Παρακολούθηση της Εξέλιξης του Καρκίνου, Κύτταρο με Κύτταρο

Τον Αύγουστο, όταν μια ομάδα γιατρών που έγραφαν στην Εφημερίδα της Αμερικανικής Ιατρικής Ένωσης πρότεινε ότι ορισμένες προκαρκινικές καταστάσεις δεν πρέπει πλέον να χαρακτηρίζονται ως καρκίνος, η σύσταση υποστηρίχθηκε από μελέτες που δείχνουν ότι η πρόοδος στην ανίχνευση αυτών των καταστάσεων δεν έχει μειώσει συχνότητα διεισδυτικών καρκίνων. Πράγματι, προκαρκινικές καταστάσεις όπως το καρκίνωμα του πόρου in situ - ανώμαλα κύτταρα σε μέρος του μαστού που δεν έχουν εξαπλωθεί - μπορεί να εξελιχθούν σε καρκίνο, αλλά συχνά όχι, εγείροντας ερωτήματα σχετικά με το πόσο επιθετικά πρέπει να αντιμετωπιστούν. Το μεγαλύτερο ζήτημα είναι ότι οι γιατροί δεν έχουν ακόμη έναν αξιόπιστο τρόπο να διακρίνουν τις προκαρκινικές περιπτώσεις που θα παραμείνουν αβλαβείς από αυτές που θα γίνουν επεμβατικές.

Αυτή η πρόκληση, και πολλές άλλες που εμποδίζουν τόσο τους γιατρούς που θεραπεύουν τον καρκίνο όσο και τους επιστήμονες που προσπαθούν να τον κατανοήσουν, μπορούν να εντοπιστούν στην εγγενή ετερογένεια του καρκίνου. Τα καρκινικά κύτταρα διαθέτουν ασταθή γονιδιώματα - που σημαίνει ότι τα χρωμοσώματά τους μπορούν να κερδίσουν και να χάσουν κομμάτια με ανησυχητική ταχύτητα - και αναπτύσσονται γρήγορα, δημιουργώντας έναν γενετικά διαφορετικό πληθυσμό. Ως αποτέλεσμα, διαφορετικά κύτταρα στον ίδιο όγκο μπορεί να φαίνονται αρκετά διαφορετικά, με διαφορετικό αριθμό χρωμοσωμάτων και μοναδικές μεταλλάξεις, για παράδειγμα. Μόνο ένα υποσύνολο κυττάρων εντός του όγκου μπορεί να φέρει μεταλλάξεις που τους επιτρέπουν να αναπτυχθούν ανεξέλεγκτα, να εξαπλωθούν σε ένα νέο περιβάλλον ή να αποφύγουν ένα συγκεκριμένο φάρμακο. Επειδή όμως οι περισσότερες έρευνες για τον καρκίνο υπολογίζουν κατά μέσο όρο τις διαφορές από πολλά κύτταρα, αυτές οι σπάνιες μεταλλάξεις, οι οποίες βρίσκονται στην καρδιά της θανάτωσης του καρκίνου, μπορεί να χαθούν στην ισορροπία.

Αυτό μπορεί να αλλάξει σύντομα. Η νέα τεχνολογία επιτρέπει στους ερευνητές να παρακολουθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια τη γενετική μεμονωμένων καρκινικών κυττάρων. Ενώ προηγούμενες μελέτες μπορούσαν να εξετάσουν μόνο πρόχειρα μέτρα, όπως ο αριθμός των χρωμοσωμάτων σε ένα κύτταρο, οι επιστήμονες μπορούν τώρα να καταγράψουν τον αριθμό των αντιγράφων πολλαπλών γονιδίων σε κάθε κύτταρο και σε ορισμένες περιπτώσεις να διαβάσουν ολόκληρο το γονιδίωμα, το οποίο δίνει μια πιο ακριβή εικόνα του τη γενετική ποικιλομορφία μεταξύ των μεμονωμένων κυττάρων. Πρόσφατες μελέτες που χρησιμοποιούν αυτές τις τεχνικές για τη σύγκριση κυττάρων από διαφορετικά μέρη του ίδιου όγκου και με την πάροδο του χρόνου έχουν αποκαλύψει την εξαιρετική ποικιλομορφία τους, παρέχοντας ένα οικείο πορτρέτο των μεταλλάξεων που δίνουν στη νόσο τη δύναμή της. Η γνώση περισσότερων για το ποσοστό των μεταλλάξεων και τους οδηγούς της γονιδιωματικής αστάθειας μπορεί να βοηθήσει στην απάντηση θεμελιωδών ερωτήσεων σχετικά με την προέλευση του καρκίνου, κάτι που θα μπορούσε με τη σειρά του να βελτιώσει τις επιλογές θεραπείας.

Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε πέρυσι και αναλύει 100 ή περισσότερα μεμονωμένα καρκινικά κύτταρα από καθεμία από 13 γυναίκες που είχαν προδιηθητικό καρκίνωμα πόρων και διηθητικό καρκίνο του μαστού, διαπίστωσε ότι τα βασικά καρκινικά γονίδια διέφεραν σε αριθμό από κύτταρο σε κύτταρο. Ακόμη και τα προ-επεμβατικά κύτταρα ήταν πολύ γενετικά ασταθή. Αυτό υποστηρίζει την ιδέα ότι αυτή η προ-επεμβατική κατάσταση θα πρέπει επίσης να αντιμετωπιστεί, επειδή τα κύτταρα είναι ήδη γενετικά διαφορετικά και μπορεί επομένως να έχουν την ικανότητα να εξαπλωθούν. (Ωστόσο, οι επιστήμονες πρέπει να επιβεβαιώσουν ότι το προδιηθητικό καρκίνωμα του πόρου σε γυναίκες που δεν έχουν διηθητικό καρκίνο είναι εξίσου γενετικά ασταθές.)

Μελέτες στη βιολογία του πληθυσμού και την οικολογία υποδηλώνουν ότι ένας πληθυσμός με μεγαλύτερη γενετική ποικιλομορφία είναι πιο εύρωστος, που σημαίνει ότι είναι πιο πιθανό να επιβιώσει ενόψει των περιβαλλοντικών προκλήσεων. Ο Nicholas Navin, γενετιστής καρκίνου στο Κέντρο Καρκίνου MD Anderson του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Χιούστον, θεωρεί ότι αυτό θα ισχύει και για τον καρκίνο. «Η διαφορετικότητα επιτρέπει στους όγκους να αντιμετωπίζουν επιλεκτικές πιέσεις», είπε. Σε έναν γενετικά ποικιλόμορφο όγκο, εκατομμύρια κύτταρα θα πεθάνουν όταν εκτεθούν σε ένα φάρμακο, αλλά υπάρχει μια καλή πιθανότητα μερικά κύτταρα να αποκτήσουν γενετική δύναμη για να επιβιώσουν. Αυτά τα κύτταρα θα αντιμετωπίσουν ένα «πληθυσμό συμφόρησης» - όταν τα περισσότερα σκοτωθούν - «αλλά στη συνέχεια θα συνεχίσουν να επιβιώνουν και να ξαναπληθαίνουν τη μάζα του όγκου με την πάροδο του χρόνου», είπε ο Navin.

Διαφορετικά και θανατηφόρα

Η μητέρα και η πρώτη σύζυγος του Alejandro Schäffer πέθαναν από καρκίνο του οισοφάγου και του στομάχου, αντίστοιχα. Στη συνέχεια, πριν από δύο χρόνια, ο πατέρας του αντιμετωπίστηκε επιτυχώς για καρκίνο του οισοφάγου με ένα νέο φάρμακο. «Έχω δει από πρώτο χέρι ότι οι πρόσφατες εξελίξεις στην έρευνα για τον καρκίνο μπορούν να θεραπεύσουν ορισμένους ασθενείς, αλλά υπάρχει πολύς δρόμος μπροστά μας», είπε ο Schäffer, ένας υπολογιστικός βιολόγος που άρχισε να μελετά την ασθένεια αμέσως μετά την ένταξή του στα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας πριν από σχεδόν 20 χρόνια. .

