Олег Стасик

Доповідь прочитана на міждисциплінарному семінарі «Обрії науки» 2 лютого 2017 року в Українському Католицькому Університеті.

Автор – старший науковий співробітник, завідувач відділу сигнальних механізмів клітини, заступник директора з наукової роботи Інституту біології клітини НАН України

 

 

Пошуки відповіді на запитання «Чи можемо ми подолати рак?» я хотів би розпочати з питань еволюції людини. Адже якщо хочемо знати, що таке людина, нам потрібно знати її історію як суспільного організму та передісторію, себто біологічне походження. Тільки тоді ми зрозуміємо, хто ми такі і що таке наші хвороби.

 

За Дарвіном, батьком еволюційної теорії, еволюція – це успадкування генетичних ознак із модифікаціями, а її рушієм є природній відбір. Він стосується організмів різних видів, різних класів – але також він стосується і феномену раку, який, на превеликий жаль, без запрошення поселяється у нашому організмі.

 

Еволюція має механізм, але не має мети. Це важливо, бо механізм природного відбору, що зберігає чи відкидає спадкові мутації, – це лише механізм; а якби в еволюції була мета, то відбувалося б поступове становлення досконалого організму. Але людина, яку ми помилково зображаємо на вершині еволюційного дерева, не є досконалою, вона має багато хвороб і спадкових недоліків, записаних у нашому геномі.

 

Геном нашого виду Homo sapiens складається приблизно з 22 тисяч генів. Колись, до початку ери геноміки, вчені припускали, що їх буде більше. Одноклітинні дріжджі, наприклад, мають шість тисяч генів. А ми маємо 22 з певними ускладненнями і модифікаціями. І саме в цих генах відбуваються мутації, які роблять нас хворими – інколи на таку страшну хворобу, як рак.

 

На мою думку, важливими для розуміння причин виникнення цієї недуги є декілька тверджень. Передусім, людина є недосконалим і фактично гомогенним (приблизно 70 тисяч років тому нас було дуже мало, через що ми дуже подібні, незалежно від місця народження) біологічним видом зі своїм специфічним еволюційним генетичним багажем. Тобто, все, що відбувалося з нами, з нашими предками, предками предків мільйони років тому, записано в нашому геномі і впливає на стан нашого здоров’я сьогодні.

 

По-друге, глобальне поширення та різноманітні адаптації до нових умов людини засвідчують, що вид Homo sapiens є прикладом неймовірного еволюційного успіху, який у багатьох випадках мав суто біологічну природу. Йдеться про вироблення резистентності до збудників недуг (наприклад, малярії або сонної хвороби), адаптацію до високогір’я (певні мутації дозволяють людям, зокрема в Тибеті, дихати розрідженим повітрям) або пристосування до арктичного клімату (так мутації мітохондрій в ескімосів краще перетворюють енергію молекул АТФ на тепло).

 

Однак низка наших колись корисних адаптацій є непотрібними чи навіть шкідливими в умовах індустріалізованого суспільства. Насамперед можна навести приклад діабету другого типу, на який хворіємо, тому що мало рухаємося і харчуємося надто калорійною їжею. Сюди належить і рак, бо має природу і генетичну (схильність до хвороби переходить із покоління в покоління), і набуту (тобто залежить від середовища).

 

Коли ж він (рак) виник як хвороба в еволюційному сенсі?

 

Еволюційний годинник показує, як життя розвивалося на планеті Земля впродовж чотирьох з половиною мільярдів років, виражених як одна година

 

Біологічний годинник еволюції за годину показує чотири з половиною мільярди років існування Землі. На ньому видно, що життя як феномен з’явилося на планеті дуже швидко, вже через півмільярда років її існування – ми можемо це простежити по перших біогенних породах, ізотопах тощо. Але майже до двох мільярдів років тому (умовно до 8 години) перші організми існували як одноклітинні, як бактерії. Потім в атмосфері накопичується побічний продукт їх фотосинтезу – кисень, і за еволюційниим мірками дуже швидко з’являються клітини з ядром – сучасні евкаріоти (наші предки), також швидко з’являються перші багатоклітинні організми.

