У злокачественных клеток есть прародительница. Лучевая терапия ведет к более агрессивному метастазированию опухоли. Раковые клетки спят — и это повод надеяться на победу над ними. Все это исследуют в лаборатории персонализированной химиолучевой терапии МФТИ, о ее работе рассказывает Сергей Леонов, кандидат биологических наук, заместитель заведующего лабораторией.
Леонов Сергей Викторович, к.б.н., руководитель лаборатории разработки инновационных лекарственных средств и агробиотехнологий
Фото: Из личного архива
Леонов Сергей Викторович, к.б.н., руководитель лаборатории разработки инновационных лекарственных средств и агробиотехнологий
Фото: Из личного архива
Иногда меня спрашивают: почему на Физтехе, где сосредоточены лучшие физики страны, исследуют рак? Дело в том, что в МФТИ уже не первый год занимаются тем, что называется «науки о жизни». Современные медико-биологические исследования требуют сложных физических методов. Зачастую самое сложное — придумать экспериментальный подход, который позволит увидеть, что происходит с клетками на молекулярном уровне.
Физики против рака
Наша лаборатория была создана в 2014 году и изначально назывались «Лаборатория разработки инновационных лекарственных средств и агробиотехнологий». Задача состояла в выяснении механизмов действия лекарств для лечения различных заболеваний человека и животных, в том числе домашних, и создании новых лекарств.
Но в мировой науке и в нашей стране есть тенденция формирования более узкой направленности и бо?льшей отдачи исследований для изучения, в частности, онкогенеза. Первой нашей задачей в этом качестве стало изучение того, что мешает долголетию человека.
Нашелся ли ответ на этот вопрос? Нет, он сложен и неоднозначен, и мы продолжаем работать в этом направлении. В течение прошедших девяти лет было разработано несколько лекарственных средств. Одно из них связано с инсультом, второе — с диабетом, третье — с болезнью Альцгеймера, четвертое — с раком. Последнее — оригинальный таргетный препарат, не уступающий импортным.
Он сделан на основе ингибитора фермента BRAF-киназы — одного из ключевых ферментов, которые в онкологии играют большую роль. Аналогичные препараты сейчас используются для лечения меланомы и рака поджелудочной железы. Мы получили патент, надеемся, вскоре сможем перейти к клиническим испытаниям.
Раковые клетки не боятся радиации
Помимо сугубо прикладных задач, мы решаем задачи фундаментальные: стараемся постичь природу рака и механизмы его развития. Вопросов больше, чем ответов.
Однако в ряде последних работ мы существенно продвинулись в этом направлении. В первую очередь это касается понимания механизмов возникновения радиационной устойчивости рака. Мы обнаружили, что раковым клеткам с помощью специальных механизмов удается избегать летальных для них доз излучения, которые обычно используются для лечения онкологических заболеваний. Раковые клетки способны переходить в особое состояние — дормантное, то есть спящее — и пережить серьезные дозы облучения. Не просто пережить: спустя определенное время они еще и дают «потомство», то есть активно метастазируют.
Парадокс: человека лечат традиционной радиотерапией, а определенная группа опухолевых клеток к радиации нечувствительна, а потом начинает агрессивно распространяться по организму. Мы пытаемся найти пусковой механизм и разработать методы и режимы облучения или дополнительной химиотерапии, чтобы предотвратить либо существенно замедлить возрождение опухолевых клеток.
Какие варианты? Возможно, это природное физическое свойство раковых клеток, но что-то еще вызывает их реактивацию, опухоль начинает прогрессировать. Пока мы провели работы на трех видах опухолей: глиоме, немелкоклеточном раке легкого и тройном негативном раке груди. Дальше будем выяснять, происходит ли это во всех случаях или только в некоторых, будем дифференцировать поведение раковых клеток и пытаться предсказать их поведение в тех или иных случаях, а самое главное — постараемся понять, что делать.
