В новом исследовании исследователи из Института биодизайна АГУ возглавили международную команду, чтобы изучить, как эволюционные процессы направляют пути развития клеток. Их результаты, опубликованные в расширенном онлайн-издании журнала Nature Communications, указывают на влияния, которые заставляют одни клетки оставаться стабильными с течением времени, а другие заставляют становиться злокачественными и неограниченно расширяться.
Новое исследование фокусируется на состоянии, известном как пищевод Барретта (BE). Заболевание, от которого страдают более трех миллионов американцев, заставляет клетки, выстилающие горло, менять форму с их нормальной формы (известной как плоский эпителий) на патологический тип клеток (известный как столбчатый эпителий).
Небольшое количество пациентов с БЭ – просто .2 процента в год – будет развиваться смертельный, устойчивый к лечению рак, известный как аденокарцинома пищевода (EAC).
Несмотря на успехи в терапии, перспективы для пациентов с EAC остаются безрадостными – менее 15 процентов выживают после 5 лет. (Хотя заболеваемость EAC в США оставалась низкой, в последние годы она тревожно выросла.)
Понимание того, почему большинство пациентов с БЭ избегают этой участи, а некоторые – нет, было проблемой для медицинского сообщества.
Эволюционные онкологи, такие как Карло Мейли, исследователь из Центра биодизайна персонализированной диагностики и старший автор нового исследования, считают, что лучшее понимание эволюционной динамики этого процесса может иметь ключевое значение. В исследовании изучается эта динамика на протяжении не менее 6 лет наблюдения. Из 8 обследованных пациентов с ПБ 4 остаются стабильными, а у 4 прогрессирует рак.
«Взяв множество мельчайших образцов с поверхности пищевода и на протяжении многих лет, пока эти пациенты находились под наблюдением с целью выявления рака, мы получили беспрецедентное представление о динамике канцерогенеза», – говорит Мэйли.
Чувствуя угрозу
BE представляет собой головоломку для врачей. Это состояние является фактором риска развития смертельного, трудноизлечимого рака, но только небольшая часть пациентов с БЭ разовьется до рака.
Поскольку в настоящее время не существует надежных средств, позволяющих отличить прогрессирующих от не прогрессирующих, единственные доступные меры предосторожности включают повторное наблюдение за клетками пищевода BE с помощью эндоскопии и биопсии, чтобы попытаться выявить связанные с EAC аномалии на ранней стадии, или методы, позволяющие сжечь клетки пищевода. слизистая оболочка пищевода.
Такой инвазивный, дорогостоящий и часто ненужный скрининг и вмешательства приводят к чрезмерной диагностике и чрезмерному лечению, в то время как наблюдение за клетками пищевода в масштабах всей популяции нецелесообразно. Ясно, что необходим более надежный подход – такой, который поможет выявить тех пациентов, которые с наибольшей вероятностью перейдут в EAC.
Как отмечают авторы, более точные прогнозы будут частично зависеть от тестирования образцов БЭ в несколько моментов времени и исследования клеток, извлеченных из разных мест в ткани пищевода. Одним из положительных последствий агрессивного эпиднадзора за клетками БЭ является то, что он предоставил исследователям обширную библиотеку данных, которые можно собрать с помощью новых методов, чтобы выявить критические факторы, определяющие прогрессирование по сравнению с отсутствием прогрессирования до рака.
Причины болезни
Пищевод Барретта может развиваться со временем, когда пищеварительная кислота возвращается из желудка в пищевод, вызывая повреждение и рост предраковых клеток. Чтобы точно оценить эволюционную динамику, вовлеченную в прогрессирование рака, исследователям нужен более детальный анализ BE-клеток, чтобы выявить детали, которые могут быть не обнаружены в цельных биоптатах, содержащих миллионы клеток.
