Около шести лет назад Альберто Барделли (Alberto Bardelli) почувствовал спад в своей научной работе. Будучи биологом и специалистом по раковым заболеваниям Туринского университета в Италии, он занимался изучением таргетной терапии (targeted therapies) с использованием препаратов, подобранных к тем мутациям, которые вызывают рост опухоли. Выбранная стратегия казалась перспективной, а состояние некоторых пациентов начало поразительным образом улучшаться. Однако в какой-то момент, неизбежно, их опухоли становились устойчивыми к лекарствам. Барделли видел, как их заболевание вновь обострялось. «Я наткнулся на стену», — признается он. Барделли понял, что проблема не была связана со специфическими мутациями: это была сама эволюция. «К сожалению, мы имеем дело с одной из наиболее мощных сил на нашей планете», — подчеркивает он.
Ученые уже давно поняли, что опухоли эволюционируют. По мере их роста возникают мутации и появляются особые в генетическом отношении клетки. Эти клетки, которые являются устойчивыми к применяемым лекарственным препаратам, выживают и расширяются. Какие бы препараты врачи не применяли, опухоли, судя по всему, адаптируются к ним. И ученым сложно купировать этот процесс, поскольку он развивается внутри тела в течение продолжительного времени. «Раньше мы постоянно говорили пациентам, что рак развивается в дарвинистском стиле, однако в нашем распоряжении не было огромного количества данных для того, чтобы это можно было, на самом деле, формально доказать», — отмечает Чарльз Свонтон (Charles Swanton), специалист в области раковых заболеваний Института Фрэнсиса Крика в Лондоне (Francis Crick Institute).
Но ситуация начинает меняться. Благодаря прогрессу в области пошаговой технологии, созданию масштабных коллекций проб и клинических данных ученые составляют более точную картину того, как эволюционирует рак, и при этом открываются глубинные причины сопротивления, а в некоторых случаях, становится понятным, как оно может быть преодолено. В настоящее время происходит увеличение арсенала терапевтических возможностей, и биологи пытаются воспользоваться полученными результатами.
«Рак постоянно адаптируется, и поэтому нам надо делать то же самое», — подчеркивает Барделли. Действия в том духе, он в прошлом году сместил фокус в работе своей лаборатории в сторону изучения эволюции рака. Его команда разработала модель того, как рак ободочной и прямой кишки отвечает на таргетную терапию, которая применяется в комбинации и которая, потенциально, способна показать те способы, с помощью которых можно будет не дать опухолевым клеткам обрести сопротивляемость. «У нас есть великолепные данные относительно возможности обнаружить эволюцию и воздействовать на нее», — сказал он.
Древо жизни
Раковые клетки обладают поразительным набором мутаций. В 2012 году, когда Свонтон и его коллеги проанализировали многочисленные варианты биопсий, взятые у людей, страдающих от рака почек, то оказалось, что ни один из образцов не повторяется. Члены его команды изучили не только первичные, но и сателлитные опухоли — так называемые метастазы, — распространяющиеся по телу пациентов. У каждого из них члены команды обнаружили более 100 мутаций в различных проанализированных пробах опухолей, и только треть от их общего числа была обнаружена во всех пробах.
Отношения между различными раковыми клетками одного человека могут быть представлены тем же способом, как эволюционные биологи изображают отношения между видами: можно нарисовать филогенетическое дерево и схемы ответвлений, по которым можно проследить путь «потомков» до их общих предков. Мутации, происходящие в первой злокачественной клетке, обозначенные на стволе эволюционного древа, попадают, в конечном итоге, в опухолевые клетки, тогда как те мутации, которые произойдут после, можно будет обнаружить на ветках древа. Для того, чтобы уничтожить опухоль, нужно, по мнению Свонтона, подвергнуть атаке мутации в стволе.
Уже существуют терапии, направленные на эти стволовые мутации, и они нередко показывают на первом этапе удивительные результаты. Но затем возникает сопротивление, о котором говорит Барделли. «Мы в большой степени зациклены на представлении о том, что чем меньше опухоль, тем лучше, однако мы упускаем из виду то, что после нее остается, — подчеркивает Свонтон. — Часто остаются способные к сопротивлению клоны, не поддающиеся лечению». Однако он считает, что, нацеливаясь одновременно на многочисленные стволовые мутации (trunk mutations), исследователи могут попытаться уничтожить раковые клетки. Шансы отдельной раковой клетки уклониться от двух или трех длительных атак невелики.
