Ученые из Института Броуда и Массачусетской больницы общего профиля (MGH) провели первое в своем роде исследование, которое характеризует клеточное разнообразие в опухолях глиобластомы у пациентов. Исследование, в ходе которого изучалась экспрессия тысяч генов в отдельных клетках опухолей пациентов, показало, что клеточный состав каждой опухоли более гетерогенный, чем предполагалось ранее. Результаты, опубликованные в Science Express, помогут в будущих исследованиях потенциальных методов лечения этого разрушительного заболевания.
Это первый раз, когда была проведена широкомасштабная перепись отдельных клеток, находящихся в этих опухолях головного мозга. Ранее исследователи знали, что не все клетки в опухоли человека были одинаковыми – они могли иметь разные мутации в своем геноме и, возможно, по-разному экспрессировать гены – и есть подозрение, что это разнообразие может способствовать устойчивости к лекарствам и рецидивам болезни. Но до сих пор было трудно количественно оценить степень этого разнообразия.
Чтобы обозначить такие различия, исследователи использовали относительно новый подход, называемый одноклеточной транскриптомикой, который позволил им изучить паттерны экспрессии генов в каждой из 430 отдельных клеток из опухолей головного мозга пяти пациентов. Эти паттерны, которые варьируются от клетки к клетке, показывают, какие гены включены, а какие выключены в данной клетке, раскрывая информацию о природе и функциях клетки.
Предыдущие исследования глиобластомы смотрели на среднюю экспрессию генов в миллионах клеток, которые были смешаны вместе в одном образце. В некоторых случаях этот тип выборки используется для классификации опухолей глиобластомы на один из четырех признанных подтипов рака на основе наиболее распространенной программы экспрессии генов. Изучая паттерны экспрессии генов многих отдельных клеток, по одной, команда смогла получить более точную картину клеточного состава опухолей. Их исследование показало, что каждая опухоль глиобластомы содержит отдельные клетки из нескольких подтипов рака, и что распределение этих клеток варьируется от опухоли к опухоли.
Исследование также показало, что раковые клетки в этих опухолях существуют во многих штатах. Некоторые из них похожи на стволовые клетки, что позволяет предположить, что они обладают способностью к самообновлению и могут играть роль в регенерации опухоли даже после терапии. Другие – более зрелые дифференцированные раковые клетки, которые составляют основную часть опухоли. Но исследователи также обнаружили, что многие клетки существуют в диапазоне между этими состояниями. Существующие методы лечения, которые нацелены только на наиболее распространенные клетки опухоли, могут пропускать некоторые из этих субпопуляций.
"Чтобы сосредоточиться на аспектах гетерогенности, которые, по нашему мнению, могут иметь клиническое значение, мы искали в первую очередь различные состояния клеток и обнаружили несколько субпопуляций в каждой опухоли. С клинической точки зрения это означает, что нам может потребоваться лечение каждой опухоли на основе набора клеточных подтипов, которые она содержит, а не только наиболее распространенного," сказал соавтор исследования Авив Регев. Регев является одним из основных членов Института Броада и директором обсерватории клеток Клармана Броада, а также доцентом Массачусетского технологического института и научным сотрудником Медицинского института Говарда Хьюза.
Исследователи надеются, что эти результаты помогут направить будущие исследования и подходы к лечению глиобластомы, которая является наиболее распространенной и наиболее агрессивной формой рака мозга у взрослых.
"Это неизлечимая болезнь. Существуют существующие методы лечения, которые могут воздействовать на 99 процентов клеток, но опухоли всегда возвращаются. Понимание клеточного ландшафта может предоставить план для определения новых методов лечения, нацеленных на каждую из различных субпопуляций раковых клеток, и, в конечном итоге, для адаптации таких методов лечения к опухолям отдельных пациентов," сказал соавтор Брэдли Бернстайн. Бернштейн является старшим ассоциированным членом Broad и профессором патологии Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы. Он также является ранним научным сотрудником Медицинского института Говарда Хьюза и главным исследователем в обсерватории клеток Клармана Броада.
Помимо Бернштейна и Регева, исследованием руководили соавторы Ануп Патель и Итай Тирош, которые являются научными сотрудниками в лабораториях Бернштейна и Регева соответственно, и соавтор исследования Марио Сува, доцент кафедры патологии в MGH и широкий ассоциированный ученый. Команда представляла собой проложившее путь партнерства между врачами и исследователями из отделов нейрохирургии и патологии MGH, а также молекулярными и компьютерными биологами из Broad. Сотрудничество объединило нейрохирургов и патологов из MGH во главе с Пателем и Сува, которые удалили опухоли у пациентов и молекулярно охарактеризовали образцы; Биологи, возглавляемые Джоном Тромбеттой и Алексом Шалеком, провели анализ отдельных клеток; и вычислительная группа во главе с Тирошом, которая проанализировала данные.
Команда ожидает, что метод и совместная модель будут эффективны для характеристики других типов раковых опухолей. В настоящее время предпринимаются усилия по изучению дополнительных видов рака с использованием той же методологии.