Nový přístup zdvojnásobuje účinnost chemoterapie zaměřením na paměť rakovinných buněk

V zcela novém přístupu k léčbě rakoviny biomedicírní inženýři severozápadní univerzity zdvojnásobili účinnost chemoterapie v experimentech na zvířatech.

Namísto přímého útoku na rakovinu, první strategie druhu zabraňuje vyvíjet se rakovinné buňky, aby odolaly léčbě-usnadnilo se onemocnění zaměřit se stávajícími léky. Tento přístup nejen plně vymazal onemocnění k téměř dokončení v buněčných kulturách, ale také dramaticky zvýšil účinnost chemoterapie u myších modelů rakoviny lidských vaječníků.

Studie byla zveřejněna dnes (22. července) v Sborník Národní akademie věd.

„Rakovinné buňky jsou skvělé adaptéry,“ řekl Northwestern’s Vadim Backman, který vedl studii. „Mohou se přizpůsobit téměř všemu, co se na ně vrhne. Nejprve se naučí vyhýbat se imunitnímu systému. Potom se naučí, jak se přizpůsobit chemoterapii, Imunoterapie a záření. Když odolávají těmto léčbě, žijí déle a získávají mutace. Nezastavili jsme se přímo zabíjet rakovinné buňky. Chtěli jsme odebrat jejich supervelmoci – odstranit jejich vlastní schopnosti přizpůsobit se, změnit a vyhnout se. “

Backman je profesorem Sachsova rodinného biomedicínského inženýrství a medicíny na Northwestern’s McCormick School of Engineering, kde řídí Centrum pro fyzickou genomiku a inženýrství. Je také členem Comprehensive Cancer Center Robert H. Lurie na Northwestern University, Institutu Chemistry of Life Processes Institute a Mezinárodního institutu pro nanotechnologii.

Chromatin je klíčem k přežití rakoviny

Rakovina má mnoho výrazných rysů, ale jeden rys je základem všech: jeho vytrvalá schopnost přežít. I když je bombardován imunitním systémem a drsným lékařským ošetřením, rakovina se může zmenšit nebo zpomalit její růst, ale jen zřídka zmizí. Zatímco genetické mutace přispívají k této rezistenci, mutace se vyskytují příliš pomalu, aby vysvětlily rychlou reakci na přežití rakovinných buněk.

V řadě studií Backman a jeho tým objevili základní mechanismus, který vysvětluje tuto schopnost. Složitá organizace genetického materiálu zvaného chromatin diktuje schopnost rakoviny přizpůsobit a přežít tváří v tvář nejúčinnějším drogám.

Chromatin – skupina makromolekul včetně DNA, RNA a proteinů – určuje, které geny jsou potlačeny nebo exprimovány. Aby se přizpůsobilo dva metry DNA, které obsahují genom do stotého milimetru prostoru uvnitř jádra buňky, je chromatin zabalen velmi těsný.

Prostřednictvím kombinace zobrazování, simulací, modelování systémů a experimentů in vivo se týmem Backmana objevil, že trojrozměrná architektura tohoto balení nejen řídí, že geny jsou exprimovány a jak buňky reagují na stres, ale také umožňuje buňkám fyzicky kódovat vzpomínky na genové transkripční vzorce do geometrie samotného balení.

3D uspořádání genomu funguje jako systém sebeučení, podobně jako algoritmus strojového učení. Jak se to učí, toto uspořádání neustále přetváří tisíce nanoskopických domén balení chromatinu. Každá doména ukládá část transkripční paměti buňky, která určuje, jak buňka funguje. Po celou dobu života jsou tyto domény chromatinu specifické pro buňky tvořeny, posíleny buněčnými zážitky, uloženy a přepsány. Problémy s touto transkripční pamětí mohou vést k onemocněním, jako je rakovina a Alzheimerova choroba, a mohou dokonce řídit stárnutí.

V případě rakoviny, když je narušeno balení chromatinu, buňka prokazuje větší plasticitu – nebo zvýšenou schopnost přizpůsobit se – což jim umožňuje naučit se odolat léčbě, jako je chemoterapie.

Přeprogramování chromatinu na posílení chemoterapie

V nové studii Backman a jeho tým vyvinuli nový výpočetní model, který používá fyziku k analýze toho, jak balení chromatinu ovlivňuje pravděpodobnost přežití rakovinné buňky proti chemoterapii. Po aplikaci nového modelu na různé typy rakovinných buněk a tříd chemoterapie léčivo, tým zjistil, že může přesně předpovídat přežití buněk – ještě před zahájením léčby.

Protože balení chromatinu je rozhodující pro přežití rakovinných buněk, vědci přemýšleli, co by se mohlo stát, kdyby změnili architekturu balení. Místo vývoje nových léčiv promítli stovky existujících léčivých sloučenin, aby našli kandidáty, které by mohly změnit fyzické prostředí uvnitř buněčných jader pro modulaci balení chromatinu. Tým nakonec vybral Celecoxib, protizánětlivý lék schválený FDA, který je již na trhu. Celecoxib, často předepsaný k léčbě artritidy a srdečních stavů, má vedlejší účinek na změnu balení chromatinu.

