Победить «злую тень»: эксперт о новейших исследованиях в области онкологии

Недавно ученым Сеченовского Университета вместе с коллегами из ведущих научных центров впервые удалось визуализировать распространение рака в трехмерном пространстве с высокой точностью. С помощью микротомографии специалисты обнаружили удивительные механизмы: оказалось, что опухолевые клетки не просто разрушают ткани, но и адаптируются к различным условиям в организме. Как проходило это исследование? Когда такие методы войдут в массовую клиническую практику? И при чем здесь одноклеточные слизевики рода Dictyostelium? На вопросы порталу Наука.РФ ответил руководитель проекта, младший научный сотрудник Института регенеративной медицины Сеченовского Университета Сергей Ткачев.



— Сергей, расскажите подробнее об исследовании. Благодаря чему удалось детально изучить процесс развития опухоли?

— Все началось с моего знакомства с рентгеновской микротомографией на синхротроне ESRF во Франции. Нам тогда удалось визуализировать структуры глаз кроликов и обезьян. Я стремился продолжить исследования, но без зависимости от крупных установок. В Испытательном лабораторном центре НМИЦ онкологии в Ростове-на-Дону я встретил ректора Донского государственного технического университета Бесариона Месхи, который предложил использовать их устройство для изучения опухолевой ткани.

Чтобы сделать ткани «видимыми» на томограммах, я изучил методики подготовки биологических образцов для сканирования. В отличие от синхротронных установок, где мягкие ткани можно визуализировать без контрастирования, в лабораторных условиях это делать сложнее — из-за того, что ткани слабо поглощают рентгеновское излучение. Мы решили использовать йодное контрастирование (когда йод связывается с тканевыми белками и усиливает контраст) и смогли улучшить визуализацию инвазивных структур опухоли. Такой метод мы протестировали на фрагментах опухоли, а затем применили к ортотопической PDX-модели рака пищевода. Это способ моделирования заболеваний, когда от пациента пересаживают фрагменты опухоли иммунодефицитным мышам.


Хотя у нас было всего две мыши, мы сделали просто чудовищное количество сканов и еще больше выделили областей. Чтобы убедиться, что перед нами опухолевые клетки, мы провели обзорные томограммы, просканировали участки внутри образца, определили области для гистологического исследования (изучения образцов ткани под микроскопом). Затем началась кропотливая работа по анализу изображений. Важно было точно описать процесс распространения опухоли. Мы освоили передовые программы для научной визуализации и старались опираться на новейшие концепции, связанные с поведением опухолевых клеток.

Однако статью, вышедшую по итогам этой работы, можно назвать «режиссерской версией» исследования. Хотя она объемна, многое осталось за кадром: дубли изображений, другие цветовые схемы и трехмерные модели. Эти кусочки, серьезно повлиявшие на проект, были частью среды, в которой работала мультидисциплинарная команда со всей России. 

— Что именно вам удалось увидеть?

— Мы увидели застывший во времени слепок истории распространения опухоли в организме. До нас так никто не делал в подобном масштабе. Да, раньше смотрели опухоли на компьютерной микротомографии (микро-КТ), кто-то даже инвазию визуализировал. Но все это было описано поверхностно.

Одним из ключевых открытий стало обнаружение различных паттернов инвазии. Например, формирование пальцевидных выростов в печени. Хотя изначально проекции у этой области были хорошо видны, мы решили прицельно посмотреть зону инвазии в нее. Когда изменили прозрачность в части образца, то увидели огромные ряды этих отростков вдоль фронта инвазии, буквально вгрызающиеся в паренхиму — функциональную ткань — печени.

Эти выросты можно ошибочно принять за изолированные скопления клеток (опухолевые почки или кластеры). Других подобных исследований практически не было, хотя в научной среде уже возникали смелые предположения, что не все так просто с этими скоплениями, и они могут быть на самом деле двухмерными срезами трехмерных структур. Позднее схожие выросты мы увидели и в других тканях, куда вторгалась опухоль, например, в селезенке.


— Что еще необычного вы увидели?

— Совершенно новым было наблюдать, как опухоль использует структуры организма, чтобы распространяться по брюшной полости. Мигрирующие опухолевые клетки проходили по ней как по рельсам, формируя отдаленные очаги. Это выглядело жутко: из первичного узла выходили тонкие цепочки клеток, которые могли очень далеко переместиться.

Причем это было не пассивное распространение, а настоящая коллективная миграция. Что удивительно, эти нити клеток во время своего перемещения не разрушали структуры брюшины. Они немного меняли форму, что, по-видимому, облегчало миграцию. Но стоило им дойти до более подходящих для формирования метастазов условий, они начинали активно делиться и вторгаться в окружающие ткани.

