Реинжиниринг раковых опухолей для самоуничтожения и уничтожения клеток, устойчивых к лекарствам
Лечение рака иногда может напоминать игру «Ударь крота». Болезнь может стать устойчивой к лечению, и врачи никогда не знают, когда, где и какое сопротивление может возникнуть, оставляя их на шаг позади. Но группа под руководством исследователей из Университета штата Пенсильвания нашла способ перепрограммировать развитие болезни и создавать опухоли, которые легче поддаются лечению.
Они создали модульную генетическую схему, которая превращает раковые клетки в «троянского коня», заставляя их самоуничтожаться и убивать близлежащие раковые клетки, устойчивые к лекарствам. Испытанная на линиях человеческих клеток и на мышах в качестве доказательства концепции, схема перехитрила широкий спектр устойчивости .
Результаты были опубликованы сегодня, 4 июля, в журнале Nature Biotechnology . Исследователи также подали предварительную заявку на патентование технологии, описанной в статье.
«Эта идея родилась из разочарования. Мы неплохо справляемся с разработкой новых терапевтических средств для лечения рака, но как мы можем думать о потенциальных средствах лечения рака на более поздних стадиях?» — говорят Джастин Притчард, Дороти Фоэр Хак и Дж. Ллойд Хак, доцент кафедры биомедицинской инженерии и старший автор статьи.
«Селекция генных драйвов — это новая мощная парадигма для противораковой терапии, направленной на эволюцию. Мне нравится идея, что мы можем использовать неизбежность эволюции опухоли против нее самой».
Новые персонализированные лекарства от рака часто терпят неудачу не потому, что терапия неэффективна, а из-за присущего раку разнообразия и гетерогенности, сказал Притчард. Даже если передовая терапия эффективна, со временем развивается резистентность, и лекарство перестает действовать, позволяя раку вернуться.
Затем врачи возвращаются к исходной точке, повторяя процесс с новым препаратом, пока снова не возникнет резистентность. Цикл обостряется с каждым новым лечением, пока не останется никаких других вариантов.
«Вы играете в игру «Ударь крота». Вы не знаете, какая родинка появится следующей, поэтому вы не знаете, какой препарат будет лучшим для лечения опухоли. Мы всегда находимся в затруднительном положении, неподготовленные», — сказал Скотт Лигоу, научный сотрудник в области биомедицинской инженерии и ведущий автор исследования.
Исследователи задались вопросом, могут ли они вместо этого сделать шаг вперед. Могут ли они потенциально устранить механизмы сопротивления до того, как раковые клетки получат шанс развиться и неожиданно появиться? Могут ли они заставить определенного «крота» появиться на доске, того, который им нравится и с которым они готовы бороться?
То, что начиналось как мысленный эксперимент , оказалось действенным. Команда создала модульную схему или селекционный генный привод с двойным переключением для внедрения в немелкоклеточные клетки рака легких с мутацией гена EGFR. Эта мутация является биомаркером, на который могут воздействовать существующие на рынке препараты.
Схема имеет два гена, или переключателя. Переключатель один действует как ген отбора, позволяя исследователям включать и выключать устойчивость к лекарствам, как выключатель света . При включении переключателя один генетически модифицированные клетки становятся временно устойчивыми к определенному лекарству, в данном случае к препарату от рака легких немалых размеров.
Когда опухоль лечится препаратом, собственные раковые клетки, чувствительные к препарату, погибают, оставляя клетки, модифицированные для сопротивления, и небольшую популяцию собственных раковых клеток, устойчивых к препарату. Измененные клетки в конечном итоге растут и вытесняют собственные резистентные клетки, не давая им размножаться и вырабатывать новую устойчивость.
Полученная опухоль в основном содержит генетически модифицированные клетки. Когда переключатель один выключен, клетки снова становятся чувствительными к лекарствам. Переключатель два — это терапевтическая нагрузка. Он содержит ген самоубийства, который позволяет модифицированным клеткам производить диффундирующий токсин, способный убивать как модифицированные, так и соседние немодифицированные клетки.
«Он не только убивает сконструированные клетки, но и окружающие клетки, а именно, природную резистентную популяцию», — сказал Притчард. «Это критически важно. Это популяция, от которой нужно избавиться, чтобы опухоль не выросла снова».
Сначала команда смоделировала популяции опухолевых клеток и использовала математические модели для проверки концепции. Затем они клонировали каждый переключатель, упаковывая их отдельно в вирусные векторы и тестируя их функциональность по отдельности в линиях человеческих раковых клеток. Затем они соединили два переключателя в одну схему и снова ее протестировали. Когда схема доказала свою работоспособность in vitro, команда повторила эксперименты на мышах.
Однако команда не просто хотела знать, что схема работает; они хотели знать, что она может работать во всех отношениях. Они провели стресс-тест системы, используя сложные генетические библиотеки вариантов устойчивости, чтобы увидеть, может ли генный привод функционировать достаточно надежно, чтобы противостоять всем генетическим способам, которыми может возникнуть устойчивость в популяциях раковых клеток.
И это сработало: всего лишь горстка сконструированных клеток может взять верх над популяцией раковых клеток и искоренить высокий уровень генетической гетерогенности. Притчард сказал, что это одна из самых сильных сторон статьи, как концептуально, так и экспериментально.
«Прелесть в том, что мы можем воздействовать на раковые клетки, не зная, что это такое, не дожидаясь, пока они вырастут или разовьется резистентность, потому что в этот момент будет слишком поздно», — сказал Лихоу.
В настоящее время исследователи работают над тем, как транслировать эту генетическую схему таким образом, чтобы ее можно было безопасно и избирательно доставлять в растущие опухоли и, в конечном итоге, в метастатические заболевания.
Другие авторы статьи из Университета штата Пенсильвания включают Марко Арчетти, доцента биологии; Шунь Яо, постдокторанта по биологии; Ивана Сокирного, аспиранта Института наук о жизни им. Хака; и Джошуа Рейнольдса и Зею Янг, сотрудников Департамента биомедицинской инженерии. Соавтор Хайдер Инам был докторантом по биомедицинской инженерии на момент проведения исследования и в настоящее время является научным сотрудником в Институте Брода Массачусетского технологического института и Гарварда. Доминик Водарц, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего, также внес свой вклад в статью.