 

Тож на якому етапі з’явився феномен злоутворів – рак? Очевидно, що в одноклітинних організмах його не було. Рак – це спосіб існування одних клітин за рахунок інших, це хвороба, коли популяція клітин, що починається з однієї хворої (про існування якої ми ще не здогадуємося), виходить з-під контролю. Тобто рак з’явився разом із багатоклітинними організмами приблизно два мільярди років тому.

 

Як підтвердження сказаного, 2016 року в журналі Nature Communications опублікували дослідження, в якому описано, що ті ж гени, що зараз викликають рак у людини, були важливими в процесі трансформації одноклітинних організмів, зокрема водоростей, в багатоклітинні, і без них цього процесу не відбувалося би.

 

Різні  типи організмів та їхня схильність до раку. Червоним позначені ті класи організмів, у яких відомі випадки захворювання на рак, жовтим – ті, в яких відомі захворювання, подібні на рак, зеленим – організми, в яких випадки захворювання на рак і подібні недуги (поки що) не виявлені

 

Багато вчених сподівалися, що в тварин, які швидко регенерують (у школі всі читали про гідр чи ящірок, що відрощують цілі органи, щупальця, хвости), раку немає, і від них вдасться навчитися, як лікувати цю хворобу в людини. Але глянувши на представників різних видів живих організмів, розуміємо: рак або близькі до раку хвороби трапляються і в рослин, і в грибів. Він маловідомий в окремих класів дуже примітивних багатоклітинних тварин, але починаючи з риб, навіть у гідри й восьминога, він трапляється. У червів його поки що не виявлено, та загалом рак виникає у всіх хребетних, в тім числі у нас, ссавців. Він, очевидно, був і в динозаврів.

 

У багатоклітинному організмі є п’ять основних принципів співжиття клітин (байдуже, тварина це чи рослина). Перший – це контрольована клітинна смерть: хто мусить, має померти. Другий – це зв'язок із позаклітинним середовищем, правильна реакція кожної клітини на певний подразник. Суть третього принципу в розподілі праці, тобто диференціації (спеціалізації) клітин за різними функціями. Алокація ресурсів, що є четвертим принципом співжиття, означає: клітина використовує лише ті ресурси, які доступні та призначені для неї у межах організму. Останній, п’ятий принцип – контрольованої проліферації – поділ і розмноження лише до певного порога.

 

Коли ж розвиваються ракові клітини, відбувається дисрегуляція диференціації (клітина не виконує призначеної їй функції), монополізація ресурсів (клітина починає їсти те, що їй хочеться), вихід з-під контролю зовнішніх регуляторів і неконтрольована проліферація (ті фактори, що зупиняють проліферацію для нормальних клітин, перестають діяти); уникнення механізмів клітинної смерті. Тобто ракова клітина – це та, в якій порушені всі п’ять правил нормального співіснування клітин. Це також означає, що в ній відбувається багато генетичних змін – мутацій, які власне спричиняють рак. Важливо розуміти, що рак без мутацій неможливий, бо ця хвороба порушує всі правила, які природа заклала для співіснування індивідуальних клітин у багатоклітинному організмі.

 

Рак проходить певні стадії розвитку. Починається завжди з однієї клітини, яка має мутації. Потім розвивається гіперплазія, дисплазія, локалізована в певній тканині форма раку. І потім, коли вже пухлину оточують додаткові тканини і кровоносні судини, рак може розповсюджуватися. Кожна наступна стадія розвитку хвороби зазвичай супроводжується новими мутаційними змінами у злоякісних клітинах, підвищуючи її агресивність. Саме метастази вбивають організм.

 

Крім цього, у процесі відбувається так звана клональна селекція. У маленькій пухлині є мільйони ракових клітин. І вже в ній вони підлягають еволюції (відбору за певними ознаками) й можуть відрізнятися одна від іншої. За більш агресивної форми чи стадії раку пропорції цих клітин змінюються. Серед них можуть бути такі, які викликають метастази, або такі, що нечутливі до дії певного лікарства. Це означає, що в одного пацієнта ми, ймовірно, повинні лікувати не одну хворобу, а десять. Ці клітини вже відрізняються за своїм генетичним складом, набором мутацій. Вони можуть мати спільні вихідні мутації, але загалом ці клітини різні. Тож і лікувати їх потрібно по-різному – завдання поки що недосяжне для більшості протипухлинних терапій, які зараз використовуються у клініці.

