Vědci přeprogramovali nádorové buňky a dokázali tak zvrátit zhoubné bujení
Revoluční způsob léčby rakoviny nespoléhá na ničení nádorových buněk. Využívá jejich „přeškolení“ na jiné buněčné typy. Mohou se tak proměnit na buňky zdravé, a tudíž neškodné. Vědci ale také zkoušejí rekvalifikaci rakovinných buněk na buňky imunitního systému, které následně nádor likvidují.
Léčba zhoubných nádorů se soustředí na zničení rakovinných buněk či jejich odstranění z těla. Lékaři k tomu používají chirurgické postupy, chemoterapii, ozařování a další metody. Ty nemocným často pomohou jen za cenu silných nežádoucích vedlejších účinků a v některých případech nezaberou. Nádor se vrací s ještě větší silou a možnosti lékařů jsou pak omezené.
Není divu, že vědci hledají nové způsoby, jak se s nádorovým bujením vypořádat. V poslední době slaví hned několik významných úspěchů metoda transdiferenciace – tedy jakási převýchova nádorových buněk na buňky zdravé, nebo dokonce na buňky, jež s nádorovým onemocněním aktivně bojují.
Uzdravené buňky
Jednou z prvních vlaštovek na poli „převýchovy“ nádorových buněk je studie korejských vědců pod vedením Kwang-Hyun Choa z Korejského institutu pro vědu a technologie v Daejonu, publikovaná ve vědeckém časopise Advanced Science. Cho a jeho spolupracovníci v ní popisují postup, jakým proměnili buňky nádoru tlustého střeva v buňky zdravé. Pokud by se podobná proměna podařila v organismu pacienta, znamenalo by to vyléčení bez toho, že by musely být rakovinné buňky zničeny.
Nová metoda vychází ze skutečnosti, že buňky propadlé zhoubnému bujení přestávají plnit svou původní funkci a ztrácejí specializaci, kterou získaly během vývoje organismu. Vědci se proto snaží jim připomenout jejich původní poslání. Specializace buněk je dána aktivitou genů. Lidské tělo tvoří zhruba 40 bilionů buněk a všechny mají stejnou dědičnou informaci tvořenou více než třemi miliardami písmen genetického kódu a zhruba 23 000 geny. Přesto se od sebe buňky jednotlivých tkání a orgánů dramaticky liší.
Neuron vypadá jinak než buňka srdečního svalu, má úplně jiné vlastnosti a také v těle slouží zcela jiným účelům. Rozdíl je dán spektrem genů, které v neuronu či buňce srdečního svalu pracují. Některé geny jsou aktivní ve všech buňkách, protože zajišťují nezbytné základní životní funkce. Jiné geny jsou uvedeny do činnosti jen v určitých typech buněk, protože zajišťují jejich specializované vlastnosti.
Mechanismů, jakými jsou geny „zapínány“ nebo „vypínány“, existuje široká škála. Často jsou tyto „ovládací prvky“ součástí dědičné informace. Vybrané geny blokují funkce jiných genů, další geny naopak uvádějí vybranou kolekci genů do činnosti.
Cho a jeho spolupracovníci analýzami zjistili, jaké geny pracují v buňkách nádoru tlustého střeva a jaké jsou aktivní ve zdravých buňkách tohoto orgánu. S využitím speciálního algoritmu BENEIN potom dokázali určit klíčové geny pro specializaci buněk tlustého střeva. Z výsledků modelování vyplynulo, že pro vznik buněk tlustého střeva jsou zásadní geny MYB, HDAC2 a FOXA2.
Když tyto geny pracují, mají buňky cestu ke specializaci na tlusté střevo uzavřenou. Vědci se rozhodli toto zjištění ověřit. V buňkách nádoru tlustého střeva cíleně vyblokovali trojici genových „brzd“. Pro tento účel lze dnes využít vysoce specifický a spolehlivý nástroj genového inženýrství známý pod zkratkou CRISPR. Tyto „molekulární nůžky“ lze sestavit tak, že přestřihnou dvojitou šroubovici DNA v přesně určeném místě. Buňka se pokouší takto poškozené místo dědičné informace opravit. Obvykle se přitom dopustí chyby, která informaci genu „znehodnotí“, a tím je gen vyřazen z činnosti.
Cho se svými spolupracovníky vyřadil v nádorových buňkách tlustého střeva z činnosti trojici genů MYB, HDAC2 a FOXA2. Tím odblokovali v dědičné informaci geny, jež zajišťují vývoj buněk tlustého střeva, a buňky si tento proces zopakovaly. Rakovinné buňky se tak „uzdravily“. Neměly nejmenší tendenci ke zběsilému množení a vykazovaly všechny vlastnosti zdravé tkáně.