Здесь можно вспомнить гипотезу, выдвинутую онкологом-исследователем Питерем Фридлем, согласно которой метастазы могут становиться новыми центрами распространения опухоли. Мы это увидели. Наблюдали, как из таких очагов выходили новые отростки в ткани, а также мигрирующие клетки. Кроме того, мы смогли проследить инвазию в одни и те же области в несколько стадий.

Такое распространение опухолевых метастазов в брюшной полости называется перитонеальный канцероматоз. Это крайне опасное и тяжелое осложнение онкологических заболеваний. Ранее считалось, что оно возникает в результате пассивного распространения опухолевых клеток. Мы же увидели в этом процессе явные признаки активной миграции с использованием структур организма. Все эти закономерности говорят о том, что опухолевые клетки способны выбирать определенную стратегию в зависимости от того, куда вторгаются и в какой среде находятся.

Но, пожалуй, самым невероятным было то, что мы увидели, как опухоль расслаивает ткани по ходу своей инвазии в области желудка. Проникнув в ткани этого органа, клетки сформировали своего рода тяж, который начал расслаивать мышечную и слизистую оболочку, проходя через тонкое соединительнотканное пространство между ними.


— Как результаты этой работы могут повлиять на существующие методы в терапии?

— Хотя это исследование не было посвящено терапии рака, мы надеемся, что оно поможет изменить научное представление о злокачественных опухолях. В этой новой парадигме можно создавать абсолютно новые подходы к лечению. Например, попытаться нарушить коммуникацию между клетками-лидерами и клетками-последователями в ходе их миграции.

Возможно, что и основной подход в лечении глобально перестроится. Учитывая, как опухолевые клетки могут меняться, можно предположить, что не всегда стоит применять стратегию выжженной земли при назначении агрессивной химиотерапии. Это согласуется с экологическими подходами, про которые сейчас начали активно говорить многие онкологи. Кроме того, новое видение инвазии и появления метастазов может повлиять на то, как мы определяем степень тяжести опухолей и относимся к их прогрессии. Потребуется много времени, чтобы адаптировать эти находки для клинической практики. Но это более чем возможно.

Мы надеемся, что это исследование подтолкнет научные коллективы к тому, чтобы использовать богатый арсенал методов рентгеновской микротомографии для изучения опухолевой инвазии и метастазирования. В этой сфере есть еще множество неизведанных тайн. Микро-КТ может быть ключевым для этого, особенно если дополнить ее более сложными методами, позволяющих увидеть отдельные клетки, а также передовыми методами анализа генома.


— Что нужно, чтобы такие методы начали использовать для пациентов в клиниках?

 — В первую очередь, наличие рентгеновского микротомографа. К счастью, такие машины становятся более доступными, хотя по-прежнему достаточно дорогими. Необходимо развивать методы исследования живых тканей. Сейчас уже разрабатываются протоколы анализов, при которых изучают ткани, заключенные в парафиновые блоки. Такой подход позволяет исследовать образцы в коллекциях, имеющихся в больницах и патологоанатомических отделениях, и поможет, например, уточнить диагноз в плане распространения опухоли.

 — Исследование, которое вы провели, подходит для изучения любых видов опухоли?

— Да, таким подходом можно изучать любые ткани, в том числе патологические или опухолевые. Параллельно с текущей работой мы запустили новый проект, посвященный исследованию опасной и малоизученной опухоли глаз — увеальной меланомы. Мы ведем его совместно с сотрудниками МНТК Микрохирургии глаза им. академика С. Н. Федорова. Несмотря на то, что глаза — это совершенно другая среда, мы нашли много общих паттернов распространения опухоли, что свидетельствует об их универсальности. Поэтому наша недавно опубликованная работа — лишь начало большого проекта, поддержанного Российским научным фондом (РНФ).

— Как в целом сейчас развиваются исследования в области диагностики и лечения онкологических заболеваний? Насколько далеко мы продвинулись?

— Мы очень серьезно продвинулись за последние 30 лет. Появилась новая дисциплина — цифровая патология. Это когда, помимо современных методов, используют сложную обработку изображений, в том числе с помощью нейросети. В частности, такое направление разрабатывают наши коллеги из Сеченовского Университета. В целом, сейчас продолжают активно развиваться виды лучевой диагностики, а также новые алгоритмы скрининга, позволяющие выявить опухолевые очаги на ранних стадиях. Разрабатываются или проходят клинические испытания принципиально новые противоопухолевые агенты.