Один из возможных способов добиться этого состоит в использовании комбинаций таргетных терапий. «В теории такой вариант может сработать», — говорит Берт Фогельштейн (Bert Vogelstein), специалист в области раковой генетики из Клиники имени Сидни Киммеля (Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center) при Университете Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. На самом деле, когда он и эволюционный биолог Мартин Новак (Martin Nowak) из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, смоделировали данную стратегию, они обнаружили, что двух таргетных препаратов, против воздействия которых не существует общего механизма сопротивления, будет достаточно для контроля метастазирующего рака. Для людей с большим количеством метастаз эта модель предлагает использование трех терапий.
Специалисты уже начали тестировать комбинаций таргетных терапий в клинических условиях. Однако Свонсон подчеркивает, что сегодня еще не существует таргетных препаратов для значительного количества мутаций. А комбинирование существующих лекарств таким способом, который не наносил бы ущерба пациенту, оказалось непростым вопросом. Поэтому Свонсон сосредоточил свое внимание на иммунотерапии — то есть на стратегии, помогающей иммунной системе распознавать и ликвидировать раковые клетки.
Иммунная система распознает угрозы, частично, с помощью наблюдения за поверхностью клеток и поиска молекул под названием антигены, способных передавать сигналы о наличии проблем внутри. Генетические дефекты в ДНК раковой клетки иногда могут кодировать антигены, которые затем вызывают иммунный ответ. Однако Свонтон и его коллеги не уверены в важности вопроса о том, отвечает ли иммунная система на антиген, появляющийся из эволюционного ствола рака, или на тот антиген, который возникает в его ветвях.
В опубликованной в марте статье Свонтон и его коллеги изучили пробы из Атласа ракового генома (Cancer Genome Atlas), из собрания генетических и клинических материалов, полученных от нескольких тысяч людей с раковыми заболеваниями. Исследователи пришли к выводу о том, что рак легких, имеющий большое количество стволовых антигенов — а также значительную пропорцию стволовых антигенов в сравнении с веточными антигенами, — живут дольше, чем те, у которых либо мало стволовых антигенов либо более высокая пропорция веточных антигенов. Более того, люди, имеющие большое количество стволовых антигенов, кажется, лучше реагируют на иммунную терапию. По словам Свонтона, в этом есть смысл, потому что иммунная система определяет в качестве своих целей стволовые антигены и наносит удар по большинству раковых клеток, а не «отщипывает маленькие веточки».
Подобного рода исследования еще находятся на своем раннем этапе, однако Свонтон проводит в качестве примера клинические испытания, которые могут подтвердить его выводы. В рамках этого исследования, получившего название TRACERx (Tracking Cancer Evolution through Treatment (Rx), будут наблюдаться 850 человек с диагнозом рак легких во ходе их лечения, а в некоторых случаях до самого момента их смерти. В процессе данного исследования будут документироваться генетические изменения их опухолях для того, чтобы понять, каким образом рак эволюционирует и как лечение воздействует на этот процесс. Когда Свонтон получит такого рода данные, он надеется собрать достаточное количество денег для тестирования стратегии лечения, основанной на эволюции.
Один из подходов будет состоять в определении иммунных клеток в опухоли, в выращивании их в лаборатории и возвращении их в тело пациента — эта техника называется адаптивный перенос клетки (adoptive cell transfer). Подобного рода стратегии, которые уже используются, позволяют определить иммунные клетки, способные распознавать любые раковые антигены, однако команда Свонтона будет выбирать те из них, которые в первую очередь распознают стволовые антигены, появляющиеся на всех раковых клетках.
Эта стратегия не будет дешевой, однако не дешевым является и такой вариант, при котором небольшое финансирование получают целый ряд таргетных терапий, не дающих, в конечном итоге, никакого результата. «Каждый курс терапии стоит от 10 тысяч долларов до 100 тысяч долларов», — говорит Свонсон. Если ученые смогут разработать терапию, способную вылечивать раковые метастазы, то «весь анализ затрат и результатов, а также экономические модели здоровья будут существенным образом изменены».
