За версту видно
Откуда мы знаем, что рак — это рак
Эдуард Кацман, N+1
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.
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.
ПАП-тест. Wikimedia commons
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.
Злокачественные образования (мезотелиомы) на компьютерной томограмме. Wikimedia commons
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.
Клетки аденокарциномы простаты. pathology.jhu.edu
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.
Иммуногистохимическое исследование образца ткани, содержащего клетки аденокарциномы лёгкого. Wikimedia commons
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.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru