Ученые научились прослеживать рак от всего организма до отдельных клеток

Новая система объединяет три вида визуализации и показывает одну опухоль на разных масштабах

Увидеть рак целиком и одновременно рассмотреть отдельную клетку до сих пор было практически несовместимыми задачами.

ПЭТ и другие методы визуализации показывают, где находятся опухоли в организме. Микроскопия позволяет увидеть отдельные клетки. Но первое обычно не дает клеточной детализации, а второе теряет из виду картину заболевания в целом.

Команда Cancer Research UK Scotland Institute и Университета Глазго создала экспериментальную систему, которая соединяет эти уровни. Работа опубликована в Nature Biotechnology.

Главная проблема была не в качестве снимков, а в масштабе

Представьте карту города.

На одном масштабе видны районы и дороги, но невозможно рассмотреть людей. Если увеличить изображение до отдельного человека, исчезает понимание того, где именно в городе он находится.

Примерно с такой проблемой сталкиваются исследователи рака.

Методы визуализации всего организма позволяют наблюдать рост опухолей, распространение заболевания и изменения во времени. Но происходящее между отдельными раковыми, иммунными и сосудистыми клетками находится ниже их разрешающей способности.

Микроскопия решает обратную задачу. Она способна показать клеточное микроокружение опухоли с высокой детализацией, но поле зрения слишком мало, чтобы одновременно понимать поведение заболевания во всем организме.

Авторы исследования исходили из важной идеи: вместо попытки заставить один метод делать все нужно научиться надежно находить одни и те же биологические объекты разными методами.

Три «маяка» поместили в одни и те же клетки

Для этого ученые разработали генетически модифицированную линию мышей Rosa26LSL-NRL.

В определенных клетках можно активировать сразу три репортерных сигнала. Репортер — это генетическая метка, благодаря которой исследователь может обнаружить нужные клетки определенным методом визуализации.

Первый репортер связан с белком NIS — натрий-йодидным симпортером. Он позволяет обнаруживать помеченные клетки с помощью ПЭТ после введения подходящего радиоактивного индикатора.

Второй — люцифераза Luc2. Этот фермент создает биолюминесцентный сигнал при введении люциферина. Такой свет можно регистрировать через ткани и использовать для относительно быстрого наблюдения за развитием опухолевого процесса.

Третий — красный флуоресцентный белок TagRFP. Он становится особенно полезен тогда, когда исследователь уже приблизился к опухоли и хочет рассмотреть помеченные клетки с помощью микроскопии.

Получается своеобразная трехступенчатая навигация:

• Биолюминесценция: помогает следить за развитием опухолей во времени;
• ПЭТ/МРТ: позволяет точно определить положение отдельных очагов внутри организма;
• Флуоресцентная микроскопия: показывает клетки внутри выбранной опухоли и их соседей.

Важно, что речь идет не просто о трех снимках. Все три сигнала относятся к одной генетически помеченной клеточной популяции.

Как исследователи включали метки именно там, где нужно

Система построена с использованием технологии Cre-lox.

Если упростить, генетические репортеры первоначально находятся в выключенном состоянии. Фермент Cre-рекомбиназа удаляет блокирующий участок ДНК — после этого клетка начинает производить белки, необходимые для трех видов визуализации.

Такой механизм позволяет связать включение репортеров с определенными генетическими событиями и типами клеток.

Авторы проверили систему в моделях гепатоцеллюлярной карциномы печени и аденокарциномы легкого у мышей.

Это принципиальная деталь исследования: технология предназначена не для того, чтобы просто сделать опухоль более заметной. Она позволяет наблюдать за биологически определенной популяцией клеток по мере развития заболевания.

Один и тот же рак оказался совершенно разным в зависимости от «увеличения»

Особенно наглядным оказался эксперимент с опухолями печени.

Биолюминесцентная визуализация позволяла наблюдать развитие опухолевого процесса на протяжении многих месяцев. Однако свет рассеивается и поглощается тканями, поэтому близко расположенные очаги могут сливаться.

В одном из животных биолюминесценция позволила различить четыре области сигнала.

ПЭТ тех же помеченных опухолевых клеток показала уже 20 пространственно отдельных очагов.

В серии из семи мышей использование ПЭТ увеличило число различимых индивидуальных опухолей на 281% по сравнению с биолюминесцентной визуализацией.

Именно здесь происходит ключевой момент.

Более детальный метод не просто сделал картинку «красивее». Он изменил представление исследователя о структуре заболевания. То, что на одном масштабе выглядело как несколько областей опухолевого роста, на другом оказалось множеством отдельных очагов.

