Słaby punkt nowotworu: co mogą nowoczesne terapie

To, co działa u drożdży, działa też u słonia”, przekonywał noblista prof. Tim Hunt trzymając w ręku kufel piwa. Rozmowa miała miejsce na przyjęciu inaugurującym sympozjum doktorantów w Europejskim Laboratorium Biologii Komórki w 2008 r. w Heidelbergu w Niemczech. W tamtych, nieodległych czasach pracujący na laboratoryjnych szczepach drożdży piekarskich naukowcy, w których gronie też się znalazłam, patrzyli trochę z góry na swoich kolegów eksperymentujących z ludzkimi hodowlami komórkowymi.

Bo techniki manipulowania genomem drożdży doskonale znano od wielu lat, natomiast wprowadzanie zmian genetycznych w ludzkich komórkach w warunkach laboratoryjnych było wtedy niezwykle żmudne i często nieprzewidywalne. Ale zgodnie z tezą prof. Hunta miało się to wszystko wkrótce zmienić.

Co zabija muszki

W pierwszej dekadzie XXI w. „drożdżowi” naukowcy prowadzili w laboratoriach badania na skalę całego genomu. Wykorzystywali do tego roboty służące do manipulowania setkami kolonii drożdży równocześnie. Na kilku szalkach laboratoryjnych, pod postacią równiutko ułożonych białych kropek, kryły się drobne kolonie drożdży, z których każdej brakowało jednego szczególnego genu. Przy pomocy robotów naukowcy krzyżowali ze sobą te kolonie i obserwowali efekty, jakie powoduje „wyłączenie” w komórkach kilku genów równocześnie. Biolodzy pracujący na ludzkich hodowlach komórkowych mogli wtedy tylko marzyć o takich eksperymentach. Dopiero opracowana w 2012 r. przez Jennifer Doudna i Emmanuelle Charpentier technologia CRISPR/Cas9 doprowadziła do przełomu – pozwoliła na podobne manipulacje w DNA człowieka. Na spotkaniach integracyjnych doktoranci od ludzkich komórek zaczęli wyżej nosić głowy.

Ich narzędzia nie były jeszcze tak doskonałe jak w przypadku drożdży, ale prowadzone przez nich badania wpisywały się w nurt „medycyny translacyjnej” – tzn. miały przełożenie na potencjalne przyszłe terapie, m.in. onkologiczne. Otwarte zostały drzwi do badania zależności między genami i wpływu mutacji więcej niż jednego genu na przeżywalność komórek. W projektowaniu nowych leków zaczęto bowiem wykorzystywać zjawisko tzw. syntetycznej letalności, wcześniej znane ze świata drożdży.

Pierwszy raz to zjawisko zaobserwowano w innym organizmie – u larw muszek owocowych w laboratorium amerykańskiego genetyka Calvina Bridgesa. Działo się to równo sto lat temu. Bridges zauważył, że mutacje niektórych genów były śmiertelne u potomstwa muszek, podczas gdy rodzice z pojedynczym zmutowanym genem rozwijali się normalnie. Podobnych obserwacji dokonał u innego gatunku muszek Theodosius Dobzhansky w 1946 r. I to on określił tego typu zależności terminem „syntetycznej letalności”. Pierwsza celowana terapia onkologiczna oparta o to zjawisko trafiła do pacjentów biorących udział w badaniu klinicznym dopiero w 2005 r., a kolejne dziesięć lat trzeba było czekać na dopuszczenie pierwszego leku przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA).

Samolubne geny

Zgodnie z pierwotną definicją syntetyczna letalność polega na kombinacji dwóch zmian genetycznych, prowadzących do śmierci komórki, w sytuacji, gdy każda z osobna nie powoduje takiego efektu. Nieco ponad 20 lat temu ukuto rozszerzoną definicję tej koncepcji. Zgodnie z nią w skład pary syntetycznie letalnej wchodzi produkt genu zmutowanego w komórkach nowotworowych oraz produkt drugiego genu, który może być celem leku. Podanie leku będzie wówczas skutkowało śmiercią wyłącznie komórek nowotworowych, zdrowe komórki pozostają nietknięte. I to właśnie stanowi największą przewagę syntetycznej letalności nad chemioterapią czy wcześniejszymi terapiami celowanymi, które nie pozostawały bez wpływu na cały organizm pacjenta.