Το 2008, ενώ επισκεπτόταν τον πρόσφατα χήρο πατέρα του στο Πίτσμπουργκ, ο Schäffer συνάντησε τον Russell Schwartz, έναν επιστήμονα υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon. Όπως ο Schäffer, ο Schwartz εργαζόταν σε μια εξελικτική προσέγγιση στον καρκίνο. Σύμφωνα με αυτή την άποψη, τα καρκινικά κύτταρα εξελίσσονται και προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους, όπως τα είδη σαλαμάνδρων μπορεί να προσαρμοστούν σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα ή να εξαπλωθούν για να κατοικήσουν σε νέα επικράτεια. Αυτή η εξελικτική προοπτική, που διατυπώθηκε σχεδόν πριν από 40 χρόνια, γέννησε δεκαετίες θεωρητικής έρευνας και διαμόρφωσε τις απόψεις των επιστημόνων για το πώς εμφανίζεται και εξαπλώνεται ο καρκίνος. Αλλά ελάχιστα άμεσα στοιχεία DNA υποστήριζαν αυτές τις έννοιες. Τώρα, εξοπλισμένοι με νέες τεχνικές ανάλυσης των μοριακών υπογραφών μεμονωμένων καρκινικών κυττάρων, σε συνδυασμό με εργαλεία από την εξελικτική βιολογία, οι επιστήμονες αρχίζουν να παρακολουθούν την εξέλιξη του καρκίνου σε επίπεδο λεπτομέρειας που θα μπορούσε να τους βοηθήσει να εντοπίσουν τους μηχανισμούς πίσω από την πονηρή προσαρμογή και την απεριόριστη ανάπτυξή του.

«Γίνεται ολοένα και περισσότερο κατανοητό ότι η εξέλιξη του όγκου είναι μια εξελικτική διαδικασία γονιδιωματικών αλλαγών», είπε ο Schäffer μέσω e-mail. "Ως εκ τούτου, τεχνικές που αναπτύχθηκαν για την κατανόηση της εξέλιξης των ειδών μπορούν και πρέπει επίσης να εφαρμοστούν για την κατανόηση της εξέλιξης του όγκου."

Τόσο για σαλαμάνδρες όσο και για καρκινικά κύτταρα, η αναπαραγωγή παρέχει έναν ιδιαίτερα επικίνδυνο χρόνο για το γονιδίωμα. Τα χρωμοσώματα πρέπει να αναπαράγονται πριν παραταχθούν σαν στρατιώτες, χωριστούν σε συντάγματα και βαδίσουν σε νέες αποθήκες στα θυγατρικά κύτταρα. Κάθε στάδιο της διαδικασίας παρουσιάζει μια ευκαιρία για λάθος - μπορεί να συμβούν λάθη καθώς αντιγράφεται το DNA και τα χρωμοσώματα μπορεί να μην ευθυγραμμιστούν σωστά, να διασπαστούν ή να περατωθούν σε λάθος κύτταρο. Από αυτές τις γενετικές γκάφες γεννιέται ο καρκίνος.

Στην εξελικτική προσέγγιση του καρκίνου, κάθε τύπος κυττάρου αντιμετωπίζεται ως μεμονωμένο είδος και αποτυπώνεται σε ένα φυλογενετικό δέντρο, μια δομή που χαρτογραφεί την εξελικτική σχέση μεταξύ των οργανισμών. Η δομή του δέντρου καθιστά δυνατό τον υπολογισμό, για παράδειγμα, ποια γονίδια είναι πιο πιθανό να αντιγραφούν ή να διαγραφούν όταν το κύτταρο διαιρείται και ποια μέρη του δέντρου είναι οι καλύτεροι ανταγωνιστές όσον αφορά την ανάπτυξη και την επιβίωση, έγραψε ο Schäffer.

Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους επιστήμονες να εξετάσουν περισσότερους από έναν βιοδείκτη, όπως ένα γονίδιο ή πρωτεΐνη, ή την ποικιλομορφία ενός καρκίνου σε μια χρονική στιγμή, αλλά τη δυναμική του ίδιου του όγκου, που μπορεί να προβλέψει καλύτερα τη συμπεριφορά του. «Το θέμα είναι να κατανοήσουμε πόσο σημαντική είναι η δυναμική για την εξέλιξη του καρκίνου», δήλωσε ο Thomas Ried, ογκολόγος στο Εθνικό Ινστιτούτο Καρκίνου στο Bethesda, Md., ο οποίος συνεργάζεται με τους Schäffer και Schwartz.

Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Bioinformatics τον Ιούλιο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτήν την προσέγγιση για να προσπαθήσουν να απαντήσουν σε ένα από τα πιο δύσκολα ερωτήματα που αντιμετωπίζουν οι ογκολόγοι:Τι κάνει ορισμένους καρκίνους να εξαπλώνονται; «Τα εξελικτικά δέντρα γίνονται ένας τρόπος σκέψης για τη διαδικασία εξέλιξης στους όγκους», είπε ο Schwartz.

Κατασκεύασαν φυλογενετικά δέντρα χρησιμοποιώντας μονοκύτταρα δεδομένα από γυναίκες με καρκίνο του τραχήλου της μήτρας, των οποίων οι μισοί καρκίνοι είχαν εξαπλωθεί. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν μεθόδους μηχανικής μάθησης, αλγόριθμους υπολογιστών σχεδιασμένους να αναζητούν προγνωστικά χαρακτηριστικά σε πολύπλοκα δεδομένα, για να συγκρίνουν τη δομή των δέντρων. Ένα στενό δέντρο με λιγότερα κλαδιά, για παράδειγμα, έχει μικρότερη γενετική μεταβλητότητα από ένα θαμνώδες. «Μπορούμε να ρωτήσουμε τι είναι κοινό μεταξύ των δέντρων ή τι διαχωρίζει τους όγκους που προχωρούν και αυτούς που δεν προχωρούν», είπε ο Schwartz.

Συνολικά, η προσέγγιση του δέντρου ήταν καλύτερα ικανή να προβλέψει ποιος από τους πρωτογενείς όγκους έκανε αργότερα μετάσταση από τους τυπικούς βιοδείκτες, όπως ο αριθμός των αντιγράφων ενός μεμονωμένου γονιδίου. Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη εντοπίσει το βασικό προγνωστικό χαρακτηριστικό στα φυλογενετικά δέντρα, αλλά ο Schwartz και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι οι μεταστατικοί καρκίνοι έχουν στενότερα δέντρα, τα οποία μπορεί να αντανακλούν την επιλεκτική πίεση που επιβάλλεται στα κύτταρα που εξαπλώνονται σε όλο το σώμα. "Απαιτείται ένα πιο συγκεκριμένο σύνολο μεταλλάξεων για να μπορέσει ένας όγκος να μεταναστεύσει και να επιβιώσει σε μια μακρινή τοποθεσία σε σχέση με τον ιστό προέλευσής του", είπε.

Πρόβλεψη βλάβης

Με αυτά τα προκαταρκτικά ευρήματα, οι επιστήμονες αρχίζουν να δοκιμάζουν την προσέγγιση ενός κυττάρου σε άλλα σύνολα δεδομένων, αλλά δεν την έχουν χρησιμοποιήσει ακόμη για να προβλέψουν ότι ένας καρκίνος θα εξαπλωθεί πριν γίνει πραγματικά. Ωστόσο, τονίζουν τη δυνατότητα αυτής της προσέγγισης να απαντά τόσο σε θεμελιώδεις όσο και σε κλινικά σημαντικές ερωτήσεις σχετικά με τη νόσο.

Η μελέτη του Schwartz είχε στόχο να προβλέψει τη σοβαρότητα του καρκίνου εξετάζοντας μια χούφτα γονιδίων μέσα σε κάθε κύτταρο. Άλλοι τώρα αρχίζουν να εξετάζουν ολόκληρο το γονιδίωμα των μεμονωμένων κυττάρων, παρέχοντας μια πιο ολοκληρωμένη εξελικτική εικόνα. Το 2011, ο Navin, τότε μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Cold Spring Harbor Laboratory στο Λονγκ Άιλαντ, και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν την πρώτη ανάλυση μονοκυτταρικών γονιδιωμάτων στον καρκίνο, αλληλούχοντας το πλήρες γονιδίωμα των 100 κυττάρων σε κάθε μία από τις δύο περιπτώσεις καρκίνου του μαστού. Τα αποτελέσματα αμφισβήτησαν το κυρίαρχο δόγμα, ότι τα καρκινικά κύτταρα συσσωρεύουν γενετικές αλλαγές σταδιακά.