 

Саме цим можна пояснити неуспішність однотипного лікування чи монотерапії раку, коли частина клітин після лікування виживає. Існує також пряма математична залежність між кількістю клітин у пухлині й тим, скільки може бути (нових) мутацій у їхньому геномі. Тобто що пізніше діагностувати пухлину, то складніше її лікувати, бо в ній збільшується кількість гетерогенних клітин із різною комбінацією мутацій та ознак.

 

Вчені, які досліджують лікування раку, були дуже засмучені, коли його виявили в такого організму, як гідра, чи в губок. Здається, простішого організму, ніж гідра, не знайти, – але вже в її низькоспеціалізованих тканинах виникає рак. Також хворобу помітили в коралів – тварин, що живуть колоніями в мілких зонах тропічних океанів. Тож це означає, що рак виникає вже у  дуже простих організмів, які не мають багато диверсифікованих органів і типів клітин.

 

Вже у простих багатоклітинних організмів, таких як гідра, спостерігаються випадки виходу проліферації клітин з-під контролю організму – тобто злоякісні новотвори, рак

 

Акули не хворіють на рак? – ні, це хибний міф. У Сполучених Штатах Америки (в Україні, певно, не в таких масштабах) існував мультимільйонний доларовий ринок продуктів з хрящів акули – мовляв, вони лікують від раку. Але це не так: акули хворіють на рак, просто часто не доживають до пізніх стадій, які помітні неозброєним оком. А препарати з хряща, які фізично зупиняють ріст пухлини, бо у великих концентраціях гальмують розвиток кровоносних судин, на людський організм ніяк не діють, їх ефективність не доведена науково.

 

Натомість миші, якщо доживають до старості (середня тривалість їхнього життя становить близько двох років), найчастіше помирають від раку. Вони схильні до утворення пухлин, бо в них дуже швидкий метаболізм, дуже швидко утворюються токсичні для організму вільні радикали кисню, що пошкоджують геном, у якому з віком накопичуються мутації. Але на сьогодні всіма хорошими типами лікування раку ми завдячуємо саме лисим мишам (nude mice), які здатні без відторгнення сприймати клітини людських пухлин, тому широко використовуються у лабораторних дослідженнях.

 

Є цікавий приклад еволюційних процесів у дії: миші з Чорнобильської зони на Поліссі, хоч і часто мають катаракту, проте витримують в сотні-тисячі разів вищі дози радіації і менше хворіють на активні типи раку, ніж лабораторні миші. Річ у тім, що, як показують останні дослідження, у них значно вищий, ніж у нормальних мишей, рівень ферментів, які детоксикують викликані опроміненням вільні радикали кисню, і відповідно зменшують кількість спричиненими ними пошкоджень геному.

 

Голий землекоп майже не хворіє на рак

 

На відміну від мишей, тривалість життя голих землекопів, – гризунів, які живуть під землею на території Африки, становить до 30-ти років. Вважають, що в них нема раку. І причиною цьому є так звана важка гіалуронова кислота – вона покриває, в тому числі, шкіру гризунів і допомагає їм пересуватись по вузьких тунелях, а також, виявляється, зупиняє утворення пухлин. Теоретично, якщо в кожній клітині нашого організму змінити ген синтезу такої гіалуронової кислоти, то ми, ймовірно, перестанемо хворіти на рак – але тоді, ймовірно, станемо трохи схожі на цих щурів.

 

Рак – це хвороба не лише сучасних людей. Виявляється, наші недавні кузини неандертальці також страждали від неї. Це недавно встановили, коли в печері Крапіна на території Хорватії знайшли кістку з ознаками остеосаркоми. Знахідці близько 120 тисяч років. Це важливо, адже сьогодні часто можна почути, що ми хворіємо на рак, бо погано харчуємося, через забруднене середовище та погану екологію, вплив радіації. У неандертальців середовище було екологічно чисте. Є мода в західних країнах на палео-дієту: напр., їсти все сире, як неандертальці чи інші древні люди, щоби не хворіти. Але, як бачимо, вони також хворіли.

 

Понад те, на кістках найдавніших гомінідів – австралопітеків, які жили у Південній Африці близько двох мільйонів років тому, нещодавно виявили дві форми раку. Науковці знайшли хворе ребро та кістку пальця ноги, на якій чітко видно ознаки пухлин. Через останню цій особині було навіть складно ходити. Це означає, що рак є хворобою не лише сучасного світу і не лише сучасної цивілізації – якимось чином він застряг у наших генах.

