За версту видно

Откуда мы знаем, что рак — это рак

Еще 300 лет назад диагностировать рак было легко: видим опухоль — значит, это рак. С тех пор ученые научились отличать больные клетки от здоровых, и не только по внешнему виду. В современной диагностике рака используются сложные технологии — от ядерных томографов до секвенирования ДНК. Результаты анализов говорят современным врачам гораздо больше, чем их предшественникам. Они позволяют выбрать тот метод лечения, который с наибольшей вероятностью поможет конкретному пациенту.

В проекте «Биодизайн» вместе с Сеченовским Университетом мы рассказываем, как медицина становится все более персонализированной, зачем нам нужны биобанки и есть ли они в России, а также сможем ли мы отказаться от исследований на мышах, собаках и обезьянах.

Часть 1. Как рак научились отличать от других болезней и диагностировать

Рак — заболевание древнее. Доказано, что от него страдали дальние родственники людей, жившие в Южной Африке 1,7 миллиона лет назад, и люди современного типа. Одно из древнейших описаний опухолей содержится в египетском папирусе Эдвина Смита, составленном больше 4000 лет назад, — там оно сопровождается комментарием «лечения нет».

Авторство греческого термина, от которого произошло современное название заболевания, приписывают жившему 2500 лет назад греческому врачу Гиппократу; он, по всей видимости, тоже имел в виду исключительно твердые крупные новообразования. Со времен Гиппократа и вплоть до XX века диагностике поддавались только видимые невооруженному глазу опухоли. И лишь в XX веке появились методики, позволяющие диагностировать рак иначе — по внешним изменениям клеток.

  • Клетки нездорового вида

В 1928 году греческий медик Георгиос Папаниколау опубликовал сообщение о перспективном методе диагностики рака шейки матки. Папаниколау научился под микроскопом отличать раковые клетки от нормальных. С 60-х годов XX века Пап-тест (от фамилии Папаниколау) используется почти во всем мире. За время его широкого применения смертность от рака шейки матки снизилась на 50 процентов.

Только в XXI веке у него появились альтернативы — генетические исследования, позволяющие детектировать вирус папилломы человека, связь которого с развитием доброкачественных и злокачественных новообразований шейки матки была открыта много позже разработки Пап-теста.

  • Поиск по молекуле

Следующим шагом в диагностике рака стало обнаружение онкомаркеров — веществ, которые вырабатываются в раковых клетках и либо вовсе отсутствуют в здоровых, либо вырабатываются в гораздо меньших количествах, чем в здоровых.

Открытием онкомаркеров мы обязаны экспериментам, в которых ученые искусственно вызывали рак у грызунов. В клетках индуцированных опухолей обнаружились характерные только для неопластических клеток антигены — вещества, по которым иммунная система распознает чужеродный объект. Первым известным онкомаркером стал альфа-фетопротеин. Открытый в 1944 году в сыворотке крови телят, этот белок отсутствовал в крови взрослых коров. Спустя десятилетие было показано, что он присутствует в опухоли печени — гепатоме, но не встречается в здоровой печени. Это был неидеальный онкомаркер: он вырабатывается не только при раке печени, но и при беременности, неонкологических заболеваниях и повреждениях печени. И тем не менее анализ на альфа-фетопротеин до сих пор используется для диагностики гепатомы.

Позднее были обнаружены десятки веществ, с большей или меньшей избирательностью указывающих на развитие онкологических заболеваний. Одни используют при подозрении на рак, другие — для выявления метастазов, или измерения успеха лечения, или прогноза развития заболевания. Идеальных онкомаркеров, однако, не существует: все они время от времени дают ложноположительные результаты, многие характерны не только для рака, но и для ряда других болезней и состояний. Более точно диагностировать рак позволяют генетические исследования.

  • От хромосомы — к гену

Гипотезу о том, что причиной рака служат патологии хранения и передачи генетической информации, высказали уже в конце XIX века. В это время исследовали процесс клеточного деления, сформировали представление о хромосомах как о носителях генетической информации и описали видимые под микроскопом внешние признаки патологий деления. В 1914 году немецкий зоолог Теодор Бовери, опираясь на исследования морских ежей, высказал гипотезу о том, что причиной развития рака могут быть патологии митоза, приводящие к изменению числа хромосом.