Раковые клетки притворяются спящими и старыми
Одна из наших текущих рабочих гипотез связана как раз с использованием этого удивительного умения раковых клеток «засыпать», прямо как Штирлиц, в нужный для них момент, чтобы потом «проснуться» бодрыми и полными сил.
А нужно это еще и для того, чтобы создать вакцину против рака, чем сегодня озабочен весь мир. В основе такой вакцины, по нашему мнению, может лежать механизм воздействия на опухолевые клетки, которое переводит их в одну из разновидностей спящего состояния — так называемое индуцированное старение.
Напомню, что есть две разновидности старения. Первая — репликативное старение, которое происходит за счет уменьшения размера теломер в клетках, чему подвержен любой организм в течение жизни. Укорочение теломер способствует тому, что постепенно происходит старение, отмирание клеток человека.
А раковая клетка удивительным образом этот эффект преодолевает. Когда стали разбираться, оказалось, что она переходит во вторую разновидность старения, мы уже говорили о нем — дормантное состояние, которое связано не с укорочением теломер, а с нарушением метаболизма клеток и их нормальной функции, когда они как бы замирают в своем нормальном клеточном цикле. Эти клетки начинают очень быстро вырабатывать маркеры старения, но на самом деле они не старые — просто они переходят в такое состояние. Они живут в этом состоянии какое-то время, а потом вдруг снова «выходят на поляну» и начинают очень быстро размножаться.
Как им это удается? Оказывается, внутри опухолей есть особые популяции клеток, которые способны переходить в это спящее состояние. Среди них выделяются полиплоидные гигантские многоядерные клетки, которые обладают способностью производить потомство быстро и в очень большом количестве. За счет этих двух эффектов, которые мы обнаружили, раковым клеткам удается пережить самую тяжелую химиотерапию, самое тяжелое облучение и лишь казаться состарившимися. Нам далеко не всегда такое удается — а им это часто под силу.
Что такое секретом
Этот принцип и решили положить в основу создания вакцины от рака. Как раковым клеткам удается избежать иммунного ответа? Растет чужеродная ткань, растет неограниченно, и, кажется, иммунная система организма могла бы ее удалять. Но раковая клетка имеет несколько особенностей. Одна заключается в том, что она вырабатывает на своей поверхности белковую молекулу, так называемый PD-L1 антиген, или лиганд, который взаимодействует с рецептором (PD-1) иммунных T-клеток, отвечающих за элиминацию опухолей. Когда происходит взаимодействие между антигеном на поверхности раковой клетки и рецептором, который есть на T-клетках человека, то происходит инактивация последних. В результате наша иммунная система пропускает опухолевые клетки, перестает их уничтожать.
Нам, как и другим исследователям, удалось заметить: если специально подобранное стрессовое воздействие (например, облучение или химиотерапия) вызывает появление маркеров преждевременного старения у раковых клеток, то это, как правило, сопровождается активным выбросом в окружающую среду биологически активных молекул (в том числе цитокинов и хемокинов), которые обобщенно получили название «секретом» (с ударением на «о»).
Определенный состав этого секретома способен вызвать появление маркеров преждевременного старения у других раковых клеток и появление на их поверхности тех молекул, которые позволяют иммунной системе быстро их распознавать и уничтожать. На животных это показало очень хорошие результаты.
Важный момент: состав секретома должен быть «правильным» (без способствующей воспалению компоненты) — тогда, если мы активируем программу преждевременного старения в раковых клетках, это приводит к позитивным результатам: иммунная система организма научится их быстро находить и уничтожать.
Опухоль лёгких — один из наиболее распространённых видов злокачественных новообразований
Фото: Getty Images
Опухоль лёгких — один из наиболее распространённых видов злокачественных новообразований
Фото: Getty Images
Поразить раковые клетки, не трогая здоровые
Но весь вопрос в том, как это сделать. Ведь это же вредное воздействие: нельзя просто радиацией ударить по человеку. Не будем забывать, что в организме есть и здоровые клетки, они тоже реагируют на это и могут погибнуть. Поэтому весь вопрос в том, как достигнуть избирательности.