 

Жінки й чоловіки схильні до розвитку різних форм раку

 

Щодо статевих відмінностей, то виявилося: чоловіки мають на 20% вищі шанси захворіти на рак, ніж жінки. Адже певні онкогени (мутації у яких викликають рак) розміщені в Х-хромосомі. Жінка має дві Х-хромосоми, чоловіки – тільки одну, через що втрачається можливість компенсувати генетичні вади однієї хромосоми завдяки іншій. Щоправда, у представників різних статей розвиваються різні форми раку. Найчастіше до смерті у жінок призводить рак молочної залози, у чоловіків – рак простати і легень. Учені довели, що це пов’язано не лише зі способом життя, курінням, впливом алкоголю – річ також і в «зайвій» Х-хромосомі у жінок.

 

На мою думку, не існує і не буде існувати «чудо-молекули» чи срібної кулі проти раку, себто панацеї – універсальних ліків. Але ми можемо покращити діагностику, ефективність лікування і якість життя пацієнтів.
 

Декілька позитивних і негативних прикладів. Нещодавно преса повідомила: «Українка зробила сенсаційне відкриття, яке може врятувати людство від раку та інших хвороб». Але це не зовсім правда. Це важливо, бо демонструє, що вчені в Україні можуть зробити свій певний вклад у лікування недуги. Але автор дослідження Ольга Боровець та її науковий керівник є теоретиками, вони займаються моделюванням ДНК, використовують потужні комп’ютери для такого моделювання – на яких, проте, ліків від раку не створиш. Зі слів самої Ольги, їм «вдалося визначити новий тип таутомерного перетворення пар основ ДНК, що викликає мутації, які можуть призводити до появи раку». Але це не ліки – і ще невідомо, як ці дані допоможуть у відповідних пошуках. Отже, поки немає експериментів і випробувань на тваринах, немає і ліків. А представникам преси слід бути особливо обережними, коли вони пишуть на такі теми, як лікування раку, і не роздмухувати сенсацій.

 

Декілька слів про те, як не треба лікувати рак і розробляти ліки. Василь Новицький, хімік, що починав в Україні, співпрацював із львівськими, київськими науковцями, потім продовжив розробляти препарат проти раку в Австрії. Він заснував компанію, яка свого часу заробила півтора мільйона євро, не маючи дозволів на продаж препарату, який назвали «Україн». У чи не єдиній статті в міжнародному рецензованому журналі вчені описали його дію. Згідно з твердженнями Новицького, основою цього псевдонаукового препарату є специфічний кон’югат трьох молекул хелідоніну – алкалоїду рослини чистотілу (Chelidonium majus), яким, зокрема, лікують бородавки. Та от що пишуть австрійські вчені, які перевірили цей препарат: «Наш спектрометричний аналіз виявив, що замість молекули, яку вказує автор, препарат «Україн» складається з суміші різних алкалоїдів чистотілу», – деякі з яких відомі як дуже токсичні сполуки для людського організму. Важливо зазначити, що від концентрації та поєднання різних алкалоїдів (як-от хелідонін, хелелітрин, сангвінарин,  тощо), місця та пори року, коли матеріал зібрали, залежить і токсичність екстрактів чистотілу.  Давати їх хворим без додаткової перевірки та розуміння механізмів дії і заробляти на цьому гроші – злочин.

 

Складні взаємозв’язки генів, мутації у яких супроводжують злоякісні перетворення. Червоним кольором позначені так звані онкогени-драйвери – основні гени, без яких рак не розвивається
 

Пошуки підходів і медикаментів для боротьби з раком – складний процес. Ось так шукають ліки сьогодні, аналізуючи складні взаємодії генів, мутації у яких викликають рак. На рисунку позначені так звані гени-драйвери – гени, без яких рак неможливий. Таких генів у людському організмі більше 300-т. Сьогодні ми не просто знаємо геном людини, у нас є карти взаємозв’язків цих генів для різних типів пухлин, у різних пацієнтів, на різних стадіях хвороби. Це все фіксують – і картина постійно доповнюється. На комп’ютерах аналізують зв’язки та створюють генетичні карти. Сьогодні ми значно краще розуміємо, чим є ця хвороба. І ми знаємо, що без мутацій у цих основних трьохстах генах рак неможливий. Той, хто уже має деякі мутації у геномі, може мати або спадкову схильність до раку, або вищу ймовірність хвороби у результаті хімічного чи радіаційного отруєння. Знаючи краще механізм хвороби, вчені ліпше розуміють, які ліки потрібні, щоби селективно пошкоджувати саме злоякісні клітини.

