Češka hledá Achillovu patu rakoviny. Šance na objev je vysoká, věří

Nalezení Achillovy paty rakoviny. I tam může vést unikátní výzkum vědců z Biotechnologického ústavu AV ČR s názvem „Mezibuněčné obchodování v metabolismu nukleotidů: nový cíl léčby?“.

Ten se nedávno stal jedním z pouhých čtyř českých projektů, které letos přesvědčily Evropskou výzkumnou komisi a v rámci prestižního ERC grantu získal financování z programu Horizon Europe v hodnotě 35 milionů korun.

Výzkumníci touží po tom pochopit metabolickou komunikaci buněk. Chtějí zjistit, jak buňky hospodaří se stavebními kameny, ze kterých se vytváří nukleové kyseliny, tedy RNA a DNA, jež nesou genetickou informaci nutnou k jejich dělení.

Klíčem jsou metody, které umožňují to, co bylo ještě nedávno nemožné – sledovat tento proces na úrovni každé jednotlivé buňky. Pomůžou i geneticky upravené myši a rakovinové buňky, díky kterým se v laboratoři ústavu dají simulovat podmínky jako při dosud používané léčbě rakoviny.

Léčba na základě blokování metabolických funkcí se sice používá už víc jak 70 let, není ale účinná zdaleka proti všem typům rakoviny a hlavně poškozuje nejenom rakovinové, ale i zdravé buňky. A právě to by mohly poznatky tohoto výzkumu změnit. Autoři pátrají po slabém místě v tomto procesu, na které by se dala léčba cíleně zaměřit. Byla by pak výrazně efektivnější a zároveň méně toxická.

Další detaily výzkumu Seznam Zprávám přiblížila jeho vedoucí Kateřina Rohlenová.

Vaším cílem je lépe pochopit metabolickou komunikaci u rakovinových i zdravých buněk. Proč tento proces zůstává neznámý?

Nádor, stejně jako zdravá tkáň, sestává z miliard buněk, které spolu různými způsoby komunikují, například pomocí výměny metabolitů. Nicméně tuto výměnu bylo dosud velmi obtížné zkoumat. Důvodem je, že pro pochopení komunikace mezi buňkou A a buňkou B potřebujeme tyto dvě buňky rozlišit a zároveň mít metody, které umožňují jejich celkovou charakterizaci.

Pakliže se bavíme o metabolitech, které si buňky předávají, tak tam je potřeba rozlišovat, i která buňka produkuje a která přijímá. A tohle bylo dosud velmi těžké, protože většina metod se širokým záběrem umožňujícím celkovou charakterizaci vyžaduje velké množství materiálu. To znamená, že potřebujete hodně buněk, aby bylo možné v nich detekovat signál. Metody, které by měly široký záběr a zároveň byly schopné rozlišení na úrovni jednotlivých buněk, donedávna prostě neexistovaly.

Nyní ale existují a otevírají nám úplně nové možnosti, jak se na tkáně, a to nejen nádorové, dívat. V nádoru jsou nejenom samotné rakovinné buňky, ale též buňky epitelu, buňky tvořící krevní cévy, buňky pojivové tkáně atd. S novými metodami se můžeme podívat na to, co nádorové buňky potřebují od těch ostatních a co naopak samy produkují, protože ony na rozdíl od zdravých buněk často některé látky nadprodukují. Takže všechny tyto jevy už můžeme podrobně a s vysokým rozlišením zkoumat a jednotlivé buněčné typy nejenom identifikovat, ale i široce charakterizovat přímo v nádoru.

Už dlouhé roky se používají k léčbě rakoviny antimetabolity. Jak fungují a v čem jsou nedokonalé?

Antimetabolity jsou jeden z nejstarších způsobů léčby rakoviny a důvod je nasnadě. Tento druh léčby cílí na schopnost buněk vytvářet si nukleové kyseliny, tzn. DNA a RNA, které nesou genetickou informaci nutnou k buněčnému dělení, což je nejsilnějším nutkáním rakovinné buňky. Antimetabolity brání buněčnému dělení, a dává proto smysl, že by proti rakovině měly fungovat. Pravda je bohužel taková, že to úplně perfektně nefunguje.

U určitých typů rakovin, jako je například leukémie, se tato léčba používá s velkou úspěšností, ale jiné typy nádorů jsou často rezistentní. Dalším problémem je, že antimetabolity mohou působit i na normální dělící se buňky, což je spojeno s toxicitou.

Fakt, že léčba nefunguje vždycky, je nicméně velmi zajímavý problém a souvisí s tím, jak buňky hospodaří se stavebními kameny, ze kterých se nukleové kyseliny tvoří. Tyto stavební kameny mohou rakovinné buňky získat dvěma způsoby. Buď si je vytvoří samy v rámci metabolismu uvnitř buňky, nebo je získají zvenku, z buněk nádorového prostředí nebo z krve.

A to je ten důvod, proč antimetabolity někdy nestačí?

Ano. Různé metabolity cílí na různé části metabolismu nukleových kyselin, ale ať už cílíte na schopnost buňky si metabolity vytvářet, nebo je získávat z okolí, vždycky tam zůstává ta druhá možnost. Takže třeba u leukémií se pravděpodobně děje to, že se daří proces narušit natolik, že už to rakovinová buňka nedokáže opravit. Naopak u pevných nádorů je nejspíš dostupné velké množství zdrojů pro získání nukleových kyselin z jejich okolí alternativním způsobem, takže léčba je ve výsledku neúspěšná.

My proto chceme a potřebujeme perfektně zmapovat, jakým způsobem se s nukleovými kyselinami a stavebními kameny, ze kterých se nukleové kyseliny v buňce tvoří, hospodaří. To znamená zjistit, co si rakovinné buňky potřebují vytvořit samy, co mohou získat zvenku a hlavně, co může být zdrojem stavebních kamenů v nádorovém prostředí.

Další věc se vztahuje k toxicitě. Budeme hledat dráhy, geny a proteiny, které jsou v tomto procesu specifické pro rakovinové buňky tak, abychom si byli jistí, že když na ně budeme cílit, tak zásah pro normální tkáň a z toho plynoucí toxické efekty budou minimální. Současná klasická léčba je totiž naprosto plošná. Cílí na všechny dělící se buňky.

V ideálním případě chcete, abyste našli tzv. Achillovu patu rakovinových buněk. Už jste to naznačila v předchozí odpovědi, můžete ale rozvést, co si myslíte, že by tou Achilovou patou konkrétně mohlo být?

My si představujeme, že bychom třeba mohli najít specifický transportér. To je protein, který je schopen určitý metabolit dopravit zvenčí dovnitř do buňky. Je možné, že existují transportéry, které jsou na rakovinových buňkách daleko častější než na běžných buňkách. Nicméně je dost nepravděpodobné, že normální buňky takový transportér vůbec nemají a rakovinová buňka ano. Pravděpodobnější je, že rakovinová buňka má takových transportérů mnohem více nebo má trochu jiné, takže újma (v případě léčby cílené na eliminaci takového proteinu) na straně zdravých buněk bude minimální, zatímco u rakovinových buněk se dosáhne vysoké efektivity.

Tohle je ale jen jeden příklad možné Achillovy paty. Je klidně možné, že ji objevíme někde jinde, metody, které používáme, mají široký záběr a umožňují objevit nečekané.

Co vás přivedlo k přesvědčení, že zrovna vámi popsaný způsob pátrání je nejlepší k hledání zranitelného místa rakoviny?

Už v rámci svého postdoktorandského výzkumu jsem pracovala s metodami s rozlišením na úrovni jednotlivých buněk. Fascinuje mě to, myslím si, že je to něco, co vám umožní udělat velký skok v poznání a vidět úplně novou dimenzi. Jde o to, že dřív se metabolismus buněk sledoval na vzorku tisíců buněk, které se zprůměrovaly. Dnes už ale víme, že ani buňky stejného typu ve skutečnosti nejsou všechny stejné, a to nebylo možné zjistit.

U metod s rozlišením na úrovni jednotlivých buněk k takovému zprůměrování nedochází. Třeba v rámci mého postdoktorandského výzkumu v Belgii jsme díky tomu přišli na to, že současná léčba soustředěná na buňky krevních cév v nádoru cílí pouze na 10 % buněk, které v tom nádoru jsou.

Je asi důležité říci, že si a priori nestanovíme, jaký protein je náš hlavní favorit, i když kandidáti by byli. Raději se podíváme najednou na všechny, takže pak můžeme vidět všechny buňky v tkáni i jejich genovou expresi naráz v kontextu. Z těch dat potom teprve vyvodíme, co by mohlo být nejzajímavější.