Как мы знаем, вакцина подразумевает введение какого-то биологического материала. Это должны быть клетки или биологические молекулы, которые вызывают нужную нам реакцию организма на опухоль. Мы предположили, что возможно будет создать клеточную вакцину. Какими свойствами должна обладать такая вакцина? Прежде всего, это должны быть клетки опухоли, против которой мы боремся, а их секретом должен активировать нужный иммунный ответ в остальных клетках ткани опухоли. Второе: эти опухолевые клетки должны обладать минимальной способностью давать потомство. Другими словами, надо достигнуть эффекта преждевременного старения во всей ткани опухоли плюс появления на опухолевых клетках биомаркеров, по которым иммунная система будет находить и бороться с ними.
А за счет чего? Выяснилось, что опухолевые клетки могут вызывать преждевременное старение других опухолевых клеток через секрецию спектра определенных белковых молекул во внеклеточное пространство — секретом. Отсюда сложились требования к вакцине: чтобы клетки, которые мы вводим, сами плохо размножались и в то же время производили секретом, который вызывает преждевременное старение окружающих его нестареющих опухолевых клеток. Эти два параметра должны быть безопасны.
«Старые» клетки лучше «юных»
Мы попробовали такой подход в пробирке: взяли две разновидности (сублиниии) одной и той же линии опухолевых клеток глиомы человека. Одна культивировалась и воспроизводила потомство три года подряд («стареющая») и другая, которую взяли из хранилища и разморозили,— мало культивировалась и делилась после разморозки («молодая»). Обе клеточные сублинии мы облучили умеренными дозами радиации, чтобы вызвать в них появление признаков преждевременного старения.
Оказалось, что «молодые» опухолевые клетки после облучения не вырабатывали того спектра цитокинов, который должен заставить другие себе подобные («молодые») клетки стареть. Кроме того, они обладали высокой способностью к производству себе подобных в агаре, где мы имитировали рост опухоли в организме.
А вот «стареющие» клетки, прошедшие долгий жизненный путь, напротив, размножались очень плохо и давали слабое потомство после себя. Мало того — они еще и выделяли во внеклеточное пространство цитокины, которые после добавления к молодым опухолевым клеткам вызывали появление признаков преждевременного старения. Таким образом, по всем параметрам получается, что именно облученные «стареющие» клетки — наиболее подходящие кандидаты для разработки такой вакцины.
Старость в радость
Но тут возникает еще один вопрос: если клетки состарившиеся, попросту говоря, дряхлые, по силам ли им победить, заставить постареть полные сил и энергии молодые раковые клетки?
Оказывается, да! Как мы уже сказали, состарившиеся клетки оказались не такими уж «дряхлыми». Просто они выделяют во внеклеточное пространство секретом, способный изменить метаболизм и поведение обычных опухолевых клеток. Именно это мы исследуем сейчас. И не только мы: коллеги из Израиля прислали свою недавно вышедшую статью, где показали, что секретом клеток организмов-долгожителей (голого землекопа в их случае) вызывал аналогичное нашему воздействие на клетки рака молочной железы человека.
Иначе говоря, клеткам-долгожителям под силу, несмотря на преклонный возраст, выделять во внутреннюю среду своего организма секретом такого состава, который вызывает преждевременное старение раковых клеток с последующим их обнаружением и уничтожением собственной иммунной системой организма-долгожителя. Позитивная обратная связь напрашивается сама собой: может быть, именно поэтому голые землекопы живут так долго и без болезней, в том числе онкологии?
Два шага до вакцины
Но можно ли вообще говорить о вакцине против рака? Мы привыкли, что все вакцины направлены против инфекционных заболеваний, а тут совсем другое.