К прорывам в диагностике это, однако, не привело: методы подсчета хромосом были настолько несовершенными, что, когда в 1921 году американский ученый Теофилиус Пейнтер насчитал в соматической клетке человека 48 хромосом, научное сообщество приняло эту цифру без возражений. Ошибку исправили только в 1955 году благодаря новым, более совершенным методам клеточной генетики. Спустя пять лет двое американских биологов, Питер Ноуэлл и Давид Хангерфорд, обнаружили характерную укороченную хромосому в клетках пациентов с хроническим миелоидным лейкозом.

Это открытие укрепило гипотезу о мутациях как главной причине рака. В 1970-х годах ученые продемонстрировали, что филадельфийская хромосома — результат хромосомной мутации, транслокации между 9 и 22 хромосомами; позднее были определены и конкретные гены, которые затрагивает эта мутация, и продукт экспрессии этих мутантных генов — фермент, мутантная версия которого стимулирует деление клеток костного мозга и способствует развитию лейкоза.

Чуть раньше, чем онкогены, участвующие в транслокации при хроническом миелоидном лейкозе, ученые открыли самый первый онкоген — Src, кодирующий тирозин-протеинкиназу, усиленная экспрессия которой приводит к раку прямой кишки. В настоящее время науке известны сотни онкогенов, протоонкогенов, генов-супрессоров опухолей и мутаторных генов, нарушение функции которых влияет на вероятность появления других онкогенных мутаций.

Вместе с падением стоимости и развитием генетических исследований поиск онкогенов и протоонкогенов перешел в клиническую практику. Пожалуй, самый известный генетический анализ такого рода — это исследование мутаций в генах BRCA1 и BRCA2, позволяющее определить наследственную предрасположенность к раку молочной железы, яичников, простаты и некоторым другим видам онкозаболеваний.

Пока молекулярно-генетические исследования остаются дорогими, но их высокая эффективность, в том числе в профилактике рака, позволяет вводить их в программы обязательного медицинского страхования и за рубежом, и в России. Список таких исследований, доступных в клинической практике, постепенно пополняется по мере того, как ученые выявляют новые онкогены и гены-супрессоры опухолей.

В 2000-е годы было запущено несколько масштабных проектов по расшифровке геномов разных видов раковых клеток: проект «Геном рака» (Cancer Genome Project), проводящийся в Wellcome Trust Sanger Institute в Кембридже (Великобритания), и «Атлас ракового генома» (Cancer Genome Atlas), финансируемый Национальными институтами здоровья США. Они собрали огромные массивы данных, в которых ученые ищут характерные для разных типов и подтипов рака мутации: точечные мутации, делеции, инсерции, инверсии, дупликации, транслокации — и выделяют из них те, что действительно влияют на развитие заболевания.

По мере накопления знаний о генетике рака появляются новые диагностические маркеры — и для первичной диагностики, и для составления прогнозов. Первыми зарегистрированными продуктами для прогнозирования результатов терапии с использованием таргетных препаратов в 2017 году стали тест MSK-IMPACT (он ищет изменения в 468 связанных с онкогенезом генах) и тест FoundationOne CDx, в котором оцениваются изменения в 324 онкогенах.

Часть 2. Как сейчас диагностируют рак

Как правило, диагностика рака начинается с того, что пациент приходит к врачам с жалобами. Изредка рак обнаруживают при регулярных обследованиях — например, при плановой диспансеризации или когда пациенты, знающие о наследственном высоком риске, проходят рекомендованный скрининг. Но чаще диагностика начинается тогда, когда заболевание уже имеет симптомы, и врачи отталкиваются именно от них.

Шаг 1. Визуализация.

Предположим, что симптомы позволили локализовать проблему: например, у пациента есть заметная деформация молочной железы или частый кашель с кровью. Тогда врач назначает обследование, которое позволит увидеть опухоль. Молочную железу исследуют с помощью УЗИ, легкие — с помощью рентгеновского излучения, то есть обычного снимка или томографии.

На рентгеновских снимках можно увидеть не все новообразования, а только достаточно крупные и не скрытые плотными тканями. Для визуализации тех, что не удовлетворяют этим критериям, используют позитронно-эмиссионную томографию. Суть метода сводится к тому, что в организм вводят препарат, который активнее, чем в здоровых клетках, метаболизируется в раковых.

Препарат снабжают изотопной меткой — часто используются фтор-18, углерод-11, азот-13, кислород-15. Через некоторое время кванты излучения, характерные для распада изотопных меток в живых тканях, регистрируют с помощью детекторов. Участки повышенной концентрации меток могут указывать на скопление раковых клеток. Но для того, чтобы поставить точный диагноз, нужно изучить сами клетки.