Klíčová úloha algoritmu BENEIN
Zásadním přínosem celé studie je algoritmus BENEIN, protože dovoluje odhalit geny použitelné pro transdiferenciaci buněk. Postup zdaleka nefunguje jen u rakovinných buněk tlustého střeva. Cho a jeho spolupracovníci otestovali BENEIN také na tzv. granulózních buňkách, které ve vaječníku žen zajišťují optimální prostředí pro vajíčka. Také u buněk granulózy odhalil algoritmus geny, jež rozhodují o specializaci. Korejští vědci z toho vyvozují, že si BENEIN poradí s širokým spektrem buněk, a to jak zdravých, tak i těch, jež propadly nádorovému bujení.
„Skutečnost, že rakovinné buňky mohou být přeměněny zpět na normální buňky, je ohromující. A naše studie dokazuje, že taková reverze může být systematicky vyvolána,“ říká Cho a dodává: „Naším výzkumem zavádíme novou koncepci reverzní terapie rakoviny, kdy přeměníme rakovinné buňky na normální buňky. Vyvinuli jsme také základní technologii pro identifikaci cílů pro reverzi rakoviny, která je založena na systematické analýze mechanismů zajišťujících vývoj normálních buněk. Výsledky výzkumu byly předány společnosti BioRevert Inc., kde najdou uplatnění při vývoji praktických terapií rakoviny reverzí na zdravé buňky.“
Korejští vědci nejsou zdaleka jediní, kdo zkoumá možnosti léčby rakoviny genetickým přeprogramováním. Průkopníci této léčby vedení Gerhardem Christoforim z univerzity v Basileji zkoušeli například přeprogramovat buňky nádoru prsu na tukové buňky, protože ty už se dále nedělí a nemohou vykazovat pro rakovinu charakteristické zhoubné bujení. V experimentech na myších se podařilo dosáhnout této proměny pomocí léků trimtinibu a rosiglitazonu. Léčba zabírala i tehdy, když se myším v organismu množily transplantované buňky vysoce agresivního nádoru z prsu pacientek.
Proměna nádoru na léčivé buňky
Se zajímavou koncepcí přichází i výzkumný tým vedený Felipem Pereirou z univerzity ve švédském Lundu. Ten se rozhodl proměnit buňky nádoru na buňky imunitního systému, které mají za úkol ochranu organismu před zhoubnými nádory. Tyto tzv. dendritické buňky vnímají rakovinné buňky jako cizorodé a zajišťují jejich likvidaci. Zachytávají bílkoviny vytvářené rakovinnými buňkami, předávají je bílým krvinkám ze skupiny T-lymfocytů, a tím je mobilizují k ničení nádoru.
Bílkoviny unikající z nádoru jsou často pozměněné v důsledku poškození dědičné informace. Imunitní systém by je měl vnímat jako cizorodé a na rakovinné buňky jako na jejich producenty by měl razantně zaútočit. U zhoubných nádorů ale právě tento prvek obrany těla selhává. Onkologové se snaží zapřáhnout dendritické buňky do léčby, ale jejich snahy vycházejí naprázdno, protože se nedaří dostat léčebné buňky do nádoru v dostatečném množství.
Pereira a jeho spolupracovníci se pokusili zajistit dostatek dendritických buněk jejich vznikem přímo v nádoru, a to proměnou z rakovinných buněk. Výsledky ověřování tohoto revolučního přístupu publikovali ve vědeckém časopise Science.
Tým vedený Felipem Pereirou vyšel z dřívějších objevů, jež odhalily, že aktivace trojice genů – konkrétně genů PU.1, IRF8 a BATF3 – zajistí proměnu buněk kůže na dendritické buňky. Trojice genů zajišťuje produkci bílkovin označovaných jako transkripční faktory. Ty slouží k aktivaci dalších genů, takže trojice bílkovin spustí v nádorech celou kaskádu změn, za níž se skrývá „probuzení“ stovek genů.
Úspěšné testy
Ve své nejnovější studii publikované v Science ověřil Pereirův tým výsledky získané v laboratorních podmínkách také na myších a lidských nádorech. Vědci nechali narůst myším v těle melanomy a do těch pak vpíchli viry geneticky upravené tak, aby vnesly do nádorových buněk geny pro trojici transkripčních faktorů PU.1, IRF8 a BATF3.
Dosáhli tak proměny části nádoru na dendritické buňky, které mají na starost předkládání bílkovin nebezpečných buněk jiným buňkám imunitního systému. Spouštějí tím komplexní atak na nebezpečné buňky. A přesně to se podařilo navodit v melanomech léčených myší. Proměna nádorové buňky na dendritickou se podařila jen vzácně. K rozpoutání boje s do té doby tolerovaným nádorem ale stačila rekvalifikace pouhých 0,06 % buněk melanomu.