ПЭТ показала опухоль, а затем микроскоп увидел ее клетки

Следующим шагом было не просто найти очаг, а использовать его координаты как навигацию для микроскопии.

В модели рака печени исследователи сначала наблюдали развитие заболевания с помощью биолюминесценции. Затем ПЭТ/МРТ показала множество отдельных опухолей и позволила выбрать очаг, расположенный достаточно близко к поверхности печени.

После этого над нужной областью разместили микроскопическое окно.

Исследователи смогли наблюдать раковые клетки непосредственно рядом с иммунными клетками и кровеносными сосудами и сравнить опухолевую область с соседней тканью той же печени.

То есть цепочка выглядела так:

весь организм → конкретный орган → отдельная опухоль → микроокружение → отдельные клетки.

В модели рака легкого удалось обнаруживать с помощью ПЭТ/МРТ помеченные опухолевые узлы диаметром примерно 1,2 мм.

Это и есть главный технологический результат работы: разные методы перестают быть отдельными экспериментами и превращаются в последовательные уровни одной системы наблюдения.

Почему отдельные опухоли одного организма нельзя считать одинаковыми

Для онкологии этот вопрос особенно важен.

У одного организма может существовать несколько опухолевых очагов, которые отличаются друг от друга. Их микроокружение, кровоснабжение, взаимодействие с иммунной системой и потенциальная чувствительность к терапии могут быть неодинаковыми.

Если измерять только общую опухолевую нагрузку, часть этой неоднородности теряется.

Новая система дает возможность сначала увидеть, какие конкретно очаги существуют и как они меняются, а затем выбрать интересующий очаг и исследовать его клеточную биологию.

В перспективе такой подход особенно интересен для экспериментов с противоопухолевыми препаратами. Исследователи смогут изучать не только вопрос «уменьшилась ли опухолевая масса?», но и более сложный: почему одна опухоль отвечает на воздействие, а другая в том же организме оказывается устойчивой.

Авторы прямо указывают на возможность использовать систему для изучения неоднородных ответов отдельных опухолей на терапию.

Микроокружение опухоли становится частью одной карты

Раковая опухоль — это не просто скопление злокачественных клеток.

Вокруг них находятся иммунные клетки, кровеносные сосуды и другие компоненты ткани. Все вместе они образуют опухолевое микроокружение, способное влиять на рост рака и реакцию на лечение.

Флуоресцентный компонент новой системы позволяет отличать помеченные опухолевые клетки и одновременно визуализировать другие клеточные структуры.

В экспериментах исследователи наблюдали пространственные взаимодействия опухолевых, иммунных и эндотелиальных клеток — клеток, формирующих внутреннюю поверхность сосудов.

Таким образом, макроскопическая карта заболевания получает клеточное объяснение.

Это потенциально важнее самого увеличения разрешения: исследователь может связать поведение конкретного опухолевого очага в организме с тем, что происходит внутри его микроокружения.

Это пока не новая диагностика рака для пациентов

Здесь проходит важная граница между результатом исследования и его возможным будущим применением.

Созданная система испытана на генетически модифицированных мышах. Чтобы опухолевые клетки можно было отслеживать тремя способами, они должны нести специальные репортерные гены.

У пациентов опухоли таких генетических меток, разумеется, не имеют.

Поэтому работа не означает, что появилась ПЭТ-технология, позволяющая уже сейчас взять человека с раком и приблизить изображение от всего тела до отдельной клетки.

Это прежде всего инструмент фундаментальной и доклинической онкологии.

Но именно доклинические модели используются для выяснения механизмов заболевания и проверки потенциальных методов лечения до перехода к исследованиям у людей. Чем точнее эксперимент показывает реальную неоднородность опухолей, тем информативнее может становиться такой этап разработки терапии.

Возможности технологии выходят за пределы онкологии

Сам принцип не ограничен опухолевыми клетками.

Поскольку включение репортеров можно генетически направлять на определенные клеточные популяции, авторы рассматривают возможное применение платформы в иммунологии, нейробиологии, регенеративной медицине и исследованиях развития.

Например, в статье обсуждается возможность помечать определенные иммунные клетки и прослеживать их движение по организму, а затем изучать их поведение непосредственно в пораженной ткани.

И здесь становится понятен более широкий смысл работы.

У современной биомедицины существует огромное количество способов увидеть биологию — ПЭТ, МРТ, оптическая визуализация, микроскопия. Но каждый из них показывает лишь свой масштаб реальности.

Новая работа предлагает не еще один способ посмотреть на болезнь, а способ связать несколько уровней наблюдения в одну биологическую историю.