Шаг 2. Биопсия и исследование материала

Забор образцов тканей для исследования — всегда инвазивная процедура. Это может быть биопсия, в ходе которой опухоль удаляется полностью или частично, пункция — когда материал получают, вводя иглу в тело пациента. В некоторых случаях достаточно мазка или смыва.

Первым делом исследуют гистологию образцов. Технологии, которые применяются на этом этапе, мало изменились с позапрошлого столетия: образец обезвоживают, пропитывают парафином, нарезают парафиновый блок специальным ножом-микротомом на очень тонкие (в несколько микрометров толщиной) пластины, срез окрашивают и отправляют под микроскоп.

Глядя в микроскоп, патологоанатом может с большой надежностью отличить доброкачественное новообразование от злокачественного, распознать метастаз, определить разновидность опухоли. Иногда подключают более новые технологии — например, окрашивание специальными флуоресцентными маркерами. Такие окрашивания позволяют без секвенирования ДНК клетки сделать выводы о том, как опухоль отзовется на разные виды терапии.

Шаг 3. Разобрать на гены и молекулы

Молекулярно-генетический анализ — самый точный инструмент в руках онколога. Он позволяет оценить риск развития рака, найти мишени для таргетной терапии, подобрать подходящее лечение или составить прогноз — например, узнать, насколько вероятен рецидив заболевания и стоит ли к нему готовиться.

Благодаря современным технологиям мы можем получать информацию об активности отдельных генов, находить изменения в конкретных генах или во всей ДНК, выделять и измерять отдельные, связанные с развитием рака вещества, которые вырабатываются в клетке.

В числе самых популярных молекулярно-генетических исследований обычно называют тест на экспрессию генов, кодирующих рецепторы стероидных гормонов. По его результатам врачи принимают решение о том, следует ли назначать пациенту гормональную терапию. Перед назначением иммунотерапии мелкоклеточного рака легкого, например, проводят анализ на белок PD-L1: если раковые клетки вырабатывают его, у иммунной системы мало шансов на победу.

Часть 3. Технологии диагностики и профилактики рака — залог победы над онкологическими заболеваниями

Молекулярно-генетические исследования позволяют врачам более точно диагностировать онкологические заболевания. Большие проекты изучения геномов раковых клеток показали, что рак одного и того же органа может существовать в сотнях и тысячах вариантов. Одни лучше реагируют на иммунотерапию, другие — на химио-, лучевую или гормональную терапию. Одни опухоли реже рецидивируют после повышенных доз облучения, другим достаточно небольших доз, третьи хорошо реагируют на комбинацию с другими видами лечения.

Чем больше данных используется в онкологии и вообще в медицине, тем меньше можно полагаться на ресурсы врачей и тем острее потребность в инструментах для хранения и обработки информации. Один из них сейчас разрабатывается в научном центре мирового уровня «Цифровой дизайн и персонализированное здравоохранение». Это цифровая платформа, в которую войдут система интраоперационной диагностики, дистанционная система постоянного мониторинга пациента и биостатическая платформа для ранней диагностики онкологических заболеваний.

В платформе будут собраны генетические профили опухолей и программное обеспечение, позволяющее предсказывать эффективность лечения. В ее тестировании приняло участие больше 700 человек, в планах создателей проекта довести это число до 10 000.

Кроме того, в последнее десятилетие все чаще звучат разговоры о необходимости создания не просто баз данных пациентов — цифровых аналогов больничных карт, а полноценных цифровых двойников живых людей.

Если в цифровых двойниках машин, например турбин самолетов, записывается информация о заводских настройках, результатах испытаний и обо всем, что происходит с машиной, то в двойнике пациента должна храниться информация о результатах генетических исследований и других анализов, вся история болезни, анамнез, данные о родственниках и факторах риска. На основе таких двойников однажды можно будет составлять долгосрочные прогнозы, рекомендовать обследования и назначать персонализированное лечение.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Запасаемся впрок

Как устроены технологии хранения энергии

В 2021 году возобновляемые источники — ветер и солнечная энергия — обеспечили рекордные 10 процентов в мировой выработке электроэнергии. К 2026 году их совокупная мощность может увеличиться более чем на 60 процентов. Но отказаться от ископаемого топлива все еще не так просто. Если нефть и газ стабильно обеспечивают нас энергией, то, например, выработка гидро-, солнечных и ветряных электростанций во многом зависит от погодных условий. Устранить этот недостаток могут системы накопления и хранения энергии. Вместе с научно-просветительской платформой Homo Science рассказываем, какими они бывают.