При БЭ столбчатая структура эпителия похожа на структуру кишечника. Здесь появляются похожие на структуры ткани, известные как крипты. В основе этих крипт лежат стволовые клетки, которые пополняют эпителий по мере того, как более старые клетки мигрируют вверх по сторонам крипт, а затем отмирают.
Исследование представляет собой первый полногеномный анализ эволюционной динамики БЭ на уровне отдельных крипт. (Хотя крипты могут содержать более одной стволовой клетки, эти клетки имеют тенденцию быть генетически однородными. По этой причине выборка крипт очень похожа на выборку отдельных ячеек BE.)
Исследователи хотели бы знать, почему большинство случаев БЭ кажутся эволюционно статичными с течением времени. Либо генетические изменения встречаются редко, либо, если они распространены, клетки, несущие эти изменения, не увеличиваются до уровней, обнаруживаемых при обычной биопсии. В новом исследовании изучаются геномы одиночных крипт в БЭ, чтобы более пристально взглянуть на то, когда и где возникают генетические варианты и как протекает эволюционный процесс.
Зловещий прогресс
Переход от BE к EAC – это процесс, характеризующийся растущей геномной нестабильностью. Со временем пациенты с БЭ могут накапливать мутации в поражениях пищевода, изменяя генетический состав этих клеток.
Такая генетическая изменчивость считается ценным предиктором развития рака, хотя очень сложная динамика этого процесса все еще разрабатывается.
Исследование было сосредоточено на потерях и приросте больших участков хромосом в клетках BE. Аберрации в хромосомах высоки у тех, у кого развивается EAC, даже за 4 года до прогрессирования, и остаются низкими у тех, кто не прогрессирует, что указывает на ценность хромосомного разнообразия как диагностического индикатора.
В исследовании также изучалось явление, известное как удвоение генома. Это происходит из-за неправильного деления клеток, в результате которого образуется клетка с вдвое большим количеством хромосом.
Те, кто склонен перейти к EAC, также с большей вероятностью испытают удвоение генома, что предвещает возрастающая скорость накопления хромосомных аберраций.
В исследовании изучаются генетические вариации крипт BE, сравнивая их с вариациями, обнаруженными при исследовании биопсий. Множественные биопсии и образцы крипт были исследованы у 8 пациентов с ПБ в двух разных временных точках. Четыре из этих пациентов перешли в EAC, а у 4 нет.
Результаты, сравнивающие данные биопсии и отдельных крипт, показывают, что генетические изменения действительно редки, даже на уровне крипт, и что повреждения Барретта, как правило, возникают из-за того, что одна предковая клетка пошла наперекосяк. Кроме того, в исследовании отбираются клетки из разных областей пищевода и выясняется, что генетические изменения чаще встречались в образцах, взятых у основания пищевода, известного как желудочно-пищеводное соединение.
Новые находки
В исследовании рассматриваются пять ранее оставшихся без ответа вопросов, касающихся БЭ. Как подчеркивают авторы, результаты предлагают новое понимание общего процесса прогрессирования клеток до рака, что может быть применимо ко многим, если не ко всем формам заболевания.
Результаты показывают, что
а) ткань БЭ в большинстве случаев возникает из одной измененной предковой клетки б) распространение раковых клонов (идентичных клеток общего происхождения) встречается редко
в) клетки, отобранные вблизи желудочно-пищеводного соединения, накапливают больше геномных изменений, чем те, которые обнаруживаются в других областях пищевода, что делает их лучшими мишенями для диагностики
г) наблюдаются резкие изменения частоты мутаций во время прогрессирования, и они могут происходить на ранних этапах процесса прогрессирования рака и
д) генетическое разнообразие, измеренное с помощью биопсии у пациентов Барретта, сравнимо с наблюдаемым в отдельных криптах, что указывает на то, что анализ биопсии адекватен для оценки эволюционных характеристик клеток BE и их вероятности прогрессирования.
Продолжение работы в этой области обещает распутать сложную сеть эволюционных факторов, действующих, когда клетки отклоняются от своего нормального курса на роковой путь рака.