„Několik léků, včetně celecoxibu, může regulovat chromatin a potlačit plasticitu,“ řekl Backman. „S tímto přístupem nyní můžeme navrhnout strategie, které synergizují s chemoterapií nebo jinými stávajícími terapiemi. Důležitým zjištěním je samotný koncept. Tento konkrétní lék právě dokazuje.“

„Tato studie otevírá nové terapeutické cesty k léčbě rakoviny, která může doplnit stávající ošetření,“ řekla Rachel Ye, postgraduální studentka v backmanově laboratoři. „Je vzrušující vidět, jak rozpadneme záhady organizace genomu prostřednictvím multidisciplinárních přístupů a tento dokument je silným výsledkem tohoto úsilí.“

Experimentální výsledky

Podle Backmana by se Celecoxib a podobné léky mohly stát novou třídou sloučenin, nazývaných regulátory transkripční plasticity (TPRS), navržená k modulaci konformace chromatinu, aby se zabránilo adaptivní schopnosti rakovinných buněk. Vědci zjistili, že kombinace celekoxibu se standardní chemoterapií způsobila podstatné zvýšení počtu rakovinných buněk, které zemřely.

Poté, co prokázal svou účinnost v buněčných kulturách, chtěl Backman a jeho tým prokázat svůj potenciál v realističtějším biologickém systému. Tým kombinoval paclitaxel (běžný chemoterapeutický lék) s celekoxibem v myším modelu rakoviny vaječníků. Experimenty odhalily, že kombinace snížila míru adaptace rakovinných buněk a zlepšila inhibici růstu nádoru – překonal samotný paclitaxel.

„Model zvířat, který jsme použili, má neuvěřitelnou prediktivní sílu pro to, co se děje u lidí,“ řekl Backman. „Když jsme s nimi léčili nízkou dávkou chemoterapie, nádory pokračovaly v růstu. Ale jakmile jsme kombinovali chemoterapii s kandidátem TPR, viděli jsme mnohem významnější inhibici. Zjednodušilo to. účinnost“

Díky zvýšení efektivnější chemoterapie může nová strategie potenciálně také umožnit lékařům předepsat nižší dávky chemoterapie pro své pacienty. Nižší, přesto efektivní, dávky by mohly snížit zátěž neslavně obtížných vedlejších účinků chemoterapie. To by znamenalo významné zlepšení celkového pohodlí a zkušeností pacientů během léčby rakoviny.

„Chemoterapie může být na těle tak tvrdá,“ řekl Backman. „Mnoho pacientů, docela pochopitelně, se někdy rozhodne vzdát chemoterapie. Nechtějí trpět, aby žili o několik měsíců déle. Možná by snížilo, že utrpení by změnilo rovnici.“

Budoucí pokyny pro jiné nemoci

Backman se dosud zaměřil pouze na rakovinu, ale myslí si, že modulace chromatinové konformace může být klíčem k léčbě různých složitých onemocnění, včetně srdečních chorob, neurodegenerativních onemocnění a další. Ačkoli většina buněk v mnohobuněčném organismu sdílí přesně stejný genom, existují stovky typů buněk, jako jsou kosti, neurony, kůže, srdeční tkáň, krev atd. Porozumění fyzickým pravidlům upravujícím, jak mnoho různých typů buněk, s takovými různými funkcemi, může být výsledkem stejné sady instrukcí; Konformace chromatinu a buněčné transkripční paměti umožňují všem těmto různým typům buněk „pamatovat si“, které geny, aby exprimovaly, aby bylo možné správně vykonávat svou konkrétní buněčnou funkci a soudržně spolupracovat s buňkami kolem nich.

Backman předpokládá, že některá složitá onemocnění, spíše než způsobená výhradně genetickými mutacemi, mohou být zakořeněny jak v mutacích, tak v buňkách, které ztratí správné transkripční vzpomínky. Ztráta transkripční linie specifické pro typ buněk v neuronech byla například spojena s neurodegenerací v raném stádiu. Buňky mohou také zapomenout, které geny, které mají exprimovat pro normální funkci, když podléhají stresu, a že nesprávná exprese se pak může zapsat do buněčné paměti, což vede ke ztrátě buněčné funkce nebo dokonce onemocnění. Přeprogramování konformace chromatinu by mohlo pomoci obnovit správné vzpomínky buněk, což jim umožní vrátit se do normálního stavu.

„U mnoha nemocí zapomínají buňky, co by měli dělat,“ řekl Backman. „Mnoho působivých onemocnění 21. století je do značné míry spojeno s buněčnou pamětí. Každá buňka v našem těle má několik tisíc chromatinových domén, což jsou skutečné fyzické prvky transkripční paměti. Výpočetní složitost, ke které dochází v každé buňce, je ekvivalentní a jablečný počítač.

Studie „Využití domén balení chromatinu k cílové chemoeevazi in vivo“ byla podporována Národními ústavy zdraví (čísla grantu U54CA268084, U54CA193419, R01CA228272, R01CA225002, R01CA155284, R01CA165309 ,309 ,309 ,309 ,309, R01CA155284, R01CA16, R01CA25002, R01CA155284, R01CA T32GM132604, T32GM008152 and T32HL076139), National Science Foundation (grant numbers EFMA-1830961, EFMA-1830968, EFMA-1830969, CBET-1249311, EFRI-1240416, DGE-0824162 and DGE-184216), the Award Lefkovsky Innovation Award a Chicago Biomedical Consortium s podporou fondů Searle v Chicago Community Trust.