Клеточные соперники
Применение эволюционных принципов может помочь иммунной системе победить опухоли. Роберт Гатнби (Robert Gatenby), молекулярный онколог из ракового центра имени Моффитта (Moffitt Cancer Center), расположенного в городе Тампе, штат Флорида, ставит перед собой более скромную задачу: он надеется помочь людям жить с этим заболеванием. Гантби начал анализировать раковые заболевания как эволюционную проблему в начале 1990-х годов, когда он работал в раковом центре Fox Chase Cancer Center в Филадельфии, штат Пенсильвания. Он так много видел людей с рецидивами, что рак стал казаться ему в меньшей степени биологической проблемой и в большей степени колдовством. «Это похоже на представляющую силы зла субстанцию, которая постоянно возвращается и сводит на нет все самые достойные усилия». Но когда он начал думать о раке с точки зрения эволюции, проблема вновь стала казаться решаемой.
Гантби начал создавать математическую модель этого заболевания для разработки наилучшего варианта его лечения. Его модель исходит из того, что многие онкологи используют неверный подход. Обычно врачи прописывают максимальную дозу химиотерапии, которую может выдержать пациент, и предполагают таким образом уничтожить как можно больше раковых клеток. При этом они надеются на то, что они смогут уничтожить рак еще до того, как возникнет сопротивление.
Однако проведенные в последнее годы исследования показывают, что в раковых опухолях устойчивые к воздействию медикаментов клетки образуются задолго до начала терапии. Популяция устойчивых клеток остается незначительной, потому что способность к сопротивлению сильно влияет на самочувствие. Если пациент получает значительную дозу химиотерапии, клетки сопротивления становятся более активными, чем те, которые являются восприимчивыми к лекарственным препаратам. Гантби сравнивает сопротивление по отношению к препаратам с зонтиком: «Если идет дождь, то зонтик оказывается весьма полезным. Но если дождя нет, то он превращается в обузу». Гантби считает, что он сможет использовать естественную конкуренцию между восприимчивыми и резистентными клетками за счет различных вариантов дозирования и времени применения лекарственных препаратов.
Недавно он протестировал эту идею на мышах с двумя типами рака молочной железы. Когда он и его коллеги подвергали мышей воздействию стандартной предельно допустимой дозы химиотерапии с использованием препарата паклитаксел (paclitaxel), опухоли сразу же появлялись вновь, как только заканчивался процесс лечения. Его команда пробовала также пропускать сеансы, когда опухоль начинала уменьшаться, однако и это не давало положительного результата. Третья группа мышей получала стандартную порцию химеотерапии, но в тот момент, когда опухоль у них начинала уменьшаться, специалисты уменьшали дозу воздействия. Именно эта стратегия оказалась лучшей для выживания мышей, и ее применение позволило трем из пяти испытуемым мышам продолжать жить без приема лекарств.
Подобный вариант лечения предполагает адаптацию к тому, как опухоль отвечает на терапию, а также поддержание баланса между резистентными и восприимчивыми клетками. «На мой взгляд, это одно из наиболее поразительных достижений в области раковой биологии, потому что это относительно простой вариант», — говорит Карло Мейли (Carlo Maley), биолог из Университета штата Аризона в городе Темпе, работающий вместе с группой Гантби.
В мае 2015 года раковый центр имени Моттиффа начал пилотное исследование для определения того, может ли основанный на подобной адаптивной терапии подход помочь людям, страдающим от рака простаты. Медики будет исследовать уровни специфического антигена простаты (PSA), своего рода маркера развития этого заболевания. Затем они предполагают использовать стандартный метод или прекратят его применение в зависимости от того, что они увидят. Ученые применяли прерывистую терапию и в прошлом, однако использованные протоколы основывались на строго контролируемых циклах. «В случае с адаптивной терапией циклы использования — неиспользования определяются реакцией опухоли», — подчеркивает Гантби. Он также планирует использовать молекулярные и клинические данные накопленные в ходе попыток разработать компьютерные модели, способные в будущем управлять процессом адаптивной терапии.
Двойное послание
Врачи обнаружили работу еще одной эволюционной парадигмы. В январе Джеффри Энгельман (Jeffrey Engelman), специалист в области рака груди из Больницы общего профиля в Бостоне (Massachusetts General Hospital), штат Массачусетс, а также его коллеги подробно описали в журнале New England Journal of Medicine процесс лечения 52-летней пациентки, страдающей от рака легкого и вызванных им метастаз. В опухоли этой женщины произошли генетические изменения, в результате которых образовалась деформированная версия ALK протеина, и поэтому врачи сначала использовали препарат кризотиниб (crizotinib), сдерживающий действия ALK. У пациентки появилась позитивная реакция, но затем наступил рецидив.