Nowotwór w zdecydowanej większości przypadków to choroba genomu komórek. Polega na tym, że w komórkach dochodzi do wielu mutacji oraz innych zmian, które akumulują w czasie i sprawiają, że podziały komórkowe wymykają się spod kontroli. Komórki nowotworowe zachowują się „samolubnie” – krótkowzrocznie dbają tylko o własne dobro i własne potomstwo, nie licząc się z dobrem całego organizmu. Przestają być jego integralną częścią – organizm staje się dla nich środowiskiem życia, z którego można agresywnie pozyskiwać zasoby. Kosztem wszystkich innych komórek.

Pacjenci, u których taka terapia zadziałałaby najlepiej, mogą być wyselekcjonowani na podstawie profilu genetycznego. Największym wyzwaniem pozostawało odnalezienie wśród tysięcy ludzkich genów par syntetycznie letalnych.

Zgodnie z proroczym zdaniem Tima Hunta, badania u drożdży dostarczyły ważnych informacji na temat zależności genetycznych odpowiadających za podstawowe funkcje życiowe komórek „drożdży i słonia”. Jednak drożdżowy genom jest skromniejszy niż ludzki, a drożdże to jednokomórkowce – dlatego dalsze badania, i z użyciem nowych technik, musiały być prowadzone na komórkach ludzkich. Głównie – na „nieśmiertelnych” (zdolnych do nieskończenie wielu podziałów) liniach komórek wyizolowanych z guzów pacjentów onkologicznych. Najbardziej znaną z nich jest linia HeLa – oparta na komórkach raka szyjki macicy Henrietty Lacks, 31-letniej Amerykanki zmarłej w 1951 r.

Projekt Achilles

W drugiej dekadzie XXI w. znacznie uproszczono i zautomatyzowano techniki wyłączania genów m.in. przy pomocy molekularnych „nożyczek” CRISPR/Cas9. Wtedy pełną parą ruszyły wielkie projekty realizowane przez dziesiątki naukowców w ramach konsorcjów farmakologicznych i ośrodków akademickich. Najważniejszy i jak dotąd największy z nich został symbolicznie nazwany Projektem Achilles – co miało nawiązywać do poszukiwania słabego punktu nowotworu.

Celem tego badania przeprowadzonego przez Instytut Broad (współpraca między Massachusetts Institute of Technology a Uniwersytetem Harvarda) było skonstruowanie możliwie dokładnej mapy zależności genetycznych w komórkach nowotworowych pochodzących z różnych tkanek. Otrzymane wyniki badań eksperymentalnych są stale gromadzone w bazach danych i analizowane przez naukowców w poszukiwaniu odpowiednich par genów wykazujących zjawisko syntetycznej letalności. Najlepiej, jeśli ta para składa się z mutacji genetycznej, która jest szeroko rozpowszechniona w różnych typach nowotworów, oraz genu, którego produkt wykazuje jasno zdefiniowaną aktywność, dającą się łatwo zahamować przy pomocy cząsteczki chemicznej leku. Obecnie szacuje się, że naukowcy znaleźli około 1000 takich zależności genetycznych, w prawie 800 liniach komórkowych odpowiadających 42 różnym typom nowotworów.

Pierwszą skuteczną terapię onkologiczną opartą o syntetyczną letalność zastosowano w leczeniu nowotworu jajnika u kobiet z mutacją genów BRCA1/BRCA2. Nosicielką tej dziedzicznej zmiany genetycznej jest m.in. Angelina Jolie, która poddała się prewencyjnej operacji usunięcia piersi i jajników w obawie przed rozwojem nowotworów. Terapia polega na zablokowaniu działania białka PARP.