O jaké metodě se vlastně bavíme?

V angličtině se tomu říká single-Cell RNA sekvenace a jde zjednodušeně řečeno o to, že sečteme genovou expresi jednotlivých buněk. Největší problém, který tato metoda musela vyřešit, spočívá v tom, že v rámci jedné buňky pracujete s hrozně malým množstvím materiálu, takže je potřeba, aby celá procedura byla velice přesná a perfektně efektivní.

Dá se tedy říct, že váš výzkum je jedinečný a nejspíš i získal ERC grant především díky tomu, že umíte pracovat s touto metodou?

Tato metoda je sice velice moderní, ale není to tak, že bych ten grant mohla získat jen na základě toho. Myslím si, že pravděpodobně to bylo kvůli tomu, že my takových metod kombinujeme hodně.

Kromě exprese genů jednotlivých buněk děláme i to, že nařežeme tkáň na velice tenké plátky a uděláme sekvenování přímo na tkáni. To znamená, že budeme mít obrázek o tom, jak která buňka vypadá, kde přesně je lokalizovaná, a zároveň pro každou z nich získáme profil exprese všech genů. Pomocí dalších metod pak budeme detekovat proteiny a metabolity.

Jako další unikum vaší laboratoře se uvádí i speciální myší modely, o co jde?

Při tomto výzkumu je můžeme využít tak, že máme jednak geneticky modifikované myši, které neumí vytvářet nukleotidy, a zadruhé máme geneticky modifikované rakovinové buňky, které také neumí vytvářet nukleotidy. Když tyto modely zkombinujeme, můžeme vytvořit nádor, kde si rakovinné buňky neumí vytvářet vlastní nukleotidy, takže simulujeme situaci, jako by ten nádor byl pod účinkem léčby blokující vytváření nukleotidů.

Tohle se samozřejmě normálně nestává, protože když je pacient léčen, tak se blokující látka podává systémově a zasahuje nejen rakovinové buňky, ale i buňky zdravé, což situaci komplikuje. Pomocí našeho velice definovaného systému můžeme ale vidět, co přesně se děje, pakliže je defekt syntézy pouze v rakovinných, nebo ve zdravých buňkách, a jak se to dané buňky snaží vyřešit a obejít.

Jakou roli ve vašem výzkumu hraje to, že rakovin je mnoho druhů?

To je samozřejmě zásadní. My se díváme na jeden konkrétní typ, protože kdybychom se dívali na různé, tak bychom získávali pokaždé jiné informace. Používáme myší model, který odpovídá adenokarcinomu plic u člověka.

Není to navíc jen o různých typech nádorů. Můžeme totiž vidět i rozdíly v rámci jednoho typu nádoru, a to samozřejmě také komplikuje léčbu. Nové metody schopné pozorovat jednotlivé buňky tuto nesmírnou heterogenitu v rámci nádoru ostatně poprvé objevily. Je to i jeden z důvodů, proč je léčba rakoviny tak náročná a proč se ani nemůžeme bavit o tom, že by mohla být jedna léčba rakoviny. To prostě není možné.

O ERC grantech se říká, že jsou tzv. „high risk/high gain“ (vysoké riziko/velký přínos). Ve vašem případě je jasným potenciálním přínosem nalezení zmiňované Achillovy paty rakoviny. Dá se ale vůbec tady mluvit o vysokém riziku, že se výzkum nepovede? Zdá se, že i když nenajdete tu konkrétní slabinu, dodáte přinejmenším obrovské množství užitečných informací…

Rozhodně. High risk a high gain je jeden ze zásadních aspektů, který ERC granty musí mít, aby měly šanci uspět. Zásadní je tam ale právě ta druhá část, tedy velký zisk. A ten nelze považovat za velký, pakliže ho doprovází až příliš velké riziko. Takže risk je v našem případě v tom, že nemusíme najít nic, co by konkrétně bylo skutečně specifické pro rakovinové buňky a pomohlo třeba vzniku nějaké nové alternativní léčby. High gain je ale v tom, že šance na nalezení něčeho nového a zásadního je vysoká. Tak by měl být tento typ projektu vždy postaven.

Je také téměř nepochybné, že na konci projektu budeme o celém systému a síti metabolické komunikace vědět o hodně víc, že se možná začnou objevovat i otázky, které v tuto chvíli ani nikoho nemohly napadnout. I v tom spočívá ten high gain.