У рака может быть гораздо меньше состояний, чем мутаций

Генетический хаос опухоли может сходиться к нескольким устойчивым состояниям клеток — и именно их предлагают сделать новой мишенью терапии

Мы привыкли представлять опухоль как результат накопления генетических поломок. Одна клетка получает мутацию, затем другую, ее потомки продолжают меняться — и постепенно возникает множество генетически различающихся популяций.

Для современной онкологии это фундаментальная проблема. Можно создать препарат против конкретной молекулярной мишени, уничтожить чувствительные клетки, но оставить популяцию, способную пережить лечение. Она получает пространство для роста — и болезнь возвращается.

Работы лаборатории Андреа Калифано предлагают другой уровень описания этой системы. Вопрос ставится не только так: «Какие мутации есть в клетке?», но и так: «В какое функциональное состояние эти мутации в конечном счете переводят клетку?»

И ответы на эти вопросы могут оказаться совсем разными по сложности.

Почему тысячи генетических путей могут вести всего к нескольким состояниям

Представьте огромную транспортную сеть. В ней могут существовать тысячи разных маршрутов, но все они заканчиваются на сравнительно небольшом числе крупных станций.

Примерно такую картину предполагают результаты группы Калифано.

Разные мутации меняют работу генов и сигнальных путей, однако в конечном счете клетка должна поддерживать определенную программу существования: какие белки производить, как взаимодействовать с окружающей тканью, делиться или не делиться, сохранять дифференцировку, реагировать на питательные вещества и лекарства.

Эти программы поддерживаются регуляторными белками. Исследователи называют наиболее важные из них master regulators — «главными регуляторами». Это не обязательно мутировавшие онкогены. Скорее, это узловые элементы управляющей сети, которые удерживают клетку в определенном состоянии.

Рак поджелудочной железы удалось разложить на шесть состояний

Особенно наглядно эта идея проявилась в исследовании протоковой аденокарциномы поджелудочной железы.

Ученые анализировали отдельные злокачественные клетки из шести независимых наборов данных и оценивали активность более 1800 регуляторных белков. Такой подход позволил смотреть не просто на количество РНК отдельных генов, а реконструировать управляющие сети клетки.

Исследователи обнаружили три основных состояния, связанных с разными программами клеточного развития.

Первое напоминало программу эпителия желудочно-кишечного тракта. Второе было связано с менее дифференцированным, более агрессивным состоянием и программой эпителиально-мезенхимального перехода — процесса, при котором клетки теряют часть привычных эпителиальных свойств. Третье сохраняло признаки программы развития поджелудочной железы.

Но каждое из трех состояний существовало еще в двух вариантах — с относительно высокой или низкой активностью сигнального пути RAS/MAPK, одного из важнейших регуляторов роста и поведения клетки.

Получилось 3 × 2 = 6 устойчивых состояний.

При проверке на нескольких независимых наборах данных около 87% злокачественных клеток удалось однозначно отнести к одному из этих шести состояний. Пространственная транскриптомика — технология, позволяющая увидеть молекулярные программы непосредственно внутри ткани, — показала, что эти состояния соответствуют реальной архитектуре опухоли.

Самое неожиданное оказалось не в числе шесть

Можно было бы предположить, что у каждого пациента существует собственный набор опухолевых состояний, сформированный его уникальными мутациями.

Исследование показало другую картину.

Одни и те же состояния воспроизводились практически во всех изученных опухолях поджелудочной железы. Между пациентами сильнее различался не набор возможных состояний, а доля клеток, находящихся в каждом из них.

Это важный поворот в интерпретации генетического разнообразия рака.

Мутации могут определять не столько новые уникальные «типы» опухолевых клеток, сколько вероятность того, что клетки окажутся в одном из уже существующих устойчивых состояний.

Именно здесь возникает идея, которую Калифано называет «квантовой биологией рака».

