Мини-опухоли из клеток пациентов помогают прогнозировать эффективность лечения рака груди

Ученые Калифорнийского университета в Сан-Франциско разработали экспериментальный подход, который может приблизить персонализированное лечение рака груди. Исследователи выращивают в лаборатории миниатюрные копии опухолей из клеток конкретных пациентов, а затем проверяют, как эти структуры реагируют на противоопухолевые препараты и их комбинации. Такие модели, называемые органоидами, позволяют изучать особенности конкретной опухоли вне организма и потенциально заранее оценивать, какие методы терапии окажутся наиболее эффективными.

Исследование основано на данных пациентов, участвовавших в клиническом исследовании I-SPY2, и результатах лабораторного тестирования органоидов рака молочной железы. Работа была опубликована 6 августа в научном журнале Cell Reports Medicine. Авторы показали, что выращенные в лаборатории структуры способны сохранять ряд важных биологических свойств исходных опухолей и в определенной степени воспроизводить их реакцию на лекарственное воздействие.

Такой подход особенно важен потому, что рак груди представляет собой не одно заболевание, а целую группу опухолей с различными молекулярными характеристиками. Даже при одинаковом диагнозе у двух пациенток опухолевые клетки могут совершенно по-разному реагировать на химиотерапию, иммунотерапию или таргетные препараты. Современная онкология поэтому все чаще ориентируется не только на расположение и размер опухоли, но и на ее молекулярный профиль, активность отдельных генов, наличие рецепторов и другие биомаркеры.

Для создания органоидов исследователи использовали опухолевые клетки, полученные от пациентов. Клетки помещали в специальный трехмерный гель, создающий условия для их роста и сохранения ряда свойств исходной ткани. Через несколько недель они формировали небольшие сферические структуры, состоящие из сотен или тысяч клеток. Большинство таких образований невозможно подробно рассмотреть без микроскопа, однако на клеточном уровне они воспроизводят некоторые характерные особенности опухоли, из которой были получены.

Фактически ученые получают миниатюрную экспериментальную модель конкретного рака груди. На ней можно исследовать действие лекарственных препаратов, не подвергая самого пациента последовательному воздействию большого числа потенциально неэффективных схем терапии. Это не означает, что органоиды уже могут заменить клинические исследования или стандартные диагностические методы, но они могут стать дополнительным инструментом для изучения чувствительности опухоли к лечению.

Исследователи сформировали биобанк органоидов из образцов раннего инвазивного рака молочной железы и использовали его для изучения механизмов устойчивости опухолей к терапии. Особое внимание уделялось молекулярным подтипам, способным прогнозировать ответ на лечение. Эти характеристики ранее изучались в рамках I-SPY2 и позволяют оценивать вероятность эффективности различных терапевтических стратегий.

В экспериментах рассматривалась чувствительность опухолей к нескольким важным направлениям современной терапии рака груди: иммунотерапии, ингибиторам PARP, препаратам платины и двойной HER2-таргетной терапии. Ученые сопоставляли реакцию органоидов с молекулярными характеристиками опухолей и клинической информацией пациентов. Благодаря этому стало возможно оценить, насколько лабораторная модель соответствует прогнозируемой чувствительности реального новообразования к определенным препаратам.

Большая часть созданных органоидов была получена из образцов тройного негативного рака молочной железы. Этот подтип представляет особый интерес для онкологов, поскольку клетки таких опухолей не имеют рецепторов эстрогена и прогестерона, а также не характеризуются повышенной экспрессией HER2. Из-за отсутствия этих терапевтических мишеней возможности гормонального и некоторых видов таргетного лечения ограничены.

Тройной негативный рак груди нередко протекает агрессивнее ряда других форм заболевания и может характеризоваться высокой вероятностью раннего рецидива. При этом опухоли внутри этой группы также сильно различаются между собой. Часть из них хорошо реагирует на химиотерапию, тогда как другие обладают выраженной лекарственной устойчивостью, поэтому поиск методов индивидуального прогнозирования особенно важен.

Для проверки своей модели ученые исследовали реакцию органоидов тройного негативного рака на комбинацию велипариба и препаратов платины. Платиновая химиотерапия повреждает ДНК опухолевых клеток, а ингибиторы PARP воздействуют на механизмы восстановления генетических повреждений. Теоретически сочетание этих воздействий может сделать опухолевые клетки более уязвимыми, однако чувствительность разных опухолей существенно отличается.

Одним из наиболее интересных оказался органоид TORG40. Расчеты указывали на его высокую устойчивость к исследуемой терапии, что затем подтвердилось экспериментально. Именно эту модель ученые выбрали для поиска препаратов, способных преодолеть лекарственную резистентность.

Исследователи протестировали на TORG40 386 низкомолекулярных ингибиторов. Подобные скрининги позволяют быстро сравнить действие большого количества веществ и определить соединения, которые особенно активно влияют на конкретный тип опухолевых клеток. Среди изученных препаратов внимание ученых привлек ABT-263, также известный как навитоклакс, воздействующий на механизмы выживания поврежденных клеток.

Затем действие ABT-263 отдельно сравнили с его комбинацией с химиотерапевтическим препаратом цисплатином. В органоиде TORG40 комбинированная терапия оказалась значительно активнее против устойчивых опухолевых клеток. Полученный результат показывает, как органоидная модель может использоваться не только для проверки стандартных схем, но и для поиска потенциальных комбинаций препаратов при резистентном раке груди.

Это направление особенно интересно с точки зрения современной онкологии. Если опухоль перестает реагировать на первоначально выбранное лечение, врачу приходится искать другие варианты терапии, ориентируясь на результаты клинических исследований, молекулярный профиль новообразования и состояние пациента. Возможность дополнительно протестировать десятки или сотни препаратов на модели конкретной опухоли может в будущем расширить инструменты принятия таких решений.