«Αντί να αποκτήσουμε μεταλλάξεις σε διάστημα 10 έως 20 ετών, τα δεδομένα μας πρότειναν εξελικτικές εκρήξεις με πολλές γονιδιωματικές μεταλλάξεις», είπε ο Navin. Αυτή η έκρηξη μπορεί να πυροδοτηθεί από περιβαλλοντική έκθεση σε ακτίνες Χ ή μετάλλαξη σε ένα γονίδιο που βοηθά στην επιδιόρθωση του DNA, ωθώντας ένα κύτταρο πάνω από την άκρη και στο βασίλειο της γονιδιωματικής αστάθειας. «Έπειτα από μια διακεκομμένη έκρηξη ανακατατάξεων του γονιδιώματος, ένα καρκινικό κύτταρο μπορεί να έχει ήδη τις κατάλληλες μεταλλάξεις για να γίνει επεμβατικό, μεταστατικό και τελικά να σκοτώσει τον ασθενή», είπε. "Μόλις αποκτήσετε αυτές τις χρωμοσωμικές εκτροπές, βρίσκεστε σε ένα σημείο χωρίς επιστροφή."

Προχωρώντας, ο Navin και άλλοι ερευνητές σχεδιάζουν να δοκιμάσουν τη φήμη του καρκίνου για επιταχυνόμενες μεταλλάξεις. Ενώ η υπόθεση εργασίας ήταν ότι τα καρκινικά κύτταρα αποκτούν περισσότερες μεταλλάξεις ανά διαίρεση από τα υγιή κύτταρα, είναι επίσης πιθανό ότι απλώς διαιρούνται πιο γρήγορα, συγκεντρώνοντας μεγαλύτερο ρεκόρ μεταλλάξεων στο ίδιο χρονικό διάστημα. «Αυτό είναι κάτι που είναι πολύ αμφιλεγόμενο», είπε ο Navin. «Με τα εργαλεία προσδιορισμού αλληλουχίας ενός κυττάρου, μπορούμε πραγματικά να αναλύσουμε αυτούς τους ρυθμούς μετάλλαξης, κάτι που δεν ήταν δυνατό πριν». Η απάντηση θα μπορούσε να έχει επιπτώσεις στη θεραπεία — τα κύτταρα που διαιρούνται πιο γρήγορα, για παράδειγμα, θα ήταν πιο ευάλωτα σε φάρμακα που επηρεάζουν την αναπαραγωγή ή τον κυτταρικό κύκλο.

Από την κλινική πλευρά, οι ερευνητές σχεδιάζουν να εξετάσουν γιατί ορισμένοι καρκίνοι αναπηδούν μήνες ή χρόνια μετά τη θεραπεία. Την τελευταία δεκαετία, οι στοχευμένες θεραπείες για τον καρκίνο, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να εμποδίζουν συγκεκριμένες μοριακές αλλαγές σε καρκίνους, έχουν κάνει σημαντικά βήματα στη θεραπεία της νόσου. Αλλά η επιτυχία τους είναι συνήθως βραχύβια. Τα άτομα που λαμβάνουν θεραπεία με αυτά τα φάρμακα συχνά υποτροπιάζουν, υποδηλώνοντας ότι οι όγκοι τους έχουν γίνει ανθεκτικοί. «Νομίζω ότι γίνεται φανερό ότι η ενδοκαρκινική ετερογένεια είναι ένα από τα πολλά σημαντικά εμπόδια στην εξατομικευμένη θεραπεία του καρκίνου με χημειοθεραπείες μίας «μαγικής σφαίρας»», είπε ο Schaffer.

Για παράδειγμα, ορισμένοι όγκοι μπορεί να φιλοξενούν σπάνια κύτταρα ικανά να αντιστέκονται σε ορισμένα φάρμακα. Η ανάλυση μεμονωμένων κυττάρων μπορεί τελικά να βοηθήσει τους επιστήμονες και τους γιατρούς να προβλέψουν καλύτερα πότε είναι δικαιολογημένο ένα κοκτέιλ φαρμάκων που στοχεύουν σε διαφορετικούς μοριακούς μηχανισμούς, παρόμοια με την προσέγγιση στις θεραπείες για τον HIV. "Η κατανόηση της ετερογένειας των όγκων ελπίζουμε ότι θα βοηθήσει να τερματιστεί το πρόβλημα της υποτροπής της νόσου", είπε ο Ried.