Istraživači sa Univerziteta Johns Hopkins i drugih institucija izvještavaju da novi laboratorijski test koji potiče ćelije raka da se proguraju kroz uske prostore ima potencijal da precizno predvidi koji će se karcinom dojke i drugi solidni tumori vjerovatno širiti ili metastazirati, na druge stranice. Test bi, kažu, također mogao pomoći kliničarima da odaberu najbolje lijekove za sprječavanje širenja raka.
Tim je dobio patent Sjedinjenih Država na testu, nazvanom Microfluidic Assay za kvantifikaciju ćelijske invazije (MAqCI), koji koristi uređaj za procjenu tri ključne karakteristike metastaza: sposobnost ćelija raka da se kreću, da se komprimiraju u kako bi ušli u uske kanale i proliferirali. U laboratorijskim eksperimentima, uređaj MAqCI precizno je predvidio metastatski potencijal ćelijskih linija raka dojke i tumora dobijenih od pacijenata uzgojenih na životinjama u većini uzoraka.
Opis eksperimenata je objavljen online u trenutnom broju časopisa Nature Biomedical Engineering.
Dok su potrebne dodatne studije da bi se potvrdile i proširile mogućnosti testa, istraživači su ohrabreni njihovim dosadašnjim rezultatima, kaže viši autor studije dr Konstantinos Konstantopulos, profesor kemijskog i biomolekularnog inženjerstva William H. Schwarz na Johns Hopkins Whiting School of Engineering i član Johns Hopkins Kimmel Cancer Center programa za invaziju i metastaze raka. Konstantopulos je takođe profesor biomedicinskog inženjeringa i onkologije na Johns Hopkinsu, i glavni je istraživač Instituta Johns Hopkins za nanobiotehnologiju.
Izazov predviđanja kod kojih pacijenata sa rakom dojke će razviti metastaze - obeležje bolesti opasne po život - može dovesti do preteranog lečenja pacijenata sa benignim bolestima, kao i neadekvatnog lečenja agresivnijih karcinoma, kaže on."Kada se u tijelu pacijenta otkrije kvržica, liječnik može utvrditi je li masa benigna ili maligna putem biopsije, ali ne može sa sigurnošću reći hoće li maligni tumor biti vrlo agresivan i metastazirati na druge lokacije, " kaže Konstantopulos.
Trenutne tehnologije za predviđanje ili rano otkrivanje metastaza raka dojke oslanjaju se na profilisanje ekspresije gena i mjerenje cirkulirajućih tumorskih ćelija (CTC) ili cirkulirajuće DNK tumora (ctDNA) koje izlučuju ćelije raka. Ali do trenutka kada se CTC otkriju, pacijenti mogu imati ograničen životni vijek, kaže Konstantopulos. Testovi ekspresije gena mjere nivoe ekspresije podskupa gena povezanih sa određenim karcinomima kako bi se predvidela prognoza. Međutim, malo je vjerovatno da će jedan laboratorijski test biti efikasan za sve pacijente s obzirom na to da progresija raka dojke može biti uzrokovana mutacijama gena na različitim biološkim putevima, na različitim kontrolnim točkama unutar istog puta, ili čak zbog različitih promjena unutar istog gena, On kaže. Osim toga, ćelije unutar svakog tumora su veoma raznolike, a dokazi sugeriraju da je samo mali dio ćelija unutar primarnog tumora sposoban da formira metastaze.
Štaviše, on kaže: "Iako tečne biopsije ili mjerenja cirkulirajuće DNK tumora mogu biti vrlo dobri u praćenju pacijentovog odgovora na terapiju nakon što je primijenjena, oni ne pružaju način da pomognu liječnicima da odaberu optimalne lijekove za sprječavanje širenja."
U pokušaju da razviju test metastatskog potencijala koji bi popunio neke od ovih praznina i koristio se u kombinaciji sa trenutnim tehnologijama, istraživači su iskoristili donekle slučajan nalaz, kaže Konstantopulos. Dok su on i njegove kolege proučavali kretanje nemetastatskih ćelija raka dojke kroz projektovana okruženja koja se sastoje od kanala u obliku slova Y različitih dimenzija, primetili su da ove ćelije ne mogu da uđu u uže delove uređaja. „Sposobnost kretanja i deformacije kako bi ušle u uske prostore potrebna je metastatskim tumorskim ćelijama da bi se mogle kretati od primarnog tumora do udaljenog mjesta u pacijentovom tijelu, dok je nekontrolirani rast također potreban da ćelije koloniziraju udaljene maramice."
Dimenzije mikrokanala u obliku slova Y su odabrane da oponašaju aspekte složenosti i raznolikosti površina poprečnog presjeka tragova tkiva koji se nalaze u ili duž različitih lokacija u tijelu, kao što je u fibrilarnom intersticijskom tkivu; u nervima, mišićima ili epitelu; u koštanim šupljinama; i u mozgu. MAqCI uređaj se postavlja na scenu invertiranog mikroskopa koji ima mogućnosti snimanja faznog kontrasta i fluorescencije i povezan je sa računarom. Migracija ćelija se prati u realnom vremenu putem fazne kontrastne mikroskopije sa vremenskim odmakom.
Za trenutnu studiju dokaza o principu, Konstantopoulos i kolege prvo su uzeli ćelije iz 25 različitih ćelijskih linija raka dojke kod ljudi i stavili ih u uređaj, otkrivši da ćelijske linije raka dojke za koje je već poznato da su metastatske imaju veću od praga procenta ćelija koje su mogle da se komprimuju i uklapaju kroz uže kanale u uređaju i stoga imaju veći potencijal za metastaze. Utvrđeno je da je granični procenat 7% migratornih ćelija. Uređaj je bio 96% tačan u predviđanju metastatskog potencijala među različitim uzorcima ćelija raka dojke, u poređenju sa komercijalno dostupnim testom, koji je bio 72% tačan među istim ćelijskim linijama.
