Ранняя диагностика и индивидуальное лечение

 

Генетики уже давно заняты сравнением геномов здоровых и злокачественных клеток. Они обнаружили ряд генов, патологическое изменение которых резко повышает риск заболеть раком. Сегодня с помощью генетического анализа можно распознать, унаследовал ли человек соответствующий вариант гена от своих родителей и должен ли он достаточно рано начинать профилактические мероприятия. Но от наследственной предрасположенности зависит лишь малая часть раковых заболеваний. Большая часть опухолей возникает в результате злокачественных изменений, происходящих в клетках в течение жизни. И это не только генетические изменения. Представляется, что по большей части они, как уже упоминалось, эпигенетические.

«Эпигеном типичной раковой клетки выглядит иначе, чем эпигеном здоровой клетки», – говорит Алекс Майсснер. В рамках нового проекта по расшифровке эпигенома он хотел бы попытаться систематизировать эти различия. И не только чтобы доказать, что эпигенетические лекарственные средства имеют ряд потенциальных точек приложения в борьбе против рака. Он стремится найти дополнительные, пока абсолютно неизвестные цели воздействия для более качественного, щадящего и эффективного лечения рака в будущем.

Майсснер надеется, что второй код опухолевых клеток – когда он действительно будет расшифрован до последней детали – многое расскажет об их сущности и структуре. «Когда мы определим участки метилирования для конкретной разновидности рака, то наверняка обнаружим под ними несколько хороших биомаркеров для ранней диагностики и сможем лучше разделить опухоли на подгруппы», – надеется ученый.

Возможно, благодаря изучению второго кода в недалеком будущем некоторые виды рака лаборанты смогут диагностировать на самой ранней стадии с помощью сравнительно простого анализа крови. А поскольку при этом – во всяком случае, теоретически – будут выявляться многие другие эпигенетические данные о том, насколько агрессивна опухоль, на какие медикаменты она реагирует и по отношению к каким резистентна, то в идеале ее можно будет уничтожить очень прицельно и с минимальными побочными эффектами. Или с чистой совестью оставить в покое, ибо, только получив надежный метод оценки того, как зародившаяся опухоль будет развиваться, агрессивна ли она или сравнительно безобидна, мы значительно выиграем по сравнению с сегодняшней ситуацией.

Таким образом, эпигенетика перевернет не только онкологию. В будущем она повысит результативность лечения, помогая индивидуализировать терапию в зависимости от особенностей пациента и его раковой опухоли. Она обеспечит раннюю диагностику совершенно новыми инструментами, которые смогут сделать распознавание опухолей более специфическим. Ввиду стремительного развития эпигенетики в последние годы такой сценарий представляется вполне реалистичным.

Однако эйфория была бы преждевременной: пока что не существует препаратов, которые целенаправленно боролись бы с отдельными типами рака. Более того, для многих карцином врачи не знают вообще никаких действенных средств. В таких случаях ранний диагноз часто не помогает, а лишь продлевает страдания пациентов, считает Кристиан Ваймайр, специалист по ранней диагностике рака и автор нескольких книг на эту тему. Ранняя диагностика объявляет некоторых людей онкологическими больными в тот момент, когда они еще чувствуют себя совершенно здоровыми. И при отсутствии обнадеживающего варианта лечения сокращается время беззаботной, здоровой жизни.

Эпигенетики могли бы помочь разрешить эту проблему, ибо они вносят принципиально новый вклад в понимание рака и укрепляют одновременно все три столпа онкологии: диагностику, терапию и индивидуализацию лечения.

 

Например, в Институте информатики Общества Макса Планка (Саарбрюккен) молодой исследователь Кристоф Бок разрабатывает новые алгоритмы для анализа моделей метилирования клеток. Помимо прочего они выдают также информацию о том, поддается ли раковая клетка лечению определенным веществом или нет. Если верить специалисту по биоинформатике, объем данных столь огромен, «что тут математика вносит серьезный вклад в медицину».

Насколько удачным может быть такой вклад, показывает конкретный пример одного проекта 2006 года: тогда Бок разработал по заказу боннского иммунолога Андреаса Ваа специальный тест для пациентов со злокачественной глиобластомой – часто встречающейся агрессивной опухолью головного мозга. Этот метод позволяет еще до начала лечения определить, насколько велики шансы на успех. Ведь стандартная химиотерапия помогает только приблизительно в четверти случаев. В оставшихся трех четвертях тяжелое лечение не приносит результата.

Кристоф Бок ввел в свои компьютеры данные о моделях метилирования глиобластомных клеток. При этом он действительно выявил критерии, позволяющие делать прогноз о том, какая клетка отреагирует на терапию, а какая нет. Оказалось, у тех пациентов, чьи опухоли поддаются химиотерапии, в результате метилирования ДНК отключен определенный ген, видимо помогающий резистентным раковым клеткам устранить ущерб, который нанесла терапия. Таким образом, уже сегодня сравнительно простой, но очень надежный диагностический тест эпигенома одной злокачественной клетки способствует индивидуализации противоракового лечения.

В настоящее время Бок работает над совершенствованием ранней диагностики рака. В рамках общеевропейского проекта «КансерДип» он совместно с несколькими коллегами из разных стран Европы ищет предательские модификации второго кода в клетках, пораженных лейкемией и раком кишечника. Цель – создание теста, который на основании типичных моделей метильных групп на ДНК в клеточных фрагментах распознает, какой именно лабораторный препарат – кровь или ткань – содержит следы пока не обнаруженной опухоли.

Подобные тесты должны обладать высокой степенью надежности еще и потому, что метильные группы, как подчеркивает Алекс Майсснер, «ужасно крепко привязаны к ДНК». Поэтому они создают «эпигенетический отпечаток», который даже спустя долгое время практически не изменяется под влиянием внешних факторов.

Намного дальше в этой области продвинулась берлинская фирма «Эпигеномика». Она была основана в 1998 году Александром Олеком, докторантом саарбрюккенского генетика Йорна Вальтера, и с самого начала занималась созданием эпигенетических тестов для ранней диагностики рака. По данным предприятия, которое в 2002 году получило премию для молодых предпринимателей и предприятий Германии «Дойчер грюндерпрайс» в номинации «Провидец», а с 2004 года котируется на бирже, первый эпигенетический тест ранней диагностики рака выйдет на рынок в 2009 году [13]. Он называется «Септин‑9» и диагностирует раннюю стадию рака толстой и прямой кишки на основании модели метилирования гена септин‑9 в клетках крови – считается, что с высокой точностью.

Одновременно «Эпигеномика» разрабатывает тест для ранней диагностики рака легких и метод ранней оценки агрессивности опухолей простаты. Время покажет, насколько успешными будут эти начинания. Но если они на практике подтвердят тот потенциал, которым теоретически обладают «эпигенетические отпечатки» раковых клеток, вероятно, поучаствовать в разработках фирмы захотят и крупные фармацевтические компании.

 

На них вся надежда

 

Универсальные, всемогущие, вселяющие надежду – такие определения всплывают постоянно, когда речь заходит о стволовых клетках. Средства массовой информации и ученые не устают снова и снова, словно молитвенное правило, повторять длинный список болезней, которые ученые собираются когда‑нибудь вылечить с помощью невидимых, микроскопических клеток: диабет, болезнь Паркинсона, сердечная недостаточность, боковой амиотрофический склероз (БАС), бесплодие, параплегия и так далее.

Одновременно с этим спектаклем и почти с такой же шумихой проходит дискуссия о том, этично ли использовать так называемые эмбриональные стволовые клетки для исследовательских целей, жертвуя при этом потенциальной жизнью. И почти не замеченными остаются гигантские, но не столь сенсационные успехи в изучении стволовых клеток. Биологи узнают все больше нового и неожиданного о том, как могут изменяться и развиваться эти клетки. При этом ученым становится ясно, что каждый организм обладает куда большим естественным потенциалом регенерации, излечения и преобразования, чем предполагалось ранее.

Специалист по стволовым клеткам Герд Кемперманн из Дрезденского технического университета именно к этому привлекает наше внимание в своей интереснейшей книге «Человеку нужны новые клетки». Стволовые клетки, пишет он, стали настоящим символом современного развития биомедицины. Ученые поражаются тому, насколько изменчивы уже взрослые живые существа, в какой степени они еще поддаются формированию: «В биологии мы привыкли исходить из данности, из того, „что есть“, и, выясняя связи, двигаться по этой цепочке к первопричине», – добавляет он. А биология стволовых клеток перевернула перспективу. Сегодня, рассматривая клетки, ученый и его коллеги обдумывают, что они могут из них сделать. Стволовые клетки – «проявление возможности». Они «определяются через то возможное, что в них заключено».

Стволовыми эти клетки называются потому, что от них, как ветки от стволов, происходят другие клетки, очень просто объясняет Кемперманн. С точки зрения эпигенетиков, это означает, что на геноме стволовых клеток, которые определяют свое развитие, а следовательно, и сущность, например, в качестве составных частей нервной ткани или слизистой оболочки кишечника, некоторые переключатели установлены не окончательно. Клетки еще ждут сигналов, которые дадут им команду надежно и в большинстве случаев необратимо включить или выключить конкретные гены. Как только это произойдет, клетка станет немного более зрелой, менее гибкой и приблизится к окончательной дифференциации.

Стволовые клетки с наибольшим потенциалом – действительно эмбриональные, так как они находятся в самом начале своего развития, то есть на самой высокой точке эпигенетического ландшафта, каким изобразил его Уоддингтон. Так называемые взрослые стволовые клетки, или клетки‑предшественники, напротив, находятся в разных органах организма, например в коже, в кроветворном костном или в головном мозге. Из них в большинстве случаев могут развиться уже только те типы клеток, которые нужны организму для регенерации конкретного органа.

Многие судьбоносные биохимические решения на долгом пути от первой эмбриональной стадии – бластоцисты – до одной из приблизительно 200 возможных полностью дифференцированных соматических клеток прослеживаются до того, как произойдут модификации гистонового кода, метилирование ДНК или РНК‑интерференции. Часто эпигенетические переключатели даже дополняют друг друга и обеспечивают двойную гарантию, что конкретный ген никогда не будет активирован, а клетка уже не сможет изменить своему назначению.

Неудивительно, что эпигенетики заинтересованы в развитии исследований стволовых клеток, но надеются извлечь из этой дисциплины пользу для себя. «Мы стремимся лучше понимать клетки, – говорит Александр Майсснер, работающий в обеих областях. – Речь идет о том, чтобы придумать, как лучше распознавать потенциал развития клеток». Он надеется, что уже через несколько лет на основании характерных мест эпигенома клетки можно будет определить, «способна ли она еще свернуть влево или вправо либо уже приняла окончательное решение».

Когда это произойдет, молекулярные биологи наверняка гораздо точнее, чем сегодня, будут знать, какие переключатели они еще могут задействовать, чтобы изменить тип клетки или подтолкнуть ее развитие в определенном направлении. Лишь тогда мечты исследователей стволовых клеток можно будет считать осуществимыми.

 

Основополагающая идея лечения стволовыми клетками – независимо от области применения – всегда одна: подобно источнику вечной молодости, они должны в любом месте обеспечить замену погибших больных клеток здоровыми. Например, для диабетиков ученые собираются вырастить из стволовых новые клетки, регулирующие уровень сахара в крови и высвобождающие инсулин. Их потом будут пересаживать в больную поджелудочную железу. Для людей с болезнью Паркинсона они собираются вырастить достаточное количество нервных клеток, синтезирующих нейромедиатор дофамин, дабы заменить ими отмирающие клетки того же типа. А чтобы восстановилась ослабленная сердечная мышца человека, перенесшего инфаркт, они хотят укрепить ее молодыми клетками.

В качестве концепции это звучит убедительно, но на практике все оказалось гораздо сложнее, чем полагали многие, когда исследование стволовых клеток только начиналось. Чтобы иммунная система не отторгала замещающую ткань, клетки, из которых ее вырастили, должны быть генетически идентичны реципиенту. До недавнего времени это удавалось только в экспериментах на животных с эмбриональными стволовыми клетками, взятыми у клонов в возрасте нескольких дней. Но этот метод весьма сомнителен с этической точки зрения, поскольку теоретически такие клоны считаются жизнеспособными. К тому же из‑за многочисленных технических трудностей метод применим только в эксперименте.

В 2007 году сразу две группы генетиков привлекли к себе внимание, так как им удалось искусственно перевести эпигеном соматических клеток человека в самую раннюю стадию стволовых клеток. Это событие стало настоящей научной сенсацией, так как продемонстрировало, что у терапевтического клонирования есть альтернатива. Исследователи перепрограммировали клетки, внедрив в них методом трансдукции четыре определенных гена. Известно, что эти гены активны также в яйцеклетке, которая сразу после оплодотворения эпигенетически перенастраивается на «начало жизни».

Полученные таким способом клетки называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (iPS‑клетки). Плюрипотентность означает теоретическую способность стволовых клеток развиваться в любую соматическую клетку. А индуцированные они потому, что эмбрионоподобное состояние вызвано искусственным путем. Идентичность их эпигенома с эпигеномом настоящей эмбриональной стволовой клетки и их одинаковый потенциал были доказаны Мариусом Вернигом, Алексом Майсснером и другими сотрудниками бостонской группы исследователей под руководством Рудольфа Йениша. Они сравнили метилирование ДНК, гистоновый код и модели активации генов iPS‑клеток мыши с эпигенетическими переключателями в настоящих эмбриональных стволовых клетках – и не нашли никаких различий. Кроме того, эти клетки без всяких проблем включались в настоящие эмбрионы мыши и развивались затем в любой возможный тип ткани.

Не клонирование, а «перепрограммирование клеток – единственный реальный на сегодняшний день вариант», как сказал мне Рудольф Йениш в 2008 году, когда мы встретились на Международном конгрессе генетиков в Берлине. Там же он представлял новые захватывающие эксперименты своей лаборатории, в рамках которых плюрипотентные клетки мыши использовались уже для лечения больных животных. Его вывод: «Теперь мы знаем, что лечение стволовыми клетками принципиально возможно».

Во время эксперимента, который проводила группа под руководством Мариуса Вернига, ученые добились, чтобы iPS‑клетки начали дифференцироваться как клетки головного мозга. Затем исследователи пересадили эти клетки в мозг мышат. Там ткани действительно превратились в клетки различных типов и функционально встроились в орган. Некоторые образцы исследователи оставили в пробирке и вырастили до тех вырабатывающих дофамин клеток, которые в большом количестве отмирают у страдающих болезнью Паркинсона. Полученные клетки они пересадили в мозг пяти крысам с этой болезнью. Состояние четырех животных заметно улучшилось в течение нескольких недель.

В другом случае исследователи из группы под руководством Якоба Ханны проводили эксперимент на мышах с серповидно‑клеточной анемией. Это заболевание состоит в том, что один дефектный ген вызывает повреждение красных кровяных телец. Сначала ученые взяли несколько клеток из мышиных хвостов и перепрограммировали их в iPS‑клетки. В них они заменили дефектный ген на нормальный и дифференцировали эти клетки в клетки – предшественники крови. Получившийся материал снова пересадили животным в костный мозг, который до этого был максимально разрушен облучением, чтобы клетки там размножились и синтезировали здоровые кровяные тельца. Это не привело к молниеносному выздоровлению мышей, поскольку у них по‑прежнему оставалось несколько стволовых клеток крови с дефектным геном, но их состояние заметно улучшилось. «Теоретически мы могли бы лечить этим методом все возможные виды заболеваний костного мозга», – считает Рудольф Йениш.

Весной 2009 года наметилась возможность опробовать этот метод на людях. Одновременно несколько исследовательских групп в течение нескольких недель представили различные методы, позволяющие решить самую большую на тот момент проблему iPS‑клеток. Ибо те четыре гена, которые специалистам по стволовым клеткам приходится внедрять для перепрограммирования клетки, часто вызывают рак. Поэтому во всем мире исследователи лихорадочно искали новые способы возвращать клетки в плюрипотентное состояние без этих четырех генов.

Сначала исследователи стволовых клеток Чонпон Ким и Ханс Шёлер из Института молекулярной биомедицины Общества Макса Планка (Мюнстер) объявили в своей публикации, что могут вернуть взрослые стволовые клетки в эмбриональную фазу с помощью всего одного гена. Затем последовала публикация Франка Зольднера и Рудольфа Йениша, сообщающая о методе, который позволяет получать iPS‑клетки почти без всяких посторонних генов. Бостонские исследователи по‑прежнему использовали вирус, но после перепрограммирования почти полностью удалили его гены. Примерно в это же время аналогичным путем пошли Кнут Волтьен и его коллеги из Торонто – и получили сопоставимые результаты.

Некоторое время спустя еще один метод опубликовал Цзюньин Юй из группы Джеймса Томсона – того американского ученого, который когда‑то самым первым вырастил эмбриональные стволовые клетки человека. Ученые вводили в клетку гены вируса в такой жизненной форме, которая не встраивается в человеческую ДНК и поэтому иногда сама исчезает при последующих клеточных делениях. Нужно только потом изолировать эти клетки.

Еще за полгода до того, как были обнародованы эти потрясающие достижения, Рудольф Йениш считал: «Проблема перепрограммирования в принципе решена». Предполагалось, что в ближайшее время процесс будет освоен настолько хорошо, что соответствующие клетки тела можно будет превращать в стволовые и без помощи генной инженерии, а лишь посредством введения извне комплекса различных веществ, которые вызовут необходимые эпигенетические переключения. Затем нужно будет только определить, каким образом, в каком направлении и до какой степени оптимально дифференцировать стволовые клетки перед пересадкой в тело пациента, чтобы шансы на выздоровление были максимальными, а риск развития рака – минимальным.

Над этим, конечно, трудятся эпигенетики: они выясняют, какие переключатели использует клетка в процессе своего развития. Таким образом исследователи помогут специалистам по стволовым клеткам, и те найдут правильные точки приложения для целенаправленных манипуляций с клетками, поскольку на сегодняшний день не так уж просто дифференцировать стволовую клетку в желаемую форму, например в частичку нервной ткани или мышцы миокарда.

Вполне вероятно, что лечение стволовыми клетками благодаря эпигенетике когда‑то станет вовсе не нужным. Если ученые освоят переключение эпигенетической программы одной дифференцированной клетки непосредственно на программу другой, они смогут превращать, например, клетку кожи в частичку нервной ткани, а клетку яичек – в синтезирующую инсулин клетку поджелудочной железы и так далее.

С клетками мыши это уже в определенной степени удалось. Пока это получится с человеком и со всеми типами его тканей, пройдет немало времени. Но тем самым будет окончательно проложен путь в обход стволовых клеток.