Большинство смертей, связанных с раком, происходит не от первой опухоли, возникшей у пациента, а от рака, который снова появляется через месяцы или годы после лечения.
Ученые считают, что группа редких раковых клеток, называемых клетками-персистерами, может способствовать такому рецидиву. Клетки-персистеры составляют лишь часть раковых клеток; как следует из названия, они сохраняются, несмотря на медикаментозное лечение, могут выживать в организме достаточно долго, чтобы получить новые мутации, которые позволяют им уклоняться от приема лекарств и, в конечном итоге, вызывать рецидивный рост опухоли.
Теперь группа исследователей из Гарвардской медицинской школы и Института Броуд Массачусетского технологического института и Гарварда показала, что небольшая часть клеток-персистеров, называемых циклическими клетками-персистерами, не только выживает при воздействии противораковых препаратов, но и сохраняет способность расти и даже размножаться. при постоянном медикаментозном лечении. Для своего исследования команда разработала новую систему для отслеживания этих клеток и профилирования их с помощью одноклеточной геномики. Анализ выявил ключевые характеристики, которые могут сделать клетки устойчивыми к лечению, и биохимические пути, которые клетки используют для роста.
Результаты, опубликованные в августе. 11 in Nature, может помочь объяснить, почему так много методов лечения рака, которые показывают многообещающие результаты в лаборатории, терпят неудачу в клинических испытаниях. Команда предполагает, что новые методы лечения, нацеленные на эти клетки-персистеры, могут отсрочить или в конечном итоге предотвратить рецидив заболевания.
"Эта работа дает нам беспрецедентное представление о динамике изменений состояния клеток после медикаментозного лечения," сказала Джоан Брюгге, профессор клеточной биологии Луизы Фут Пфайффер в HMS и соавтор статьи с Авивом Регевым, основным членом института в Брод, когда исследование началось. "Такая информация имеет решающее значение для разработки стратегий предотвращения терапевтической резистентности, которая серьезно ограничивает эффективность большинства целевых терапевтических средств сегодня," Брюгге сказал.
Яара Орен, постдокторант в Броуде, научный сотрудник в области клеточной биологии в HMS и ведущий автор статьи, провела исследование в лаборатории Регева под совместным наставничеством Брюгге и Регева.
"Мы надеемся, что наше исследование станет трамплином, который поможет исследователям начать определять методы лечения пациентов с рецидивом," сказал Орен.
Охота на настойчивых
Хотя ученые знали о существовании циклических клеток-персистеров, их относительная редкость среди персистеров – примерно 5 из 1000 клеток-персистеров сохраняют способность к "цикл" или разделить – затрудняет их выделение и определение.
Чтобы сделать возможным более тщательное изучение клеток-персистеров, команда разработала систему маркировки под названием «Арбуз», позволяющую отслеживать живые клетки под микроскопом или профилировать их с помощью одноклеточной геномики. В системе красной меткой отмечены отдельные клетки, и она становится слабее по мере деления и размножения клеток, что позволяет ученым отделить циклические и нециклические клетки. Объединив это с зеленой меткой, которая отмечает определенные клеточные линии, исследователи смогли отслеживать как пролиферацию клеток, так и подтипы клеток, из которых они произошли. Наконец, генетический "штрих-код"- уникальная последовательность ДНК – помечает и идентифицирует каждую стартовую клетку в популяции, которую можно секвенировать.
После того, как исследователи отсортировали клетки по их способности к размножению, они использовали секвенирование одноклеточной РНК и метаболическое профилирование, чтобы изучить механизмы, лежащие в основе способности каждой клетки размножаться при лечении.
Изучение велосипедных клеток
Чтобы увидеть, как клетки-персистеры ведут себя при лечении лекарствами, Орен и его команда лечили их широко используемыми одобренными FDA препаратами, которые нацелены на определенные гены, вызывающие рак.
Исследователи обнаружили, что циклические и нециклические клетки-персистеры следовали разным траекториям, каждая из которых характеризуется уникальными профилями РНК, которые показывают, как экспрессируются гены. Циклические клетки-персистеры показали повышенную экспрессию программ антиоксидантных генов и продуцировали отличный набор метаболитов по сравнению с нециклирующими персистерами. К своему удивлению, исследователи также обнаружили, что цикличность клеток-персистеров зависит от метаболизма, основанного на жирных кислотах, а не на глюкозе – как правило, раковые клетки, как известно, процветают на сахаре. Эти наблюдения были согласованы для нескольких линий раковых клеток, на мышиной модели рака и в образцах опухолей легких человека.
Орен говорит, что эти характеристики цикличности раковых клеток могут объяснить, почему лечение, направленное на персистирующее, может не предотвратить рецидив. Хотя лечение может первоначально снизить общее количество клеток-персистеров, новое исследование показывает, что те же методы лечения могут увеличить долю циклических клеток-персистеров – клеток, которые с большей вероятностью вызывают рецидив. Имея больше времени на выживание и размножение, эти клетки могут также приобретать мутации, которые способствуют устойчивости к лекарствам.
Ученые предлагают методы лечения, специально нацеленные на циклические персистирующие клетки, могут оказаться более эффективными в замедлении рецидива рака. Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи лечили клетки рака легких человека стандартной терапией рака в сочетании с ингибитором окисления жирных кислот, метаболического пути, который питает циклические клетки-персистеры. В опухолях, обработанных таким образом, доля циклических клеток-персистеров уменьшилась.
Заглядывая вперед, Орен хочет увидеть, как в области рака будут использоваться клеточные и животные модели персистирующих клеток, чтобы лучше понять, как эти клетки способствуют устойчивости и рецидивам, а также выявить цели для новых лекарств.
"Я надеюсь, что в течение моей жизни мы сможем сказать пациенту, что он излечился, потому что у него действительно не осталось раковых клеток," Орен сказал. "Это амбициозно, но я настроен оптимистично.
Эта работа была поддержана фондами Hope Funds for Cancer Research, обсерваторией клеток Клармана, Медицинским институтом Говарда Хьюза, Мириам и Шелдон Дж. Фонд медицинских исследований Адельсона, Фонд исследований рака груди, Национальный институт рака и Центр клеточных цепей при Национальном исследовательском институте генома человека при Национальных институтах здравоохранения.
Соавторы HMS: Майкл Цабар, Аарон Хата и Галит Лахав.