Почему ученые вообще заговорили о «квантовом раке»

Речь не идет о том, что опухоли объясняются квантовой механикой или что внутри раковой клетки обнаружен какой-то новый квантовый эффект.

Аналогия гораздо уже.

Электрон в атоме не может иметь произвольную устойчивую энергию: существуют определенные разрешенные энергетические уровни. Калифано предлагает похожую метафору для опухолевой клетки — она может не свободно занимать бесконечный континуум состояний, а преимущественно находиться в небольшом числе устойчивых конфигураций или быстро переходить между ними.

Иными словами, «квантованными» оказываются состояния клетки.

Для рака поджелудочной железы исследователи нашли шесть таких состояний. В другой работе той же группы — семь состояний при диффузной срединной глиоме. Более ранний анализ свыше 10 000 образцов более чем из 20 онкологических когорт обнаружил 112 регуляторных состояний в совокупности.

Поэтому выражение «рак — квантовая болезнь» пока лучше воспринимать как концептуальную модель, а не установленный новый физический закон онкологии.

Опухолевая клетка умеет менять свою «роль»

Малое количество состояний звучало бы особенно обнадеживающе, если бы каждая клетка навсегда оставалась в одном из них.

Но исследование рака поджелудочной железы показало обратное.

Ученые пометили клетки уникальными молекулярными штрихкодами и проследили судьбу их потомков. Клетки спонтанно переходили между состояниями даже без появления новых мутаций.

Более того, лекарственное воздействие само могло ускорить такой переход.

После подавления пути MEK препаратом траметинибом клетки быстро смещались из состояния с высокой MAPK-активностью в состояние с низкой.

Получается принципиально важная вещь: устойчивость опухоли к терапии необязательно требует новой генетической мутации.

Клетка может пережить давление лекарства, просто изменив собственную программу.

Один препарат может уничтожить состояние, но не опухоль

Вот где модель превращается из красивой биологии в потенциальную терапевтическую стратегию.

Представим опухоль, содержащую клетки состояний A, B и C.

Препарат великолепно уничтожает A. После лечения опухоль уменьшается, но клетки B остаются. Более того, часть выживших клеток способна перейти из B обратно в A или в C.

Система постепенно восстанавливает свое разнообразие.

Поэтому авторы предполагают, что более эффективной стратегией может стать воздействие сразу на все устойчивые состояния опухоли — либо перевод устойчивого состояния в чувствительное, после чего его можно уничтожить другим препаратом.

При таком взгляде целью становится уже не отдельная мутация, а вся карта возможных путей спасения опухолевой клетки.

Детская опухоль мозга стала первым серьезным испытанием идеи

Вторая работа группы была посвящена диффузной срединной глиоме — крайне агрессивной опухоли центральной нервной системы, особенно трагичной из-за ее распространенности у детей и очень плохого прогноза.

В опухолевых клетках исследователи обнаружили семь повторяющихся состояний. Затем с помощью алгоритмов OncoTarget и OncoTreat попытались определить препараты, способные нарушать регуляторные программы конкретных состояний.

Для этого ученые изучили молекулярный ответ клеток на 372 одобренных или находящихся на поздних стадиях разработки онкологических препарата.

Девять препаратов были выбраны для проверки на животных.

Восемь из девяти — 89% — действительно преимущественно воздействовали на те состояния клеток, против которых были предсказаны.

Но наиболее интересным оказался следующий эксперимент.

Комбинация сработала не потому, что два лекарства усиливали друг друга

Одни препараты преимущественно воздействовали на состояния, напоминающие клетки-предшественники олигодендроцитов, другие — на астроцитоподобные состояния.

Исследователи начали объединять лекарства, направленные против разных популяций.

Например, авапритиниб преимущественно атаковал доминирующие OPC-подобные состояния, тогда как руксолитиниб был направлен против другой, астроцитоподобной популяции.

В модели опухоли мозга у мышей медиана выживаемости составляла 25 дней при использовании контрольного носителя. На авапритинибе она увеличилась до 53,5 дня.