Скрининг органоидов позволил выявить и другие перспективные направления. В частности, исследователи обнаружили потенциальную чувствительность некоторых моделей к ингибиторам HSP90. Белок HSP90 участвует в стабилизации целого ряда белков, необходимых опухолевым клеткам для роста и выживания, поэтому его ингибирование давно изучается как один из возможных способов воздействия на рак.

Важно, что лабораторные результаты ученые смогли сопоставить с данными пациентов из исследования I-SPY. Они обнаружили подгруппу больных, опухоли которых лучше реагировали на препараты соответствующего типа. Такое совпадение особенно важно для оценки перспектив метода, поскольку показывает связь между экспериментальным поведением органоидов и клиническими характеристиками заболевания.

По словам авторов работы, органоиды рака молочной железы сохраняли экспрессию ряда значимых опухолевых биомаркеров. Некоторые из этих биомаркеров одновременно являются потенциальными мишенями для лекарственных препаратов. Благодаря этому исследователи могут не только видеть, уничтожает ли определенное вещество опухолевые клетки, но и изучать биологические механизмы, которые делают конкретную опухоль чувствительной или устойчивой к лечению.

Перспектива органоидных технологий связана с одной из ключевых проблем современной онкологии — значительной неоднородностью опухолей. Один и тот же препарат может оказаться чрезвычайно эффективным для одной группы пациентов и практически бесполезным для другой. Даже внутри опухоли могут существовать клеточные популяции с различными генетическими и биологическими свойствами, способными по-разному реагировать на лечение.

Обычная лабораторная культура клеток не всегда способна воспроизвести эту сложность. При выращивании клеток на плоской поверхности многие особенности взаимодействия между ними и структура опухолевой ткани утрачиваются. Органоиды растут в трехмерной среде, поэтому в ряде аспектов лучше сохраняют архитектуру и биологию исходного новообразования.

При этом органоид нельзя считать полной копией опухоли в организме человека. В реальной ткани опухолевые клетки взаимодействуют с кровеносными сосудами, иммунной системой, соединительной тканью и многочисленными сигнальными молекулами. Эти факторы могут существенно изменять эффективность противоопухолевых препаратов.

Особенно важны иммунные клетки, поскольку эффективность современных методов иммунотерапии во многом определяется взаимодействием опухоли с иммунной системой. Простые органоидные модели обычно не воспроизводят иммунное микроокружение полностью, поэтому их возможности при тестировании таких препаратов ограничены. В дальнейшем исследователи разрабатывают более сложные системы, объединяющие опухолевые органоиды с иммунными и другими клетками микроокружения.

Есть и другие ограничения. В рассматриваемом исследовании ученые не проверяли, насколько решения о лечении, основанные на тестировании органоидов, способны улучшить долгосрочные результаты терапии пациентов. Чтобы доказать клиническую эффективность такого подхода, необходимы специальные проспективные исследования, в которых выбор терапии будет связан с результатами тестирования органоидов и затем сопоставлен с реальным течением заболевания.

Кроме того, выращивание органоидов требует получения достаточного количества жизнеспособных опухолевых клеток. Не каждый образец способен успешно сформировать стабильную лабораторную модель, а сама процедура занимает некоторое время. Для быстро прогрессирующего заболевания задержка в несколько недель может иметь клиническое значение, поэтому одна из задач исследователей состоит в ускорении технологии.

Тем не менее органоиды уже рассматриваются как перспективное связующее звено между молекулярной диагностикой и практической персонализированной онкологией. Геномный или биомаркерный анализ способен показать, какие молекулярные нарушения присутствуют в опухоли, но наличие определенной мутации еще не гарантирует чувствительность к препарату. Органоид позволяет сделать следующий шаг — непосредственно проверить воздействие лекарства на живые клетки пациента.

В перспективе такая схема может выглядеть следующим образом: после биопсии или операции часть опухолевой ткани используется для стандартного патоморфологического и молекулярного анализа, а из другой части выращиваются органоиды. Затем на них проверяются несколько потенциально подходящих препаратов и комбинаций. Полученные данные сопоставляются с генетическим профилем опухоли, результатами клинических исследований и рекомендациями по лечению.

Наиболее полезным такой подход может оказаться в сложных случаях, когда стандартная терапия не дает ожидаемого результата или существует несколько сопоставимых вариантов лечения. Кроме того, органоиды могут значительно ускорить разработку новых лекарственных комбинаций, поскольку позволяют изучать их действие непосредственно на тканях человеческих опухолей еще до проведения крупных клинических исследований.

Исследование UCSF демонстрирует более широкий принцип развития современной медицины: решения постепенно переходят от классификации рака только по органу происхождения к анализу индивидуальной биологии опухоли каждого пациента. Для рака груди этот подход уже используется при определении гормональных рецепторов, HER2-статуса и ряда генетических характеристик, а органоидные модели способны добавить еще один уровень информации — функциональный ответ опухолевых клеток на препарат.

Пока подобные тесты остаются преимущественно исследовательской технологией и не могут самостоятельно определять тактику лечения. Однако сочетание клинических данных, молекулярных биомаркеров, вычислительного анализа и лабораторных моделей постепенно формирует основу функциональной персонализированной онкологии.

Если дальнейшие клинические испытания подтвердят надежность метода, выращенные из клеток пациентов мини-опухоли могут стать инструментом, позволяющим заранее выявлять неэффективные схемы, искать способы преодоления лекарственной устойчивости и подбирать наиболее перспективные комбинации препаратов. Для пациентов с агрессивными и трудно поддающимися лечению формами рака груди это потенциально означает более точный выбор терапии и меньше времени, потерянного на лечение, к которому опухоль изначально нечувствительна.