UNIVERSITY PARK, Pa. — Leczenie raka może czasami przypominać grę w Whac-A-Mole. Choroba może stać się oporna na leczenie, a lekarze nigdy nie wiedzą, kiedy, gdzie i jaki opór może się pojawić, co ich o krok opóźni. Jednak zespół kierowany przez naukowców z Penn State znalazł sposób na przeprogramowanie ewolucji choroby i zaprojektowanie guzów, które są łatwiejsze w leczeniu.

Stworzyli modułowy obwód genetyczny, który zamienia komórki rakowe w „konia trojańskiego”, powodując ich samozniszczenie i zabicie pobliskich komórek rakowych opornych na leki. Przetestowany na liniach komórek ludzkich i na myszach jako dowód koncepcji, obwód przechytrzył szeroki zakres oporności.

Wyniki opublikowano dziś (4 lipca) w czasopiśmie Biotechnologia natury. Naukowcy złożyli również wniosek tymczasowy o patentowanie technologii opisanej w artykule.

„Ten pomysł zrodził się z frustracji. Nieźle nam idzie opracowywanie nowych terapii w leczeniu raka, ale jak możemy myśleć o potencjalnych lekach na nowotwory w zaawansowanym stadium?” – powiedział Justin Pritchard, Dorothy Foehr Huck i J. Lloyd Huck, profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej i starszy autor artykułu. „Napędy genów selekcyjnych to potężny nowy paradygmat terapii przeciwnowotworowej kierowanej ewolucją. Podoba mi się pomysł, że możemy wykorzystać nieuchronność ewolucji guza przeciwko niemu”.

Nowsze spersonalizowane leki na raka często zawodzą, nie dlatego, że terapie nie są dobre, ale z powodu wrodzonej różnorodności i heterogeniczności raka, powiedział Pritchard. Nawet jeśli terapia pierwszego rzutu jest skuteczna, ostatecznie rozwija się oporność, a lek przestaje działać, co pozwala na powrót raka. Następnie lekarze wracają do punktu wyjścia, powtarzając proces z nowym lekiem, aż do ponownego pojawienia się oporności. Cykl nasila się z każdym nowym leczeniem, aż nie ma już innych dostępnych opcji.

„Grasz w grę Whac-A-Mole. Nie wiesz, który pieprzyk pojawi się następny, więc nie wiesz, jaki lek będzie najlepszy do leczenia guza. Zawsze jesteśmy w defensywie, nieprzygotowani” – powiedział Scott Leighow, stypendysta podoktorancki w dziedzinie inżynierii biomedycznej i główny autor badania.

Naukowcy zastanawiali się, czy zamiast tego mogliby zrobić krok naprzód. Czy mogliby potencjalnie wyeliminować mechanizmy oporności, zanim komórki rakowe miałyby szansę ewoluować i niespodziewanie się pojawić? Czy mogliby zmusić konkretnego „pieprzyka” do pojawienia się na planszy, takiego, którego preferują i są gotowi zwalczać?

To, co zaczęło się jako eksperyment myślowy, okazuje się działać. Zespół stworzył modułowy obwód lub podwójny przełącznik selekcji genowej, aby wprowadzić go do niedrobnokomórkowych komórek raka płuc z mutacją genu EGFR. Ta mutacja jest biomarkerem, na który mogą być ukierunkowane istniejące leki na rynku.

Obwód ma dwa geny, czyli przełączniki. Przełącznik pierwszy działa jak gen selekcyjny, pozwalając badaczom włączać i wyłączać lekooporność, jak włącznik światła. Po włączeniu przełącznika pierwszego genetycznie zmodyfikowane komórki stają się tymczasowo oporne na konkretny lek, w tym przypadku na lek na raka płuc niedrobnokomórkowego. Kiedy guz jest leczony lekiem, natywne komórki rakowe wrażliwe na lek są zabijane, pozostawiając komórki zmodyfikowane do oporności i niewielką populację natywnych komórek rakowych, które są lekooporne. Zmodyfikowane komórki ostatecznie rosną i wypierają natywne komórki oporne, uniemożliwiając im amplifikację i ewolucję nowej oporności.

Powstały guz zawiera głównie genetycznie zmodyfikowane komórki. Gdy przełącznik pierwszy jest wyłączony, komórki stają się ponownie wrażliwe na leki. Przełącznik drugi jest ładunkiem terapeutycznym. Zawiera gen samobójczy, który umożliwia zmodyfikowanym komórkom produkcję dyfuzyjnej toksyny, która jest w stanie zabić zarówno zmodyfikowane, jak i sąsiadujące niezmodyfikowane komórki.

„Nie tylko zabija zmodyfikowane komórki, ale także otaczające je komórki, a mianowicie rodzimą populację oporną” – powiedział Pritchard. „To jest krytyczne. To jest populacja, której chcesz się pozbyć, aby guz nie odrósł”.

Zespół najpierw symulował populacje komórek nowotworowych i użył modeli matematycznych, aby przetestować koncepcję. Następnie sklonowali każdy przełącznik, pakując je osobno do wektorów wirusowych i testując ich funkcjonalność indywidualnie w liniach komórek nowotworowych u ludzi. Następnie połączyli oba przełączniki w jeden obwód i przetestowali go ponownie. Gdy obwód okazał się działać in vitro, zespół powtórzył eksperymenty na myszach.

Zespół nie chciał jednak tylko wiedzieć, czy obwód działa; chciał wiedzieć, czy może działać pod każdym względem. Przeprowadzili testy obciążeniowe systemu, używając złożonych bibliotek genetycznych wariantów oporności, aby sprawdzić, czy napęd genowy może działać wystarczająco solidnie, aby przeciwdziałać wszystkim genetycznym sposobom, w jakie oporność może wystąpić w populacjach komórek nowotworowych.

I zadziałało: zaledwie garstka zmodyfikowanych komórek może przejąć populację komórek rakowych i wyeliminować wysoki poziom heterogeniczności genetycznej. Pritchard powiedział, że jest to jedna z największych zalet artykułu, zarówno koncepcyjnie, jak i eksperymentalnie.

„Piękno tego wszystkiego polega na tym, że możemy atakować komórki nowotworowe, nie wiedząc, czym one są, nie czekając, aż urosną lub rozwinie się oporność, ponieważ w tym momencie jest już za późno” – powiedziała Leighow.

Naukowcy pracują obecnie nad sposobem przetłumaczenia tego obwodu genetycznego, aby można go było bezpiecznie i selektywnie dostarczać do rozwijających się guzów, a ostatecznie do choroby przerzutowej.

Inni autorzy z Penn State, którzy zajmowali się tą pracą, to Marco Archetti, profesor nadzwyczajny biologii; Shun Yao, stypendysta podoktorancki z biologii; Ivan Sokirniy, student studiów podyplomowych w Huck Institutes of the Life Sciences; oraz Joshua Reynolds i Zeyu Yang, członkowie Department of Biomedical Engineering. Współautor Haider Inam był doktorantem z inżynierii biomedycznej w czasie badań i obecnie jest naukowcem badawczym w Broad Institute of MIT i Harvard. Dominik Wodarz, profesor na University of California w San Diego, również przyczynił się do powstania artykułu.

Prace te były wspierane przez fundusz HITS Instytutu Nauk o Życiu Hucka, Narodowy Instytut Raka oraz nagrodę National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering Trailblazer.