Разработан неинвазивный метод диагностики рака поджелудочной железы , который позволяет с вероятностью практически 100% распознать заболевание на различных стадиях, включая предраковое состояние. Принцип метода состоит в обнаружении в крови экзосом (микрочастиц, которые продуцируются раковыми клетками), несущих белок глипикан-1. Сравнительная простота и эффективность нового метода, вероятно, позволит применить его для скрининга и диагностики рака поджелудочной железы в хорошо оборудованных клинических лабораториях.

Рис. 1. GPC1 позволяет отличить рак поджелудочной железы от доброкачественного заболевания. Экзосомы, выделенные из крови больных раком поджелудочной железы или с ее предраковыми поражениями, несут встроенный в мембрану протеогликан GPC1. В то же время у пациентов с доброкачественными заболеваниями поджелудочной железы GPC1 не превышает нормальный уровень, свойственный здоровым донорам. Рисунок из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature

Рак поджелудочной железы относится к наиболее агрессивным онкологическим заболеваниям человека. Главная проблема состоит в том, что нет надежных способов ранней диагностики этого рака, а симптомы проявляются тогда, когда ситуация уже становится фатальной. Методы, предложенные для диагностики, — как сравнительно простые и недорогие иммунологические, так и сложные и дорогие, такие как компьютерная и магнитно-резонансная томография, — либо не позволяют распознать рак на ранних стадиях болезни, либо дают много ложноположительных или ложноотрицательных результатов. Так, метод иммуноферментной детекции (см. Иммуноферментный анализ, ИФА, англ. enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA) наиболее известного биомаркера этого рака — углеводного антигена СА19–9 — у многих больных раком не показывает превышения его нормального уровня. В то же время примерно половина испытуемых, не имеющих рака, демонстрирует повышенное содержание СА19–9. Томография обычно дает достоверный результат только тогда, когда опухоль уже достигла значительного размера.

В поисках надежных маркеров для диагностики рака поджелудочной железы авторы обратили внимание на глипикан-1 (GPC1) — сложный белок млекопитающих из класса протеогликанов (рис. 1). Наряду с другими пятью глипиканами GPC1 содержит гепаринсульфат. Было известно, что при раках поджелудочной железы и молочной железы экспрессия GPC1 усилена и он стимулирует размножение и метастазирование раковых клеток. То есть GPC1 является компонентом механизма контроля роста и деления клеток.

Поскольку иммунологическая детекция GPC1 в плазме крови как метод диагностики рака была ничем не лучше других, авторы исследовали GPC1 на экстраклеточных везикулах — частицах размером 50–150 нм, окруженных двухслойной липидной мембраной и несущих белки и нуклеиновые кислоты клетки. Такие частицы — экзосомы — секретируются в кровь различными клетками организма. Чтобы выявить GPC1, встроенный в липидную мембрану, циркулирующие в крови экзосомы (crExos) концентрировали из плазмы крови высокоскоростным центрифугированием, сорбировали на наночастицах, инкубировали с антителами к GPC1 и анализировали с помощью просвечивающей электронной микроскопии и проточной цитометрии.

CrExos были выделены из плазмы крови пациентов, больных раком молочной железы или раком протоков поджелудочной железы (PDAC), и, для сравнения, из плазмы здоровых доноров. Концентрация crExos у больных оказалась значительно выше, чем у здоровых. И если у последних доля crExos, положительных по GPC1, составляла 0,3–4,7% (в среднем 2,3%), то у больных раком молочной железы она оказалась выше контроля в 75% случаев, а при раке поджелудочной железы — у всех 190 исследованных пациентов (рис. 2). Таким образом, наблюдалась строгая корреляция между crExos, положительными по GPC1, и раком, особенно в случае PDAC.

Рис. 2. Циркулирующие экзосомы, несущие GPC1, как неинвазивный маркер для рака поджелудочной железы. По оси абсцисс — здоровые доноры (healthy), больные раком молочной железы (breast cancer) и больные раком поджелудочной железы (PDAC). По оси ординат — процент экзосом, несущих GPC1. Звездочки — степень достоверности различий (высокая). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Далее были исследованы crExos у больных с доброкачественными заболеваниями поджелудочной железы и с неоплазиями (новообразованиями), предшествующими раку. При доброкачественных заболеваниях доля GPC1-положительных crExos не превышала таковую в контролях. А в случаях предшественника рака — интраэпителиальной неоплазии протоков поджелудочной железы — она была заметно выше (рис. 3).

Рис. 3. Процент экзосом, несущих GPC1, у здоровых доноров (healthy donors), пациентов с доброкачественными заболеваниями (BPD) и с раком (PDAC) поджелудочной железы. По оси ординат — процент экзосом, несущих GPC1. Звездочки — степень достоверности различий (4 – высокая, 1 — низкая). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

У больных, которым была сделана хирургическая операция по удалению пораженных участков поджелудочной железы, уровень GPC1-положительных crExos коррелировал с наличием и размером опухоли и с продолжительностью их выживания.

Рис. 4. Схема взятия образцов крови для выделения экзосом. РКТ — модельные мыши с развивающимся раком поджелудочной железы (7) и контрольные мыши (6). Красными черточками обозначено время взятия крови (недели). PanIN — предраковое состояние (интраэпителиальная неоплазия протоков поджелудочной железы), PDAC — развивающаяся раковая опухоль. Рисунок из обсуждаемой статьи) в Nature

Чтобы выяснить, насколько рано с помощью GPC1-положительных crExos можно определить развитие раковой опухоли, были проведены эксперименты на модельных мышах, воспроизводящих PDAC человека. На протяжении всего времени развития опухоли, включавшего и предраковое состояние — интраэпителиальную неоплазию протоков поджелудочной железы, — у мышей брали кровь и анализировали crExos (рис. 4).

Рис. 5. Циркулирующие экзосомы, несущие GPC1, позволяют предсказать рак поджелудочной железы у модельных мышей. По оси ординат — процент экзосом, несущих GPC1. По оси абсцисс — образцы крови контрольных © и экспериментальных мышей (E), взятые, как показано на рис. 3. Звездочки — степень достоверности различий (высокая). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Нарастание количества GPC1-позитивных crExos наблюдалось еще на предраковой стадии (рис. 5), гораздо раньше, чем растущую опухоль можно было распознать с помощью магнитно-резонансной томографии (рис. 6).

Рис. 6. Магнитно-резонансная томография развивающейся раковой опухоли поджелудочной железы у модельной мыши. РКТ — модельная мышь, control — контроль. Границы опухоли обведены красной чертой. Рисунок из обсуждаемой в Nature

Таким образом, авторам удалось разработать неинвазивный метод диагностики, который позволяет распознать рак поджелудочной железы на различных стадиях, включая предраковое состояние. Диагностика с помощью анализа содержимого экзосом раков легких и поджелудочной железы совсем недавно и независимо от обсуждаемого исследования уже представлена другими авторами (R. Jakobsen et al., 2015. Exosomal proteins as potential diagnostic markers in advanced non-small cell lung carcinoma; B. Madhavan et al., 2015. Combined evaluation of a panel of protein and miRNA serum-exosome biomarkers for pancreatic cancer diagnosis increases sensitivity and specificity). Но в этих работах использовались методы анализа гораздо более сложные и дорогостоящие, чем в обсуждаемом исследовании, и вероятность обнаружения рака составляла 75% и 93% соответственно.

Важной инновацией обсуждаемой работы является нахождение высокоинформативного маркера GPC1 на циркулирующих в крови экзосомах. Дополнительные возможности для диагностики предоставляет показанное авторами во многих случаях присутствие в экзосомах мРНК мутантного гена KRAS, считающегося драйвером развития раковых опухолей. Насколько применим представленный подход для других форм и типов рака — еще предстоит установить. Так, для рака молочной железы авторам не удалось получить определенных результатов. Сравнительная простота разработанного метода позволит применить его для скрининга и диагностики рака поджелудочной железы, а потом, возможно, и других раков в хорошо оборудованных клинических лабораториях.

Источники:

1. Sonia A. Melo et al. Glypican-1 identifies cancer exosomes and detects early pancreatic cancer // Nature. 2015. V. 523. P. 177–182.
2. Clotilde Théry. Cancer: Diagnosis by extracellular vesicles // Nature. 2015. V. 523. P. 161–162. (Популярный синопсис к обсуждаемой статье.)

Автор: Вячеслав Калинин