Измерение состояния раковых клеток может выявить восприимчивость к лекарствам

За последние несколько десятилетий ученые добились больших успехов в понимании генетических мутаций, которые могут вызывать рак. В отношении некоторых типов рака эти открытия привели к разработке лекарств, направленных на определенные мутации.

Однако до сих пор существует множество видов рака, для которых не существует такой целевой терапии. Команда исследователей из Массачусетского технологического института, Института рака Дана Фарбер и других учреждений в настоящее время изучает, влияет ли другая клеточная характеристика – паттерны экспрессии РНК – на реакцию на лекарства и может ли она использоваться для определения методов лечения, к которым может быть восприимчива опухоль.

В новом исследовании раковых клеток поджелудочной железы исследователи определили три прототипа состояния экспрессии РНК и выявили различия в их восприимчивости к различным противораковым препаратам. Они также обнаружили, что изменение микросреды опухоли может переводить опухолевые клетки из одного состояния в другое, потенциально предлагая способ сделать их более восприимчивыми к определенному лекарству.

«В этой статье мы показываем, что состояние раковых клеток является пластичным в ответ на микросреду и оказывает огромное влияние на чувствительность к лекарствам. Это открывает новые горизонты для размышлений о разработке лекарств и о том, как выбирать лекарства для отдельных пациентов », – говорит Алекс Шалек, главный член Института медицинской инженерии и науки (IMES) при Массачусетском технологическом институте, доцент химии и заочный член. Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха. Он также является членом Института Рэгона при MGH, Массачусетском технологическом институте и Гарварде и членом Института Броуда.

Шалек и Брайан Вулпин, доцент медицины Гарвардской медицинской школы и Института рака Дана-Фарбер; Уильям Хан, профессор медицины Гарвардской медицинской школы и Дана-Фарбер; и Эндрю Агирре, доцент медицины Гарвардской медицинской школы и Дана-Фарбер; являются ведущими авторами исследования, которое публикуется сегодня в Клетка. Ведущими авторами статьи являются Сриватсан Рагхаван, преподаватель медицины Гарвардской медицинской школы, и Дана-Фарбер; Питер Винтер, постдок Массачусетского технологического института; Эндрю Навиа, аспирант Массачусетского технологического института; и Ханна Уильямс, научный сотрудник в области медицины Гарвардской медицинской школы и Дана-Фарбер.

Состояния ячеек

Секвенирование генома клетки может выявить мутации, связанные с раком, но идентификация этих мутаций не всегда дает информацию, на которую можно воздействовать для лечения конкретной опухоли. Чтобы получить дополнительные данные, которые можно было бы использовать для выбора более целенаправленных методов лечения, Шалек и другие исследователи обратились к одноклеточному секвенированию РНК, которое выявляет гены, которые экспрессируются каждой клеткой в ​​определенный момент времени.

«Есть много ситуаций, в которых генетика невероятно важна, и вы можете разработать эти очень точные лекарства, нацеленные на мутации или транслокации», – говорит Навиа. «Но во многих случаях сами по себе мутации не дают вам эффективного способа воздействовать на раковые клетки по сравнению со здоровыми».

В этом исследовании исследователи проанализировали клетки аденокарциномы протока поджелудочной железы (PDAC). Для лечения опухолей поджелудочной железы доступно очень мало таргетных препаратов, поэтому большинство пациентов получают химиотерапевтические препараты, которые могут быть эффективными на начальном этапе, но часто перестают работать, когда опухоли становятся устойчивыми. Используя секвенирование одноклеточной РНК, исследователи проанализировали около 25 образцов метастатических опухолей от пациентов с раком поджелудочной железы.

Предыдущие анализы РНК опухолевых клеток поджелудочной железы выявили две широкие категории состояний клеток: базальное, что является более агрессивным состоянием, и классическое. В новом исследовании исследователи определили третье состояние, которое, по-видимому, является промежуточным между этими двумя. Исследователи говорят, что раковые клетки могут проходить через это состояние при переходе от классического к базальному.