На самом деле против неинфекционнных заболеваний вакцины тоже создаются. Например, при болезни Альцгеймера вакциной можно считать те антитела, которые сейчас довольно широко испытываются на Западе. Это биологический продукт, который вводят человеку преклонного возраста с повышенным риском развития болезни, и в последнее время здесь были продемонстрированы хорошие клинические результаты.
Точно так же мы верим, что нам удастся создать по-настоящему эффективную и безопасную вакцину против рака.
Что мы собираемся делать дальше? Наша идея — брать ткань опухоли у больного человека, какое-то время выращивать ее, вызывать преждевременное старение с помощью радиации или химиотерапии, чтобы эти клетки приобрели признаки преждевременно стареющих. После этого можно попробовать ввести их животным, посмотреть, как будет развиваться опухоль.
Если развитие опухоли замедлится или остановится вовсе, то это даст возможность то же самое проверить в перспективе и на онкологических пациентах. Это будет целиком и полностью персонализированный подход, поскольку у одного и того же человека мы берем эти клетки, состариваем их искусственно и потом вводим.
Но обязательным условием должно стать то, что эти клетки безопасны. Они должны приобрести те же характеристики, что мы обнаружили в наших экспериментах. Прежде чем обратно ввести человеку эти клетки в качестве вакцины, мы должны быть уверены, что никакой вторичной патологии не разовьется. Это непросто, поэтому работы у нас еще немало.
Рак: понять и простить
Сегодня мы понимаем, что рак — болезнь многофакторная. Люди зачастую погибают не столько от опухоли, сколько от того, как эта опухоль воздействует на другие жизненно важные органы. Человек может жить с опухолями очень долго. Если вы любого человека старше 50 лет просканируете, то где-нибудь обязательно найдете опухоли. Но он с ними живет и ничего не подозревает.
А вот когда опухоль начинает безудержно расти и придавливать жизненно важные органы, наступает нарушение их работы. Именно эти процессы мы изучаем. Что заставляет опухоль метастазировать? Почему из исходного участка она распространяется в кости, легкие или мозг? Можно ли сделать так, чтобы этого не происходило? Возникают и сакраментальные вопросы: почему вообще возникает опухолевый процесс? Что его запускает? Можно ли в какой-то момент его предотвратить, остановить до начала собственно онкологического заболевания?
Есть теория, что рак — это накопление мутаций. Есть и другая: это неизбежный процесс, просто в какой-то момент сказывается неспособность собственной иммунной системы вовремя выявлять появление этих клеток и их уничтожать или сдерживать их размножение. Есть техногенные факторы: много вредной «химии», изменений окружающей среды, электромагнитных воздействий, вызывающих повреждения ДНК. Есть и другие теории. Главное — взять из них самое ценное и помочь человеческому организму справиться с этой бедой.
Но понятно, что профилактика всегда лучше лечения. Здесь пока нет ничего принципиально нового. Самый общий принцип — избегание стресса и токсичности, которая грозит нам за счет избыточного веса и сопутствующих заболеваний, того же диабета. Эти болезни очень сильно влияют на нормальный метаболизм клетки и мешают иммунной системе уничтожать клетки с поврежденной ДНК, способствуют их развитию. Хорошо бы есть меньше жирной и жареной пищи, а нужно больше двигаться и, конечно, не курить.
Мы говорили про радиационное воздействие. Радиация — это стресс. Все разновидности стресса, возникающего за счет электромагнитного излучения, химического, пищевого, любого другого токсического воздействия, приводят к тому, что метаболизм клетки в той или иной степени падает. Как только падает метаболизм, нарушается нормальная функция распознавания и восстановления повреждений ДНК. А если клетка не способна восстанавливать повреждения ДНК вовремя, то может сложиться ситуация, когда появляется «прототип» клетки — прародительница опухолевой клетки, которая дает начало опухолевому процессу.