— А какие-то проблемы еще остаются?

 — Да. И, пожалуй, главная из них связана с тем, что рак — это что-то вроде нашей «злой тени». Это не бактерия, не грибковая инфекция, а наши клетки. Пусть и очень сильно изменившиеся, но все еще наши. Отличий между ними и здоровыми клетками не так много, по сравнению с теми же бактериями.

Вот почему сложно создавать препараты, которые поражали бы только опухолевые клетки и не повреждали здоровые. До полной победы над раком нам, к сожалению, еще далеко. Возможно, потому что на самом деле рака не существует — это собирательный термин, да еще и завязанный на классификации. Например, в английском языке слово cancer означает больше все злокачественные опухоли. Тогда как в российской классификации это карцинома, то есть опухоли, возникающие из эпителиальных клеток.

В любом случае это зонтичный термин, обозначающий трансформированные клетки, вобравшие в себя некие признаки. Описать их и собрать все фрагменты в единую картину попытались исследователи Роберт Вайнберг и Дуглас Ханахан в своих работах Hallmarks of Cancer. Эти материалы существенно повлияли на сферу онкологии и породили целую серию родственных исследований. В некотором смысле эту историю можно сравнить с киновселенной супергероев, только в мире онкологической науки, где ученые пытаются понять, что такое злокачественные опухоли как явления. Ряд специалистов считают, что раковые клетки — это просто одна из точек на некоем спектре возможных состояний клеток. Чтобы разгадать такие тайны, на мой взгляд, наука должна дойти до фантастического уровня.

По этой же причине я не думаю, что возможна универсальная «таблетка от рака». Поскольку мы имеем дело с множеством совершенно разных опухолей, которые могут сильно отличаться по своим механизмам, да еще и непрерывно меняться.

— Как сделать так, чтобы исследования в этой области развивались быстрее?

— Самый очевидный ответ — это, конечно, обеспечить финансирование. Исследования такого уровня требуют дорогих реагентов, сложного оборудования, специализированных лабораторий. Но, по моему мнению, не менее важен и интеллектуальный сдвиг: изменение самого восприятия рака, которое доминирует сегодня в умах врачей и исследователей.

К сожалению, во многих случаях рак по-прежнему воспринимается упрощенно — как бесконтрольно делящиеся клетки. Такой редукционизм, возможно, удобен в клинической практике, но он искажает суть процесса и мешает приблизиться к действительно глубоким и работающим решениям. Современная онкология постепенно уходит от идеи «случайной мутации» и начинает рассматривать рак как альтернативное, устойчивое состояние клеточной системы, своего рода стратегию выживания. Рак — это не ошибка или «неудачный» ген, а форма поведения клеток.

— Из-за чего она возникает?

— На это может повлиять ряд обстоятельств: хроническое повреждение среды в органах, накопление мутаций, сбои в регуляции или даже элемент случайности. Все это может запустить необратимую цепную реакцию, в результате которой клетки теряют координацию с организмом и начинают действовать автономно.

В нормальных условиях клетка подавляет собственные программы ради целого: ткани, органа, организма. Но если связь с системой нарушается, она возвращается к своим первоначальным способам выживания — начинает делиться и искать ресурсы. Но все механизмы, которые активируют опухолевые клетки, присущи и нормальной физиологии. Мы видим их при заживлении ран, регенерации, в эмбриональном развитии. По сути, опухоль — это перезапуск древних программ, которые активируются вне контекста и вне контроля.


Именно поэтому ученые все чаще обращают внимание на социальных амеб, таких как Dictyostelium. Это одноклеточный слизевик, питающийся бактериями. Причем здесь он? Коллективная миграция и самоорганизация этих существ управляются сигнальными каскадами, удивительно похожими на те, что мы наблюдаем у раковых клеток.

Мы привыкли воспринимать рак как врага. Но, возможно, он — эхо нашего собственного эволюционного прошлого. Забытая часть нас самих, которая при определенных условиях просыпается и начинает играть по своим правилам. Поэтому я уверен: когда альтернативная парадигма — понимание рака как динамического эволюционного процесса — станет доминирующей (а на это потребуется еще 10 — 20 лет), мы сможем совершить прорыв в понимании и терапии одной из самых сложных и загадочных болезней человечества. Надеемся, что наше исследование станет частью научной смены парадигмы, где рак рассматривается не как ошибка, а как система. А значит — его можно будет не только лечить, но и понимать.

Беседовала Анна Шиховец