Исследователи также обнаружили, что среда, в которой растут раковые клетки, играет ключевую роль в определении их состояния. В этом исследовании они вырастили соответствующие «органоиды» или крошечные агрегаты рака из биопсии каждого пациента. Такие органоиды часто используются в трубопроводах точной медицины для моделирования опухолей у отдельных пациентов, чтобы помочь идентифицировать лекарства, которые могут быть полезны для этих людей.

При сравнении каждого одноклеточного профиля in vivo с подобранным ex vivo органоид модели, исследователи обнаружили, что органоиды часто существуют в другом состоянии РНК, чем раковые клетки, исследованные непосредственно у одного и того же пациента. «Мы видим одни и те же мутации ДНК в исходной опухоли и ее модели, но когда мы начинаем исследовать, как они выглядят на уровне РНК, мы обнаруживаем, что они очень, очень разные», – говорит Шалек.

Это говорит о том, что на состояние опухоли могут влиять условия, в которых она растет, а не только ее генетика, говорит он. Исследователи также обнаружили, что они могут заставлять раковые клетки, даже давно установленные модели клеточных линий, переключаться между различными состояниями, изменяя условия их роста. Например, обработка клеток TGF-бета переводит их в более агрессивное, базальное состояние, в то время как удаление TGF-бета заставляет клетки возвращаться в классическое состояние в чашке.

Клетки в каждом из этих состояний зависят от различных сигнальных путей, чтобы выжить, поэтому знание состояния клеток имеет решающее значение для выбора правильного лекарства для лечения конкретной опухоли, говорят исследователи.

«Когда мы начали изучать чувствительность к лекарствам, стало очень ясно, что одна и та же модель, переведенная в другое состояние, будет очень по-разному реагировать на лекарство», – говорит Навиа. «Эта специфическая для состояния чувствительность становится критической, когда мы думаем о выборе лекарств и избегании резистентности. Если вы не знаете правильного состояния, вы можете выбрать совершенно неправильное соединение и попытаться воздействовать на неправильные пути. Если не учитывать пластичность, рак может реагировать только временно, пока его клетки не изменят состояние ».

Таргетная терапия

Полученные данные предполагают, что дальнейший анализ взаимодействия генетики, состояния клеток и микросреды опухоли может помочь исследователям в разработке новых лекарств, которые будут эффективно воздействовать на опухоли отдельных пациентов.

«Мы не стираем десятилетия понимания рака как генетического заболевания, но мы определенно говорим, что нам нужно гораздо лучше понять взаимосвязь между генетикой и состоянием», – говорит Уинтер. «Состояние клетки абсолютно связано с лежащей в основе чувствительностью определенных моделей и, следовательно, пациентов и конкретных лекарств».

Открытие того, что раковые клетки можно переводить из одного состояния в другое, изменяя сигналы в их микросреде, повышает возможность блокировки раковых клеток в определенном состоянии предсказуемым образом путем терапевтического изменения микросреды опухоли, а затем введения отдельного лекарства для нацеливания. это заблокированное состояние и повысить эффективность лечения.

Вместе со своими коллегами из Dana-Farber команда Массачусетского технологического института сейчас проводит гораздо более масштабные проверки лекарств, чтобы измерить, как каждое лекарство влияет на раковые клетки поджелудочной железы в разных состояниях. Они также изучают другие типы рака, чтобы определить, способны ли эти раковые клетки также переходить из одного состояния в другое в ответ на изменения в их микросреде.

Исследование частично финансировалось Национальными институтами здравоохранения, Институтом Коха и Проектом моста Дана-Фарбер / Гарвардского онкологического центра, Центром молекулярной онкологии Людвига при Массачусетском технологическом институте, программой молодых исследователей Бекмана, стипендией Слоуна в области химии, и Программа ученых Пью-Стюарта по исследованию рака.