и их микроокружения), полученных от пациента. На таких моделях можно тестировать разные препараты и видеть, к каким из них опухоль чувствительна.
Но существующие методы имеют серьезные ограничения. Самый распространенный подход — выращивание органоидов в каплях геля (производства США) — обычно дает структуры, состоящие только из раковых клеток, но не включающие иммунные и стромальные компоненты. Другой метод, основанный на культивировании микрофрагментов ткани в коллагеновом геле, сохраняет микроокружение, но часто приводит к неоднородным по форме и размеру органоидам, что затрудняет стандартизированное тестирование лекарств. В результате эффективность получения пригодных для анализа трехмерных культур варьируется от 40 до 70%, процесс выращивания занимает недели, а иногда и месяцы, а за время долгого культивирования теряются важные компоненты микроокружения опухоли — иммунные клетки и фибробласты, которые играют ключевую роль в формировании лекарственной устойчивости.
Ученые из Великого Новгорода и Москвы использовали принципиально иной подход. Вместо традиционного геля, который обычно поддерживает рост только раковых клеток, исследователи использовали стимул-чувствительный гель отечественного производства, имитирующий внеклеточный матрикс — естественное окружение, в котором клетки находятся в организме.
Этот гель обладает уникальным свойством — после того как клетки смешаны с ним и помещены в лабораторный планшет, он начинает постепенно сжиматься. За счет этого клетки принудительно сближаются друг с другом, что ускоряет образование между ними плотных контактов и их самоорганизацию в компактные сфероиды. В обычных гелях клетки остаются в фиксированном положении и должны самостоятельно мигрировать навстречу друг другу (за счет естественной подвижности — клеточной мотильности), что занимает значительно больше времени.
В результате уже через неделю формировались свободноплавающие сфероиды размером более 200 микрометров. Трехмерные клеточные агрегаты такого размера уже пригодны для тестирования лекарств. Причем успешность метода превысила 90 процентов — из 18 образцов опухолевой ткани, сфероиды были получены из 17.
— Ключевое преимущество нашей методики — это скорость, — рассказал научный сотрудник лаборатории медицинской информатики НовГУ Рушан Сулиманов. — Мы получаем готовые сфероиды за одну неделю, а уже через десять дней после операции можем провести тестирование препаратов. Это критически важно для клинической практики, когда решение о назначении адъювантной химиотерапии (назначаемой после удаления опухоли) нужно принимать быстро.
Кроме того, сфероиды, полученные с помощью нового метода, сохранили сложный клеточный состав исходной опухоли. Анализ показал, что в сфероидах сохранились все основные типы клеток, присутствовавшие в исходной опухоли: T-лимфоциты (которые должны атаковать рак), макрофаги (которые могут его защищать), а также клетки стромы, формирующие каркас новообразования. Кроме того, сфероиды сами производили белки внеклеточного матрикса — те самые, которые в организме служат барьером для лекарств и помогают опухоли выживать.
— Нам удалось воссоздать в миниатюре не просто скопление раковых клеток, а сложную систему, включающую все микроокружение опухоли, — отметил ученый. — Именно это позволяет с высокой точностью переносить результаты, полученные на сфероидах, на то, что происходит в организме пациента. Кроме того, в 58% образцов набор сигнальных молекул, которые клетки выделяют в окружающую среду, оказался близок к исходной опухоли. А для шести ключевых веществ, играющих важную роль в развитии рака легкого — например, стимулирующих деление клеток, помогающих опухоли прорастать сосудами или подавляющих иммунный ответ — совпадение было статистически значимым
Полученные от десяти пациентов сфероиды обработали пятью стандартными химиопрепаратами, используемыми при немелкоклеточном раке легкого: цисплатином, этопозидом, пеметрекседом, паклитакселом и гемцитабином. Реакция на препараты сильно различалась от пациента к пациенту: в одних случаях клетки погибали уже при низких дозах, в других — выживали даже в высоких концентрациях. При этом ни один из сфероидов не оказался устойчив ко всем пяти лекарствам сразу.
— Мы измерили активность генов, отвечающих за устойчивость к химиопрепаратам, и нашли прямую связь, — подвел итог Рушан Сулиманов. — Например, у сфероидов, которые оказались устойчивы к одному препарату, уровень работы защитных генов был высоким, а у тех, кто не реагировал на другой – высоким был уровень других генов. При этом набор активных генов у каждого пациента был свой – именно этим и объясняется, почему одна и та же химиотерапия действует на всех по-разному.
Разработанный метод позволяет в клинически приемлемые сроки (около 10 дней) создавать из опухолевой ткани пациента функциональные трехмерные модели, на которых можно тестировать эффективность различных химиопрепаратов. В дальнейшем авторы планируют адаптировать метод для работы с материалом, полученным при минимально инвазивных биопсиях, что позволит использовать его и для предоперационного лечения, а также адаптировать протоколы для тестирования иммунотерапевтических препаратов.
Эту и другие новости читайте в официальном МАХ-канале Новгородского университета.