 

Та для хворих надія є. Зокрема, є приклади успішного застосування нової терапії у пацієнтів із невиліковною формою лейкемії, якою хворіють здебільшого діти. Коли не дають результатів хіміотерапія, пересадка кісткового мозку, на пацієнтах випробовують абсолютно новий метод – терапію Т-клітинами, кілерами, які вбивають ракові клітини. Ці Т-клітини імунної системи беруть у здорового донора, їх «навчають» розпізнавати злоякісні клітини в лабораторії і вводять в організм хворого. Наразі відомі три випадку цілковитого одужання після такої терапії у разі дитячої лейкемії. Проте терапія Т-клітинами є експериментальною, поки що вона не може бути запроваджена в клініках – її використовують зазвичай на «безнадійних» пацієнтах. Але це один із декількох обнадійливих прикладів.

 

На сьогоднішній день існують різні типи терапії раку: хірургія, хіміотерапія, радіотепія, імунотерапія, гормональна терапія, моноклональна терапія, метаболічна терапія. У Відділі сигнальних механізмів клітини Інституту біології клітини НАН України, який я очолюю, ми займаємося дослідженням та розробкою так званої метаболічної протипухлинної терапії. Вона полягає в напрямлених змінах метаболізму клітини. Це один із новочасних підходів до лікування раку, що не є токсичним для організму загалом.

 

Нобелівський лауреат Отто Варбург на початку ХХ століття відкрив особливість більшості ракових клітин виробляти енергію за допомогою активного гліколізу з наступним утворенням лактату, а не окислювального фосфорилювання у мітохондріях. І це лише один приклад із багатьох метаболічних змін чи метаболічних дефектів, що відбуваються в пухлині. Цей ефект Варбурга наразі не застововують безпосередньо в лікуванні раку, але використовують, наприклад, для діагностики пухлин.

 

Зараз науковці у декількох лабораторіях у різних країнах розробляють відносно нову терапію – ензимотерапію раку, тобто лікування ферментами. Адже відомо, що пухлини припиняють свій ріст, якщо не отримують певних амінокислот. Якщо ввести в кров пацієнта такі ферменти, як аргініндеіміназа чи аргіназа, падає рівень амінокислоти аргініну, без якої злоякісні клітини не проліферують. Таке лікування є загалом нетоксичним. Зараз обидва ферменти, підготовлені відповідним чином для застосування на пацієнтах, перебувають на різних стадіях клінічних випробувань проти декількох типів пухлин.

 

За умов  сфероїдної 3-D культури злоякісні клітини є значно резистентнішими до дефіциту індивідуальних незамінних амінокислот (Arg, Leu, Lys та Met) у порівнянні з моношаровою культурою. Після інкубації у середовищі без амінокислоти протягом 14 днів, пухлинні клітини у 3D культурі здатні швидко відновлювати ріст після додавання відповідної амінокислоти

 

Отже ми досліджуємо ефекти голодування за аргініном на пухлинний ріст. Спільно з німецькими колегами (Онкорей, Університет Дрездена) нам вперше вдалося відстежити, що в сфероїдній 3-D культурі (подібній на людську пухлину) злоякісні клітини є значно більш резистентними до дефіциту індивідуальних незамінних амінокислот, ніж у класичній моношаровій культурі. Таким чином, для ефективної терапії потрібні нові комбінації низькомолекулярних сполук чи радіаційного опромінення з дефіцитом аргініну.

 

Однак і саме голодування за аргініном може дати приблизно місяць для підбору індивідуальної терапії, і є нетоксичною альтернативою іншим способам лікування раку. Поки що ми перебуваємо на стадії лабораторних експериментів і перших випробувань наших підходів на тваринах.