Терапия второго поколения также оказалась безрезультатной, и поэтому врачи менее чем через год перешли к терапии третьего поколения, которая все еще находится в стадии клинических испытаний. Этот метод давал положительный результат в течение некоторого времени, но по прошествии менее года у этой женщины стала отказывать печень, и ее нужно было госпитализировать. Затем врачи обнаружили, что терапия третьего поколения вызвала новую мутацию, которая вновь сделала ее раковое заболевание восприимчивым к кризотинибу. Когда они стали применять этот препарат, ее почка восстановилась, а ее состояние улучшилось до такой степени, что она получила возможность покинуть больницу.
Для Энгельмана и его коллег вновь появившаяся у этой женщины восприимчивость к кризотинибу оказалась счастливой случайностью. Однако врачи, вероятно, смогут намеренно направить раковое заболевание по этому пути. Гантби называет эту стратегию эволюционной с двойной связью, и он так ее объясняет: представьте себе попытку контролировать популяцию крыс за счет использования таких хищников как ястребы, которые способны схватывать свою жертву, падая на нее с неба. Этот тип поведения хищников проводит отбор в пользу тех грызунов, которые скрываются под кустарником. Поэтому можно добавить змей, которые также скрываются в кустах. Змеи будут способствовать отбору в пользу тех крыс, которые предпочитают открытое пространство, что будет делать их уязвимыми для ястребов, объясняет Гантби. Та же самая идея может быть применена к раковым заболеваниям. То есть можно использовать одно лечение, которое сделает рак восприимчивым к действию другого, а затем применять их попеременно.
«Это не игра „Убей крота“ (whack-a-mole), — говорит Гантби, — а, скорее, тщательно продуманный метод, использующий эволюционную динамику».
Это именно та стратегия, которую Бен Соломон (Ben Solomon), специалист по раковым заболеваниям Ракового центра имени Питера Маккалума (Peter MacCallum Cancer Centre) в Мельбурне, Австралия, планирует использовать в ходе предстоящих испытаний. У многих людей, страдающих от рака легких, возникают мутации в гене под названием EGFR. Некоторые лекарства были одобрены для воздействия на мутации EGFR, однако опухоли постоянно развивают сопротивляемость по отношению к ним. У примерно половины пациентов эта сопротивляемость вызвана мутацией в EGFR, получившей название T790M. В прошлом году американское Управление по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило целевой препарат под названием осимертиниб (osimertinib), сдерживающий стандартные мутации EGFR и T790M, однако пациенты, которые реагируют на него, в течение года сталкиваются с рецидивом.
Соломон и его коллеги планируют начать испытывать на пациентах препарат осимертиниб, а затем наблюдать за сопротивляемостью с помощью исследования ДНК опухоли, циркулирующей в их крови. Исследователи ожидают увидеть сокращение мутаций в T790M. Когда это произойдет, они переключатся на использование первого поколения ингибидора EGFR, который не сдерживает T790M. Когда поднимется уровень T790M, специалисты вернутся к использованию осимертиниба. «Наша гипотеза состоит в том, что это отсрочит появление сопротивляемости к осимертинибу, потому что мы не поддерживаем этот уровень селективного давления», — подчеркивает Соломон. Он надеется уже в скором времени получить окончательное одобрение для проведения своего исследования.
Нет гарантий того, что любая из этих стратегий будет успешной. Но даже если запланированный эксперимент провалится, его результаты помогут исследователям уточнить свои теории и заняться некоторыми более значимыми и пока еще не познанными вопросами. Например, каким образом генетически разнообразные клетки в опухоли взаимодействуют между собой, и какова роль клеточной среды, которой они обладают? Корнелия Поляк (Kornelia Polyak), онколог из Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School) в Бостоне считает, что исследователи раковых заболеваний в большей степени фокусируют свое внимание на мутациях внутри клетки и не рассматривают то, каким образом мутированные клетки могут воздействовать на находящиеся рядом с ними клетки. «Это во многом неисследованная область», — говорит она.
Динамика внутри опухоли чрезвычайно сложна, однако Эдельмана это не пугает. Клинический анализ поможет исследователям понять эту проблему. «Подобные догадки позволят нам приблизиться к возможности оказывать все более значительное воздействие, — говорит он. — Депрессивные чувства возникают тогда, когда ты не знаешь, что нам, вообще, происходит».
Эта статья перепечатывается с разрешения, и она впервые была опубликована 13 апреля 2016 года.