Kada su istraživači dodali dodatni element - mjerenje proteina nazvanog Ki-67 koji se nalazi u jezgru ćelija koje se aktivno razmnožavaju - to je povećalo sposobnost uređaja da predvidi potencijal migracije/metastata na 100% njihovih uzoraka.
Dalje, izolovali su ćelije sa velikom stopom migracije kroz MAqCI kanale - ćelije za koje se veruje da iniciraju metastaze - da vide da li su metastatskije od roditeljske populacije ćelija raka koje nisu posebno izolovane zbog metastatskih svojstava (tako da nazvane "nesređene" ćelije). Ubrizgali su dvije populacije stanica u miševe i otkrili da, iako su obje stanične populacije formirale tumore, 4 od 8 miševa kojima su ubrizgane migratorne stanice razvilo su metastaze u kosti nakon osam sedmica, što je uobičajeno mjesto metastaza raka dojke, dok nijedan miš nije ubrizgan nesortiranim ćelije metastazirale na ovo tkivo. Miševi kojima su ubrizgane migratorne ćelije razvili su metastatske tumore u plućima i jetri koji su bili osam puta veći od onih pronađenih kod miševa kojima su ubrizgane nesortirane ćelije.
Da bi dalje ispitali koji faktori doprinose povećanom metastatskom potencijalu migratornih ćelija, istraživači su uporedili karakteristike ovih ćelija sa nemigracionim ćelijama, otkrivši da su one više izdužene i kretale se većom brzinom i postojanošću. Proučavajući RNK iz svake vrste ćelija, istraživači su otkrili da, u poređenju sa heterogenom nesortiranom populacijom, migratorne ćelije imaju promene u ekspresiji gena u višestrukim signalnim putevima koji se odnose na preživljavanje i migraciju ćelija.
Sljedeće, uporedili su metastatski potencijal četiri dodatne ljudske ćelijske linije raka dojke kako je predvidio MAqCI sa stvarnim ponašanjem ovih tumorskih ćelija implantiranih u žive miševe i potvrdili MAqCI tačna predviđanja.
U dodatnim eksperimentima, istraživači su proučavali dva dobro okarakterizirana uzorka tumora (HCI-001 i HCI-002) od pacijenata sa metastatskim trostruko negativnim karcinomom dojke. Ove ćelije – kojima nedostaju tri najčešća receptora koji promovišu rast karcinoma – uspele su da migriraju kroz kanale u uređaju MAqCI, a takođe je otkriveno da imaju nivoe Ki-67 ćelija u skladu sa metastatskom bolešću, što ukazuje da je uređaj pronašao da su oba uzorka metastatska.
Konačno, istraživači su testirali sposobnost MAqCI da predvidi efikasnost potencijalnih terapija koje inhibiraju pokretljivost ćelija. Proučavali su lijekove trametinib, odobrene od strane FDA za melanome, i BKM120, PI3K inhibitor koji je podvrgnut studiji u kliničkim ispitivanjima za rak dojke. Tim je otkrio da je trametinib efikasan u smanjenju procenta migratornih ćelija u tri trostruko negativne ćelijske linije raka dojke s visokim metastatskim potencijalom. Međutim, drugi lijek, BKM120, smanjio je postotak migratornih stanica u samo dvije od ove tri ćelijske linije i zapravo povećao migratornu sposobnost ćelija u trećoj ćelijskoj liniji, za koju su istraživači otkrili da je posljedica različitih genskih mutacija u svakoj od ćelijske linije - čest zbunjujući faktor u liječenju raka.
"Ovo otkriće ilustruje različite odgovore tumorskih ćelija na različite lekove i zašto su nam potrebni načini da dalje subklasifikujemo tumore izvan klasične molekularne aktivnosti poput trostruko negativnih, HER2, itd.," rekao je Konstantopulos.
Ako dodatne studije potvrde mogućnosti MAqCI testa, mogao bi se koristiti za praćenje migratornih i proliferativnih tendencija ćelija izolovanih biopsijom ili uklonjenog raka dojke ili drugog solidnog tumora, rekao je tim.
Koautori studije bili su Christopher L. Yankaskas, Colin D. Paul, Panagiotis Mistriotis, Daniel J. Shea, Kristen M. Manto i Andreas C. Chai iz Johns Hopkinsa; Keyata N. Thompson, Michele I. Vitolo, Aikaterini Kontrogianni-Konstantopoulos i Stuart S. Martin sa Medicinskog fakulteta Univerziteta Maryland; Ankit Mahendra i Navin Varadarajan sa Univerziteta u Hjustonu; i Vivek K. Bajpai sa Univerziteta Stanford.
Rad je podržao Nacionalni institut za rak kroz grantove R01-CA183804, R01-CA216855, R01-CA154624, R01-CA174385 i K01-CA166576; Institut za prevenciju i istraživanje raka u Teksasu (CPRIT) grant RP180466; nagrada Melanoma Research Alliance 509800; Programi medicinskih istraživanja vođenih Kongresom (CDMRP) grant CA160591; i grant Ministarstva odbrane W81XWH-17-1-0246. Vitolo je podržan od strane američkog stipendije za istraživanje raka, RSG-18-028-01-CSM.