 

Морфологія сфероїдів під дією голодування за аргініном за присутності аналога аргініну рослинного походження канаваніну чи попередника аргініну цитруліну. Ми вперше показали, що додавання низьких доз канаваніну призводить до дезінтеграції сфероїдів та загибелі пухлинних клітин

 

Відомі рослинні аналоги аргініну, зокрема антиметаболіт кавананін, який можна застосовувати для комбінованої терапії. Він може посилити протипухлинний вплив від голодування за аргініном. Його дію зараз перевіряємо на різних моделях. Перші результати обнадійливі, але до реальної терапії потрібно пройти ряд необхідних етапів перевірок.

 

Також інтенсивно досліджуємо механізм автофагії, вперше описаний нобелівським лауреатом Йошінорі Осумі (Японія), важливий для вдосконалення нашої ензимотерапії. Передусім тому, що процес автофагійної деградації білків відіграє захисну роль при голодуванні за аргініном. Ми встановили, що певні нетоксичні інгібітори автофагії можуть бути використані в комбінаційній терапії.
 

 

Специфічні зміни морфології клітин гліоми людини лінії U251 за відсутності аргініну, у порівнянні з повноцінним середовищем чи дефіцитним за амінокислотою лізином

 

Спільно з польськими колегами (Інститут експериментальної біології, Варшава) нам вдалося вперше продемонструвати, що під впливом голодування за аргініном в клітинах гліоми відбуваються специфічні зміни цитоскелету, пов’язані з модифікаціями білка актин, у результаті яких вона морфологічно змінюється і втрачає здатність нормально рухатися. Перевіривши моторику, ми з’ясували, що змінені клітини також втрачають здатність до інвазії, а отже метастазування. Таким чином, метаболічна терапія може потенційно зупиняти процес розповсюдження пухлини в організмі, але це поки що лабораторний результат, який потрібно додатково перевіряти на складніших моделях.

 

Хочу наголосити, що наразі наші методи не можна застосовувати на людях. Ми маємо препарати і ферменти, які випробовуємо в лабораторії, на тваринах, але у жодному разі не на пацієнтах. Спочатку всі нові методи повинні бути ретельно перевірені та проявити себе ефективними на тваринах.

 

Чого ж чекати в майбутньому і чи подолаємо ми рак? Очевидно, нас чекає більш ефективна рання діагностика, імунізація груп ризику проти певних типів раку. Так, є  певні види раку, розвиток яких можна мінімізувати. Наприклад, рак шлунка часто спричиняє бактерія Helicobacter pylori. Є й інші, зокрема ті, що їх викликають вірусні інфекції. Впроваджуватимуть у практику нові методи терапії, що ґрунтуються на стимуляції імунної системи людини. Також із часом легше буде виявляти людей, які мають приховані мутації, що зумовлюють схильність до певних типів раку.

 

Нас чекає краще розуміння взаємозв’язку ідентифікованих мутацій із необхідним для конкретного пацієнта лікуванням. Зараз створюють відповідні міжнародні бази даних. У них записують інформацію про методи лікування певних пацієнтів, чи були вони ефективними, кому допомогли. Із часом має відбуватися обмін цими даними. Той, хто прийде в клініку для діагностики, проходитиме генне тестування, його не піддаватимуть відразу стандартному і часто токсичному для організму видові терапії. Доступними будуть дані, яка терапія вже допомогла іншому хворому в подібному випадку за подібної комбінації генетичних факторів.

 

Отже, в майбутньому розвиватиметься персоналізована медицина, зменшиться токсичність терапії та покращиться якість життя пацієнтів. Також варто очікувати поступового збільшення проценту тих, хто одужав після певних діагностованих типів раку. Адже сьогодні частка тих, хто вилікувався, наприклад, від пухлин в мозку, дуже низька – 7-10%.

 

Тобто паралельно з покращенням нашого розуміння генетичних причин і спускових механізмів раку вчені й медики розроблятимуть більш ефективні та менш токсичні методи терапії, адресної доставки ліків, персоналізованої терапії тощо.

 

***

Доповідь прочитана на міждисциплінарному семінарі «Обрії науки» 2 лютого 2017 року в Українському Католицькому Університеті.

Автор – старший науковий співробітник, завідувач відділу сигнальних механізмів клітини, заступник директора з наукової роботи Інституту біології клітини НАН України

Підготувала Соломія Кривенко

23.02.2017