Исследователи Международной лаборатории микрофизиологических систем факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ занимаются разработкой методов, снижающих сопротивляемость опухолевых клеток к воздействию лекарств, созданием более эффективных методов лечения рака с учетом индивидуальных особенностей пациентов. О работе лаборатории «Вышке.Главное» рассказала ее руководитель Диана Мальцева.

— Когда была создана лаборатория?

— Мы подали на конкурс проектов на создание международной лаборатории в 2019 году, и уже в январе 2020 году она была организована. Нам удалось сформировать лабораторию несмотря на начавшуюся в то время пандемию.

— Каковы главные направления деятельности лаборатории?

— Мы исследуем механизмы прогрессирования опухолевых заболеваний. Можно выделить две основные причины. Опухоль может не реагировать на химиотерапию, или под ее воздействием происходит трансформация опухолевых клеток в их более агрессивный фенотип, что может привести к повышению резистентности опухоли к химиотерапии. Вторая причина: клетки из первичного опухолевого узла распространяются по организму, начинается метастазирование. Мы изучаем, как можно повысить чувствительность опухолевых клеток к химиотерапии и как предотвратить распространение клеток опухоли по организму.

Еще одно направление нашей деятельности — разработка стратегий для персонализации лечения. Это означает, что у пациента до хирургической операции берут биопсию опухоли и в лаборатории проводят тестирование на ее чувствительность к лекарственной терапии, анализируется, какой вид терапии будет наиболее эффективным. Если в лабораторию попадает образец опухоли пациента после операции, изучают, как подавить клетки, оставшиеся в организме после ее удаления. Для этого нужны релевантные модели, отражающие рост опухоли в организме человека максимально близко к реальному.

Проблема — в быстрых изменениях клеток после их извлечения из организма. Опухоль — очень разнородная структура. Даже внутри опухолевых клеток надо сохранить гетерогенность для понимания релевантного ответа на разные препараты.

Для этого мы занимаемся созданием 3D-культур опухолевых органоидов. Важно научиться создавать и поддерживать их так, чтобы при культивировании они максимально долго сохраняли свою гетерогенность.

— Среди ключевых направлений работ лаборатории названо изучение молекулярных механизмов прогрессирования опухолевых заболеваний. Это онкология? Или вы изучаете и другие недуги, вызванные опухолями?

— У нас фокус именно на онкологии.

— Другая тема, привлекающая внимание, — преодоление сопротивляемости опухолей к химио- и таргетной терапии. Уточните, пожалуйста, что означает второй термин.

— При химиотерапии разными препаратами воздействию подвергаются все клетки организма. Например, если пациент получает 5-фторурацил, препарат попадает во все клетки и нарушает во всех клетках синтез ДНК и РНК. Опухолевые клетки делятся быстрее, они больше подвержены его действию, но опухоль может оказаться резистентна к препарату. В отличие от обычной, таргетная терапия, названная по английскому слову target (мишень), подразумевает наличие конкретной молекулы, на которую направлена данная терапия. Она должна быть экспрессирована, наиболее представлена в опухолевых клетках.

Тогда таргетная терапия может быть одним из способов повысить восприимчивость к лекарственной терапии при индивидуальном применении либо в комбинации с другими препаратами. Это предполагает выделение определенных маркеров опухоли, отличающих ее от нормальной ткани. В частности, при раке кишечника опухоль может продуцировать достаточно рецептора эпидермального фактора роста, и может применяться терапия, чтобы ослабить активность этого рецептора и таким образом подавить рост опухоли. Однако при получении пациентом такой терапии у него не должно быть определенных мутаций опухолевых клеток.

Для разных видов опухолей терапия варьируется, в случае рака молочной железы это может быть рецептор HER2. Главное, чтобы опухолевые клетки были больше подвержены такой терапии. Все пытаются найти маркеры, на которые можно было бы действовать узконаправленно.

— Насколько вы продвинулись в этом направлении?

— Вопрос — что считать продвижением. Надо разделять исследования и клиническую практику. Первые требуют подтверждения в клинике.

В лабораторных исследованиях мы выяснили, что, если при наиболее агрессивной форме рака молочной железы клетки обладают низкой экспрессией одного из генов, участвующих в метаболизме липидов, они чувствительны к ферроптозу — сценарию гибели клетки, когда чрезмерное накопление ею молекул свободного железа и связанная с ним выработка активного кислорода повреждает белки и липиды клетки. Оказалось, что обработка клеток опухоли полиненасыщенными жирными кислотами в сочетании со стандартными препаратами химиотерапии может повысить чувствительность клеток опухоли к последним. Мы также показали, что активация ферроптоза способна быть перспективной тактикой при раке мочевого пузыря для преодоления химиорезистентности.

— Как планируется разработать персонализированные практики лечения онкозаболеваний?

— Это изначально предполагает что-то свойственное конкретному человеку. Нам нужен образец его опухолевой ткани, мы должны поддерживать его в максимально неизменном виде и протестировать ответ этого фрагмента ткани на препараты, имеющиеся у врача. Чтобы максимально сохранить ткань пациента, мы занимаемся 3D опухолевыми органоидами и также стремимся приблизиться к условиям в организме человека, поскольку при культивировании во флаконах условия, в которых находятся клетки, значительно отличаются от условий в организме.

У нас есть большой проект, объединяющий три лаборатории. Мы разрабатываем микрофлюидные модели, что предполагает создание чипа, имитирующего условия роста клеток в организме человека. В литературе такие устройства также встречаются под названием «орган на чипе». Такие чипы помещаются на ладони, в них есть лунки, где выращиваются клетки отдельных органов или опухоли, и каналы, через которые подается питательная среда, а также имитируется кровоток, и мы приближаем модели к происходящему в организме.

Мы также пытаемся найти профиль экспрессии генов, чтобы ответить, будет ли эта опухоль чувствительна к тому или иному типу препаратов. Подобные тест-системы могут позволить по результатам ПЦР-теста подсказать врачу, будет ли эффективен конкретный вид терапии. В мировой практике такой подход уже успешно применяется при лечении рака молочной железы.

— Есть ли различия в распространенности рака разных органов? На каких типах (видах) онкологии вы фокусируете свое внимание?

— Распространенность рака разных органов серьезно различается. Самый распространенный тип заболевания — рак легкого, затем рак молочной железы, а далее — рак кишечника. Они различаются по смертности. Например, рак кишечника — второй по показателю смертности среди онкологических заболеваний, а рак печени — пятый по встречаемости и третий по смертности.

Если говорить о различиях между женщинами и мужчинами, то у первых наиболее распространен рак молочной железы, а у мужчин — легкого и предстательной железы, правда, последний, как правило, неагрессивный.

В нашей лаборатории мы исследуем рак кишечника и молочной железы. Также мы исследуем рак мочевого пузыря и предстательной железы и начинаем исследовать опухоли головного мозга.

— Какими достижениями лаборатории и коллег вы гордитесь?

— В первую очередь я горжусь коллегами — как взрослыми, так и молодежью, которая к нам приходит в лабораторию. Мы счастливы, что работаем с деканом факультета биологии и биотехнологии Александром Тоневицким, весной этого года ему было присуждено звание академика РАН.

Если говорить о результатах исследований, то недавно мы опубликовали статью о рецепторе CD44. Он может существовать в разных вариантах, и в нашей статье мы показали, что подавление активности одной из его изоформ может быть очень эффективным для предотвращения метастазирования рака кишечника через кровоток.

Еще один наш результат — мы внесли свой вклад в понимание фундаментального механизма образования микроРНК в клетках

МикроРНК — это короткие молекулы длиной 22 нуклеотида, влияющие на уровень экспрессии генов-мишеней, причем набор мишеней строго определяется последовательностью микроРНК. В клетках микроРНК формируются сначала в виде предшественников, проходящих затем преобразования, и мы исследовали, как структура и последовательность предшественников микроРНК влияют на их процессинг и, соответственно, на итоговую последовательность зрелой микроРНК.

Мы также изучаем механизмы сплайсинга — процесса, в результате которого из пре-мРНК гена вырезаются интроны — фрагменты, не несущие информации. При альтернативном же сплайсинге могут вырезаться и некоторые экзоны — фрагменты, содержащие последовательности белков. Таким образом, в процессе альтернативного сплайсинга из одной и той же последовательности гена могут получиться молекулы мРНК, а затем и молекулы белка с разной последовательностью. Альтернативный сплайсинг лежит в основе появления специфичных опухолевых неоантигенов (маркеров опухоли), которые стремятся найти исследователи во всем мире, чтобы затем использовать их для создания таргетной терапии.

Скоро наш аспирант планирует защищать диссертацию о разработке алгоритма предсказания сплайсинга пре-мРНК генов в опухолевых клетках. Для разработки алгоритма использовались машинное обучение и ИИ.

— С какими подразделениями Вышки и другими отечественными исследователями вы сотрудничаете наиболее активно?

— В Вышке мы сотрудничаем с факультетом компьютерных наук, особенно с Международной лабораторией статистической и вычислительной геномики Владимира Щура. Мы также активно взаимодействуем с клиническими центрами, с Онкологическим институтом имени Герцена, с Национальным медицинским исследовательским центром радиологии. Недавно мы подписали соглашение с Национальным медицинским исследовательским центром детской гематологии, онкологии и иммунологии имени Дмитрия Рогачева об исследовании опухолей мозга у детей.

— Среди ваших партнеров — многие известные европейские институты и клиники. Как сейчас складывается международное сотрудничество?

— Мы вели интенсивные работы с исследователями Университетской клиники Гамбурга и Технического университета Берлина. Сейчас они, к сожалению, приостановлены. Однако мы начали сотрудничать с Индией и недавно заключили соглашение с пекинским Университетом Цинхуа. Мы планируем развивать совместные исследования микроРНК, возможности их использования в прогностических целях.

— Как научно-практические достижения лаборатории применяются в учебном процессе?

— У нас действуют научно-практические семинары, на которых мы вовлекаем студентов в решение практических научных задач, и есть дисциплина «Молекулярная онкология». Евгения Степанова, читающая этот курс, участвует в деятельности лаборатории.

— Насколько активно в ее деятельности участвуют молодые сотрудники — студенты-старшекурсники и аспиранты Вышки?

— Очень активно. Регулярно пять и более студентов бакалавриата работают и потом остаются в магистратуре и аспирантуре. В проекты, которыми мы гордимся, мы вовлекли наших молодых коллег, студентов и аспирантов.