„Proces přeprogramování rakovinných buněk funguje nejen v buňkách pěstovaných v laboratoři, ale také uvnitř organismu. A funguje to mnohem lépe, než jsme očekávali,“ pochvaluje si Pereira. „Zkoušeli jsme tři různé způsoby, jak dostat geny do buněk nádoru. Nakonec jsme se rozhodli pro adenoviry upravené metodami genového inženýrství, protože zajišťovaly nejvyšší produkci transkripčních faktorů v nádorových buňkách a dokázaly je přeprogramovat na dendritické buňky během pěti až devíti dnů.“
Myši, jimž vědci vnesli do těla buňky zhoubného melanomu a následně jim podali dávku geneticky modifikovaných adenovirů, se nádorů zbavily. Rakovina kůže se u nich nerozvinula ani poté, co jim vědci infikovali rakovinné buňky podruhé. Vzniklé dendritické buňky zlikvidovaly původní nádor, a navíc zajistily zvířatům imunitu proti zhoubnému melanomu.
„U zvířat se vyvinula odolnost proti rakovině,“ shrnuje závěr pokusů na myších Felipe Pereira. „V nádorech, jejichž buňky jsme reprogramovali na dendritické buňky imunitního systému, jsme zjistili tvorbu velkých shluků imunitních buněk. Stejné shluky se tvoří také u pacientů, jejichž imunitní systém dokáže s rakovinnými buňkami úspěšně bojovat.“
Od myší k lidem
V nádorech nepanují podmínky, které by buňkám imunitního systému svědčily. Lidské nádory mohou být v tomto ohledu pro imunitní buňky ještě nehostinnější než nádory myší. Pereira a jeho spolupracovníci si toho byli vědomi, a proto testovali léčbu i na velkých shlucích rakovinných buněk lidského melanomu, nádorů plic, prsu, velmi agresivních nádorů tkání hlavy a krku a neméně nebezpečných nádorů pojivových tkání, tzv. sarkomů. Ve velkých shlucích, tzv. sféroidech, panují pro imunitní buňky podobně nepřívětivé podmínky jako ve skutečných lidských nádorech.
„Obávali jsme se, že prostředí uvnitř nádoru může být pro přeprogramování buněk na překážku, ale ve skutečnosti podmínky uvnitř sféroidů napomohly přeprogramování tím, že zajistily další potřebné signály, a tím celý proces proměny nádorové buňky na dendritickou urychlily,“ konstatuje Felipe Pereira. „Buňky reagovaly na přeprogramování velmi dobře za všech podmínek, které jsme testovali.“
Felipe Pereira by rád pokročil od testů v laboratorních podmínkách a experimentů na myších ke klinickým studiím, kde by byli přeprogramováním nádorových buněk na buňky imunitního systému léčeni první dobrovolníci. K tomu je ale nezbytné vyřešit ještě řadu problémů. Jedním je výroba geneticky upravených adenovirů a otestování jejich bezpečnosti pro pacienty. Tento úkol plánují vědci z univerzity v Lundu řešit ve spolupráci s nově založenou biotechnologickou firmou Asgard Therapeutics.
Jak aktivovat imunitu?
Švédští vědci už dříve prokázali, že rakovinné buňky pěstované v laboratorních podmínkách lze přeprogramovat na dendritické buňky. Ty po proměně ztrácejí schopnost tvořit nádory a mohly by nabudit imunitní obranu proti rakovině. Pereira zpočátku počítal s tím, že by se laboratorně vypěstované dendritické buňky vpravily do nádorů, kde by aktivovaly imunitní systém proti rakovině. Vědci tento postup úspěšně ověřili u myší, jimž vnesli do kůže buňky zhoubného melanomu – jedné z nejagresivnějších forem rakoviny kůže.
Pak je ale napadlo, že by si mohli pěstování imunitních buněk v laboratoři ušetřit. „Pokud bychom dokázali přeprogramovat rakovinné buňky přímo v těle, mohli bychom vynechat celý složitý proces laboratorního přeprogramování buněk a jejich vpravení do nádoru v těle pacientů. Léčba by se tím dramaticky zefektivnila. Jestliže by se k léčbě používaly buňky, musely by to být buňky pacienta a pro každého by se musela léčba připravovat zvlášť. Když bychom ale dokázali proměnit buňky v těle pacienta, pak by prostředky potřebné pro tuto proměnu fungovaly univerzálně u všech pacientů. Bylo by to nejen jednodušší, ale také výrazně lacinější,“ vysvětluje Felipe Pereira.