Białka PARP, BRCA1 i BRCA2 wchodzą w skład komórkowej maszynerii odpowiedzialnej za naprawę zniszczeń w nici DNA. Podczas rozwoju niektórych nowotworów geny takie jak BRCA1/BRCA2 są zmutowane i niefunkcjonalne, co ogranicza naprawę DNA w komórkach nowotworowych wyłącznie do działania białka PARP. Jeśli zablokujemy białko PARP (użyjemy tzw. inhibitora tego białka), możemy sprawić, że naprawa DNA przestanie w ogóle działać, a komórki rakowe nie będą mogły się dzielić w nieskończoność. Taka terapia w dużej mierze oszczędza zdrowe komórki pacjenta.

Obecnie kilka takich leków jest już wykorzystywanych w terapiach. Inhibitory PARP wykazują większą efektywność w przypadku nowotworów jajnika niż w raku piersi, co jest przedmiotem dalszych badań. Niestety w testach klinicznych zaobserwowano także oporność na hamowanie białka PARP rozwijającą się w miarę stosowania terapii. Prowadzi do tego wiele mechanizmów molekularnych, dlatego obecnie szuka się jeszcze innych genów syntetycznie letalnych z mutacjami BRCA1/BRCA2, względem których mogą być rozwijane inne leki.

Historia walki z rakiem

W 2016 r. ukazało się kilka prac naukowych opisujących zależność syntetycznie letalną w nowotworach, których komórkom brakuje części genomu – fragmentu chromosomu 9. Okazało się, że jednym z utraconych genów jest MTAP, kodujący ważny dla działania kilku innych białek enzym metaboliczny. U pacjentów z takimi nowotworami te białka częściowo tracą swoją aktywność. Całkowite jej zachowanie za pomocą leku prowadzi do śmierci komórek nowotworowych, podczas gdy te zdrowe pozostaną nietknięte. Szacuje się, że utrata tego istotnego fragmentu chromosomu 9 zachodzi u aż 10-15 proc. wszystkich pacjentów onkologicznych, często cierpiących na bardzo trudne w leczeniu nowotwory płuc, trzustki czy mózgu. Dlatego prowadzi się obecnie intensywne badania naukowe nad wynalezieniem leków celujących w nowotwory z utratą genu MTAP. Wyniki eksperymentów laboratoryjnych wyglądają obiecująco i pierwsze cząsteczki są już podawane pacjentom w badaniach klinicznych, ale na ich wyniki musimy jeszcze poczekać.

W przeszłości nowotwory usuwano głównie za pomocą interwencji chirurgicznych. Pierwsze udane terapie nieinwazyjne rozpoczęły się wraz z wprowadzeniem promieniowania radu na przełomie XIX i XX w. – naświetlanie komórek nowotworowych uszkadza ich geny, dzięki czemu część z nich przestanie się dzielić. Kolejny duży postęp nastąpił ponad cztery dekady później, wraz z rozwojem chemioterapii w latach 40. XX w. Chemioterapia to zestaw specyficznych leków niszczących szybko dzielące się komórki. Należą do nich komórki nowotworowe, co decyduje o skuteczności tej metody leczenia – ale nie tylko one. Stąd silne niekorzystne efekty uboczne u pacjentów.

Terapie celowane po raz pierwszy wprowadzono w latach 80. XX w. Tego typu leki precyzyjnie atakują konkretne białka w komórkach nowotworowych, co znacznie poprawiło bezpieczeństwo pacjentów. Końcówka XX w. i początek obecnego stulecia należały do immunoterapii, która mobilizuje własny układ odpornościowy pacjenta do walki z nowotworem. Bez tej mobilizacji komórki nowotworu oszukują komórki odpornościowe – „przedstawiają im się” jak typowe, zdrowe komórki, a nie buntownicy.

Syntetyczna letalność z pewnością w najbliższych latach będzie odgrywać coraz ważniejszą rolę w onkologii, zwłaszcza w przypadku nowotworów trudnych w leczeniu standardowymi metodami. Poszukiwania „pięt achillesowych” komórek rakowych odbywać się będą głównie w laboratoriach firm farmaceutycznych, które dysponują największą ilością danych o nowotworach – i olbrzymimi funduszami. ©