Ученые оттачивают края химиотерапии рака с помощью CRISPR

Ученые обостряют границы химиотерапии рака с помощью CRISPR
                Выводы Института Уайтхеда в Массачусетском технологическом институте не только помогают осветить биологию хорошо известной химиотерапии рака, но и предлагают простую пищевую добавку, которая может помочь расширить его терапевтическое окно и снизить его токсичность. Предоставлено: Лиза Нип/Институт Уайтхеда.

Решение нерешенных проблем является краеугольным камнем научных исследований, движимых мощью и перспективой новых технологий. Действительно, одним из самых блестящих инструментов биомедицинского инструментария в наши дни является система редактирования генома, известная как CRISPR/Cas9. Член Института Уайтхеда Дэвид Сабатини и его коллеги впервые применили этот инструмент в качестве основы для крупномасштабных генетических скринингов в клетках человека, открыв сокровищницу новых знаний о клеточном метаболизме как в нормальных клетках, так и в раковых клетках.
                                                                                       

Когда Наама Канарек, постдок из лаборатории Сабатини, задумалась над тем, как применить эти современные экраны CRISPR/Cas9 к своим собственным исследованиям, ее мысли обратились к классическому препарату для химиотерапии рака, метотрексату, который был в клиническое использование в течение почти семи десятилетий. Часто используемый для лечения формы детской лейкемии, известной как острый лимфобластный лейкоз (ОЛЛ), препарат, будучи развернутым как часть многогранного плана лечения, может быть очень эффективным. Но его сила стоит денег. Поскольку метотрексат может повредить не только раковые клетки, но и здоровые ткани, его следует применять с большой осторожностью. Для детей, которые получают высокие дозы препарата, основа всего лечения, это может означать несколько дней, проведенных в больнице с тщательным клиническим наблюдением.

При других формах рака эффективность метотрексата более неопределенная. Например, при детской остеосаркоме реагируют только 65 процентов пациентов. К сожалению, в настоящее время у врачей нет возможности точно определить, кто будет, а кто нет.

«С научной точки зрения, метотрексат является совершенно особенным, потому что это был первый метаболический препарат, который был разработан, но большая часть его биологии еще предстоит выяснить — особенно то, что управляет этими различными реакциями у пациентов», — говорит Канарек. «Итак, это действительно один из этих старых, классических вопросов, которые в течение некоторого времени оставались в этой области. Мы думали, что сможем узнать что-то новое».

И они сделали. В интернет-выпуске журнала Nature от 11 июля Канарек, Сабатини и их коллеги сообщают о результатах скрининга CRISPR/Cas9 на факторы, влияющие на чувствительность к метотрексату. Работа группы привела к неожиданному набору открытий, которые указывают на расщепление гистидина — одной из нескольких аминокислот, используемых организмом для конструирования белков — в качестве критического привратника уязвимости раковых клеток к метотрексату. Выводы исследователей не только помогают осветить биологию хорошо известной химиотерапии рака, но и предлагают простую пищевую добавку, которая может помочь расширить его терапевтическое окно и снизить его токсичность.

«Это исследование является примером силы современных геномных инструментов, чтобы пролить яркий свет на давние вопросы биологии человека», — говорит старший автор Дэвид Сабатини, который также является профессором биологии в Массачусетском технологическом институте и исследователем в Howard Hughes Медицинский институт (HHMI). «Хотя химиотерапия при раке может быть весьма эффективной, ее биологические эффекты часто плохо понимаются. Изучая их биологию, мы можем разработать способы их более разумного использования».

Атакуй рак, а не пациента

История применения метотрексата восходит к 1940-м годам, времени, когда поразительно мало было известно о происхождении рака, и тем более о том, как лучше всего его лечить. Рождение метотрексата в качестве химиотерапевтического агента было инициировано проницательными наблюдениями Сидни Фарбера, детского патолога в Бостонской детской больнице, который ухаживал за детьми с различными заболеваниями, включая ВСЕ. В ходе ухода за пациентами с ОЛЛ Фарбер осознал, что раковые клетки зависят от питательной фолиевой кислоты для их собственного размножения. Это дало ему идею использовать антагонисты фолата для лечения ВСЕХ. Метотрексат был разработан в 1949 году именно для этой цели, и впоследствии было показано, что он вызывает ремиссию у детей с ОЛЛ. Перенесемся в будущее, и препарат превратился в важный инструмент в наборе онкологов.

«Метотрексат является основной частью химиотерапевтического лечения многих раковых заболеваний человека», — говорит Лорен Валенский, детский гематолог/онколог из Института рака Дана-Фарбер, который не является соавтором исследования, но служил на раннем этапе. консультант по проекту, а также будет играть более глубокую роль в планировании последующих исследований. «Он также используется за пределами области лечения рака для лечения ряда аутоиммунных заболеваний».

Он добавил: «Но, как и в случае любой химиотерапии, критическая проблема заключается в том, как наилучшим образом использовать ее, чтобы нанести максимальный ущерб раку, не нанося непоправимого вреда пациенту».

Основная механика метотрексата довольно хорошо известна. Препарат ингибирует дигидрофолатредуктазу (DHFR), фермент, который генерирует функциональную форму фолата, известную как тетрагидрофолат (THF). ТГФ необходим для приготовления сырья, необходимого для создания нуклеиновых кислот, таких как ДНК, которая несет генетическую информацию клеток, и РНК, близкий химический родственник, участвующий в производстве белков. «Пролиферирующие клетки должны дублировать свою ДНК, поэтому им нужно много ТГФ», — объясняет Канарек. «Но даже клетки, которые не делятся, должны производить РНК, и для этого также требуется ТГФ».

Результаты экрана CRISPR/Cas9 Канарека теперь придают большую ясность этой молекулярной картине. Она и ее коллеги обнаружили другой фермент, названный FTCD, который участвует в расщеплении гистидина. Интересно, что FTCD также требует ТГФ для своей функции, хотя и не так сильно, как основная цель метотрексата, DHFR. Несмотря на различия в потребностях двух ферментов, они оба получают из одного общего пула ТГФ.

«В нормальных условиях этот пул достаточно полон, поэтому нет конкуренции за ресурсы, даже в быстро делящихся ячейках», — говорит Канарек.

Но когда количество THF становится ограниченным — как это происходит в клетках, которые обрабатываются метотрексатом — история совсем другая, обнаружила команда Института Уайтхеда. В этом случае активность FTCD создает серьезные проблемы, поскольку в пуле недостаточно THF для поддержки как пролиферации клеток, так и расщепления гистидина. Когда это происходит, клетки погибают.

Это заставило Канарека задуматься о гистидине: может ли питательное вещество повлиять на активность FTCD и, благодаря собственному метаболизму раковых клеток, сделать их более уязвимыми для метотрексата?

Чтобы исследовать этот вопрос, исследователи использовали мышиные модели лейкемии, спроектированные путем трансплантации клеток лейкемии человека под кожу мышей с ослабленным иммунитетом. Подгруппа мышей получала инъекции метотрексата вместе с гистидином. Этот удар один-два, как предположил Канарек, должен усилить функцию FTCD и быстрее истощить пул ТГФ, тем самым делая клетки более чувствительными к эффектам метотрексата, вызывающим уничтожение рака.

Именно это и наблюдала команда. Примечательно, что в этих экспериментах использовались более низкие, чем обычно, дозы метотрексата, что позволяет предположить, что клетки действительно стали более чувствительными к лекарству от рака. Кроме того, исследования включали клеточную линию лейкемии человека, называемую SEM, которая содержит специфическую генетическую мутацию, которая связана с особенно плохим прогнозом у пациентов, что еще больше подчеркивает способность пути деградации гистидина ослаблять защитные функции клеток.

Теперь Канарек и ее коллеги работают над расширением этих первоначальных результатов дополнительными доклиническими исследованиями и вместе с Валенским определяют, как наилучшим образом оценить потенциальные преимущества приема гистидина у онкологических больных. Их конечная цель: провести клинические испытания, которые позволят оценить способность гистидина повышать эффективность метотрексата у людей.

Помимо того, что раковые клетки становятся более уязвимыми для метотрексата, исследования команды Института Уайтхеда также обещают еще одну терапевтическую задачу: определить, какие пациенты будут или не будут реагировать на препарат.

Два других фермента взаимодействуют с FTCD при расщеплении гистидина. Уровни одного из ферментов, известных как HAL, по-видимому, коррелируют с чувствительностью клеток к метотрексату: то есть раковые клетки с высоким уровнем HAL, как правило, более чувствительны к препарату. Необходима дополнительная работа, чтобы определить, распространяется ли эта корреляция на более широкий диапазон выборок пациентов и имеет ли она прогностическое значение в клинике. Тем не менее, Канарек и ее коллеги уже начинают работу в этом направлении. Совместно с Абнером Луиссентом-младшим, гематопатологом в Массачусетской больнице общего профиля, который также являлся ранним консультантом по исследованию природы, команда Института Уайтхеда начнет второе клиническое исследование, чтобы выяснить, могут ли уровни HAL предсказать реакцию метотрексата у пациентов с лимфомой./р>

«Возможность понять, кто будет реагировать на метотрексат, а кто нет, и как добиться терапевтического эффекта при смягчении потенциальных побочных эффектов препарата, может оказать глубокое влияние на лечение пациентов», — говорит Валенский. «Выводы из этого исследования привносят совершенно новое измерение в наше понимание десятилетней и критически важной медицины рака. И, как врач и ученый, это действительно захватывающе».

Похожие новости

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *