«Мы хотели определить взаимосвязь между ключевыми генетическими изменениями и тем, как стволовые клетки рака головы и шеи используют эти изменения для инициирования и роста», — говорит исследователь Центра рака CU Антонио Химено, доктор медицины, доктор медицинских наук, профессор рака Дэниела и Джанет Мордехай. исследования стволовых клеток, директор Программы клинических исследований рака головы и шеи Медицинской школы Университета Колорадо и старший автор статьи. Текущий проект был выполнен в сотрудничестве с Центром регенеративной медицины Гейтса, преподавателем которого является д-р Химено. Джимено начал свою работу с раковыми стволовыми клетками в качестве постдока в Университете Джона Хопкинса, но, как он объясняет, «я сосредоточился на стволовых клетках рака головы и шеи, потому что заболеваемость раком головы и шеи увеличилась примерно на пятьдесят процентов по сравнению с прошлым годом. последние десять лет в США, и нам нужно лучше понять, что лежит в основе этой болезни ».Раньше основной проблемой при описании раковых стволовых клеток был сбор популяции клеток, достаточно большой для изучения.
«В клетках много« шума », и вам нужно много их, потому что всего несколько клеток невозможно сказать, какие из этих генетических различий являются значимыми характеристиками раковых стволовых клеток, а какие — просто генетическим шумом», — говорит первый автор Стивен Кейсар, доктор философии, доцент-исследователь лаборатории Химено.Чтобы решить эту проблему, группа сначала собрала образцы опухолей у большего числа пациентов с раком головы и шеи — всего 10 пациентов — больше, чем в любом предыдущем исследовании. Эти образцы представляли как опухоли, связанные с употреблением алкоголя и табака, так и опухоли, вызванные вирусом папилломы человека (ВПЧ).
«Важно всегда помнить, что мы смогли изменить ситуацию благодаря щедрости наших пациентов, которые позволили нам работать с репрезентативными моделями рака», — говорит Химено.Затем эти опухоли выращивали на мышах.
Впоследствии группа предприняла кропотливый процесс выделения достаточного количества клеток для генетических исследований и одну за другой трансплантацию этих образцов опухолей, полученных от пациентов, новым мышам, чтобы изучить, как раковые стволовые клетки инициируют рост опухоли.«Иногда требовался год, чтобы получить достаточно клеток для изучения», — говорит Кейсар.«Антонио — отличный пример настойчивости», — говорит Деннис Руп, доктор философии, директор Центра Гейтса, а также исследователь онкологического центра CU и человек, которому Химено приписывает «большую часть философии, лежащей в основе этой работы». «Антонио подавал все эти гранты, и рецензенты говорили:« У вас нет возможности сделать это; у вас нет возможности получить достаточно клеток для характеристики ». Он просто нашел способы доказать, что они неправы ".Это включало в себя привлечение частного финансирования исследований, в первую очередь из Центра регенеративной медицины Гейтса, Фонда Даниэля и Джанет Мордехай и Грантового фонда Питера и Рондды.
«Частное финансирование позволило Антонио подготовить фундамент и разработать методы, которые в конечном итоге сделали его предложения в NIH настолько убедительными, что он смог получить поддержку. В случае с теми из нас, кто стремится делать то, что мы делаем, вы просто обнаружите способ достичь этих целей.
Это отличный пример того, как промежуточное финансирование со стороны частного сектора может продвинуть вперед исследования », — говорит Руп.Вот что обнаружила группа:
Во-первых, стволовые клетки рака головы и шеи, по сути, отличаются от быстро делящихся клеток, которые составляют основную массу опухолей, и между раковыми стволовыми клетками при раке HPV- и HPV + мало различий. Оба отмечены экспрессией CD44 и альдегидной активностью, и оба используют ключевой путь PI3K для обеспечения своего выживания, роста и устойчивости к противораковой терапии.
Группа обнаружила, что путь PI3K, который является наиболее частым изменением при раке головы и шеи, затем задействует SOX2, фактор транскрипции, чтобы активировать программы, которые модулируют «стволовость» в ядре клетки. Например, было обнаружено, что SOX2 контролирует активность альдегида, который является обычным маркером раковых стволовых клеток и хорошо известным драйвером роста опухоли, опосредованного раковыми стволовыми клетками.«В нормальных клетках PI3K используется в качестве датчика энергии», — объясняет Джимено. «Чтобы раковая клетка действовала злокачественно, ей нужна метаболическая гибкость — она должна быть в состоянии чрезмерно использовать энергию — и поэтому этот« датчик энергии »- это путь, который она хочет перехватить. После химиотерапии PI3K помогает клетке закрыться вниз и выдержать бурю.
Затем, когда химиотерапия закончилась, PI3K помогает раковым стволовым клеткам возобновить свое развитие ».Химиотерапия убивает быстро делящиеся клетки. PI3K отключает метаболизм раковых стволовых клеток, переводя клетку в состояние покоя. Это дает раковым стволовым клеткам возможность избежать ловушки химиотерапии.
Так что же происходит, когда вы убираете эту способность? Когда группа удалила SOX2 из мышиных моделей рака головы и шеи, опухоли стали чувствительны к лечению, которое ранее не помогло. Но когда группа усилила SOX2, опухоли стали еще более устойчивыми.«Эта молекулярная нить от PI3K до SOX2 и альдегида отвечает за все особенности, которые определяют раковые стволовые клетки», — говорит Кейсар.
Кроме того, «поскольку клетки, экспрессирующие SOX2, полностью ведут себя как раковые стволовые клетки, теперь у нас есть новый лабораторный инструмент для изучения биологии и терапии раковых стволовых клеток».Работа также позволила группе стать свидетелями события цикла стволовых клеток, которое, в лучшем случае, было лишь частично охарактеризовано при раке головы и шеи.«Это было похоже на снежного барса в Гималаях», — говорит Джимено. «Мы знали, что он существует, благодаря следам, но никто не сфотографировал его — то есть до тех пор, пока кто-то терпеливо не сидел на замерзшем гребне в течение двух лет с камерой.
Мы сделали именно это».Событие, которое Джимено называет «асимметричным делением» раковых стволовых клеток. Когда нормальная клетка делится, она создает две идентичные копии самой себя.
Однако, если стволовые клетки делятся симметрично, это приведет к образованию двух стволовых клеток, но не дифференцированных клеток, или двух дифференцированных клеток с потерей исходной стволовой клетки. В любом случае симметрично делящиеся стволовые клетки не смогут способствовать росту опухоли, сохраняя при этом свою стволовость.Группа смогла документально подтвердить, что, когда раковые стволовые клетки делятся, «они не делятся на две одинаковые», — говорит Химено. «Одна клетка сохраняет профиль ствола, а другая делает шаг дальше дифференцировки».
В целом, это семилетнее направление исследований позволило сделать три важных достижения: охарактеризовать стволовые клетки рака головы и шеи; он задокументировал асимметричное деление стволовых клеток рака головы и шеи; и он выявил генетические механизмы, которые позволяют этим раковым стволовым клеткам расти и сопротивляться терапии. Важно отметить, что определение этих генетических механизмов устойчивости также может помочь исследователям и врачам преодолеть ее.«SOX2 и ингибиторы альдегида в настоящее время изучаются, и мы также провели испытания ранних ингибиторов PI3K здесь, в онкологическом центре CU», — говорит Химено.
«Это отличный пример командной науки», — говорит Руп. "У вас есть Антонио — блестящий молодой клиницист-ученый — возглавляющий группу, в которую входят ученые-фундаментальные ученые, патологи, биоинформатики и статистики, и их опыт может объединиться для решения проблемы таким образом, который не сможет сделать ни один человек. самостоятельно. Эта работа обеспечит основу для разработки новых терапевтических стратегий ».