Комбинация авапритиниба с руксолитинибом увеличила ее до 83 дней.

При этом в обычной клеточной культуре эти два препарата не демонстрировали выраженной лекарственной синергии.

Это и есть один из самых интересных результатов исследования.

Преимущество комбинации могло возникнуть не потому, что два вещества сильнее убивали одну и ту же клетку. Они атаковали разные клеточные состояния внутри одной опухолевой системы.

Обычный лабораторный тест, в котором доминировало одно состояние клеток, практически не видел этого эффекта.

Возможно, проблема персонализированной онкологии поставлена слишком узко

Современная прецизионная онкология во многом строится вокруг генетического профиля конкретной опухоли: найти драйверную мутацию, подобрать соответствующий препарат.

Этот подход уже изменил лечение ряда опухолей и остается чрезвычайно важным. Новые результаты его не отменяют.

Но они предлагают другой слой персонализации.

Если огромное число генетических комбинаций действительно сходится к небольшому числу воспроизводимых клеточных состояний, то для некоторых опухолей может оказаться эффективнее определить не все индивидуальные мутации пациента, а полный набор функциональных состояний клеток и их уязвимостей.

Парадоксально, но более глубокое понимание индивидуальной опухоли тогда потенциально может привести к менее индивидуализированному набору терапевтических стратегий.

Одна и та же комбинация могла бы работать у разных пациентов, если их генетически разные опухоли используют одинаковый набор клеточных состояний.

Именно эту возможность авторы считают одним из наиболее привлекательных следствий своей модели.

Но до «универсального лечения рака» здесь очень далеко

Обе работы прежде всего исследуют биологию опухоли и способы рационального выбора терапии.

Для рака поджелудочной железы продемонстрированы шесть состояний, их регуляторные механизмы, способность клеток переходить между состояниями и специфические зависимости отдельных состояний. Однако комбинация препаратов, способная безопасно уничтожить все шесть состояний у пациентов, пока не показана.

В исследовании диффузной срединной глиомы результаты продвинулись дальше: лекарственные комбинации улучшали контроль опухоли и выживаемость животных. Но это все еще доклинические эксперименты.

Особенно важно, что размеры отдельных групп животных были небольшими — обычно три–пять мышей на терапевтическую группу. Авторы также указывают на необходимость дальнейшего изучения дозирования, последовательности назначения препаратов и влияния генетических различий между опухолями.

Есть и практическая проблема: препарат должен не просто уничтожать нужное состояние в модели, но достигать опухоли в организме, иметь приемлемую токсичность и безопасно сочетаться с другими средствами.

Даже существующие по отдельности лекарства нельзя автоматически считать безопасной комбинацией.

Следующий вопрос — можно ли закрыть опухоли все пути отхода

В случае диффузной срединной глиомы исследователи рассматривают сочетание авапритиниба, руксолитиниба и ларотректиниба как потенциальный способ воздействовать на три основные группы клеточных состояний. Однако эффективность и безопасность такой трехкомпонентной схемы у людей еще предстоит установить.

Для рака поджелудочной железы авторы предлагают две возможные стратегии.

Первая — подобрать несколько препаратов, которые вместе уничтожают все шесть состояний.

Вторая выглядит еще интереснее: не обязательно одновременно атаковать каждое состояние. Можно попытаться сначала перепрограммировать устойчивые клетки, переведя их в состояние, чувствительное к следующему препарату.

Эксперименты уже показали принципиальную возможность такого перепрограммирования. Например, изменение активности регуляторов OVOL2 и HNF1A переводило агрессивное, плохо дифференцированное состояние клеток рака поджелудочной железы в другое регуляторное состояние в клеточных и животных моделях.

Это пока не лечение. Но сам принцип необычен: вместо бесконечной погони за каждой новой мутацией попытаться управлять ограниченным набором состояний, в которые опухоль способна переходить.