Новый метод ранней диагностики рака кишечника

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Института молекулярной биологии Российской академии наук (ИМБ РАН), Института биоорганической химии Российской академии наук (ИБХ РАН) и ряда других российских научно-исследовательских центров разработали новый метод диагностики колоректального рака. Результаты исследования были опубликованы в Cancer Medicine.

Ученые создали гидрогель на основе биочипов, который может помочь обнаружить рак кишечника (колоректальный рак).

Колоректальный рак занимает третье место среди наиболее распространенных видов рака. В связи с тем, что симптоматика рака кишечника на ранней его стадии практически отсутствует, это вызывает определенные трудности в своевременно начатом лечении. Несмотря на усилия врачей, по прошествии пяти лет лечения выживают лишь 36% больных. Лечение колоректального рака эффективно только в том случае, если заболевание обнаружено на ранней стадии развития. Диагностические методы, которые используются в настоящее время, как вы уже поняли, не являются достаточными. Даже колоноскопия, являющаяся максимально точным способом визуального изучения толстого кишечника, не всегда подходит для ранней диагностики колоректального рака, так как она не дает полную картину развития и распространения заболевания. Метод, предложенный учеными из ИМБ РАН, МФТИ, Российского научного центра хирургии имени Сеченова, Первого Московского государственного медицинского университета имени Сеченова, ИБХ РАН и городской клинической больницы имени Буянова основан на одновременном обнаружении различных веществ в крови пациентов. Этими веществами являются аутоантитела против опухоле-ассоциированных гликанов, которые могут быть обнаружены в сыворотке крови на ранних стадиях рака, иммуноглобулины различных классов, а также онкомаркеры (молекулы, продуцируемые клетками опухоли).

Гликаны и аутоантитела

Онкомаркеры широко используются для выявления рака. Тем не менее, комбинация, которая используется для обнаружения колоректального рака (карциноэмбриональный антиген (СЕА) с углеводным антигеном (CA 19-9) недостаточно чувствительна и позволяет обнаружить заболевание примерно лишь в 50% случаев. Для повышения диагностической чувствительности исследователи обратились к гликобиологии, быстро развивающейся науки, которая сосредоточена на изучении важных биологических молекул — гликанов. Наиболее известными гликанами являются крахмал, хитин и целлюлоза. С точки зрения химии, гликаны — это биополимеры, состоящие из большого числа моносахаридов (например, глюкозы и фруктозы), связанных при помощи гликозидной связи (атомами кислорода). Кроме того, действуя в качестве питательных веществ и строительных материалов для клеток, гликаны имеют важное значение в контакте между клетками, для роста органов и многих других процессах, протекающих в наших организмах. Опухолевые клетки имеют специальные гликаны, позволяющие ученым отличить их от здоровых клеток, и это является ключевым аспектом нового исследования.

Для обнаружения «неправильных» гликанов ученые используют аутоантитела (антитела, способные взаимодействовать аутоантигенами, то есть с антигенами собственного организма).. Антитела (иммуноглобулины) представляют собой молекулы, продуцируемыми иммунной системой в целях защиты организма от патогенного воздействия. Каждое антитело отвечает за «своего» вредителя. Антитела против вируса гриппа, например, взаимодействуют только с белком, содержащимся в вирусных частицах определенного штамма, а аутоантитела против ассоциированных с опухолью гликанов реагируют исключительно на гликаны, которые можно найти только в клетках колоректального рака. Антитела способны определить «клетки-мишени» и начать процесс их уничтожения. Любые клетки могут стать мишенью, если они превратились в раковые клетки или заразились каким-либо вирусом. Многие диагностические лабораторные методы и научные эксперименты основаны на уникальной способности антител для выборочного обнаружения других молекул.

Трехмерный гидрогель на основе биочипов

Ученые предложили искать аутоантитела против опухоле-ассоциированных гликанов в сыворотке крови. Метод с использованием с биологических микрочипов.уже продемонстрировал свой потенциал в диагностике рака яичников (швейцарские ученые опубликовали соответствующий документ в 2012 году). Идея использования микрочипов в качестве средства диагностики впервые была предложена в 1980 году Андреем Мирзабековым, руководителем Института молекулярной биологии и кафедры молекулярной биофизики МФТИ.

Микрочип, как правило, представляется в виде плоской пластины, содержащей образцы конкретных биологических молекул, однако в этой работе ученые изучили новую разработку — трехмерный гидрогель на основе биочипов, который был разработан в ИМБ РАН. Трехмерный гидрогель на основе биочипов — это 3D-клетки, изготовленные из специального геля, содержащего необходимые реагенты, так называемые молекулярные зонды. Структура геля обеспечивает оптимальную среду для проведения испытаний, и это помогло ученым решить целый ряд проблем, связанных с установкой более точных диагнозов: например, они достигли равномерного распределения молекулярных зондов с гораздо большей чувствительностью по сравнению с обычными «плоскими» системами.

Результаты нового метода диагностики колоректального рака

Исследователи разработали прототип тест-системы, способного одновременно измерять концентрацию белка на основе онкомаркеров, аутоантител к гликанам, а также антитела IgG, IgA и IgM в крови пациента. Принимая во внимание тот факт, что большинство белковых маркеров не являются специфическими с точки зрения расположения и типа опухоли, ученые разделили их на группы — диагностические и прогностические сигнатуры (комбинации белков на основе онкомаркеров и антител к гликанах и т.д.).

Используя созданную модель, ученые проанализировали сыворотки 33 людей с колоректальным раком, 69 здоровых доноров и 27 пациентов с воспалительным заболеванием кишечника (ВЗК). Такие заболевания как болезнь Крона и дивертикулит могут в долгосрочной перспективе привести к развитию рака толстого кишечника, однако необходимо четко понимать, чем именно болеет тот или иной человек — система диагностики должна быть не только чувствительной, но и максимально точной. Этот метод превосходит все другие ныне существующие способы дифференцирования заболеваний. Модель тест-системы на основе диагностических сигнатур была в состоянии диагностировать колоректальный рак в 95% случаев, по сравнению с обнаруженными 79% с помощью других методов. Чувствительность обнаружения колоректального рака (у пациентов со II-IV стадиями заболевания) составила 87% против 21%, что свидетельствует о явном прогрессе. Специфичность метода — 97%.

Чувствительность диагностического метода — это способность обнаружить заболевание. Чем выше чувствительность, тем лучше результаты, но самой по себе чувствительности не достаточно для того, чтобы поставить верный диагноз: метод не должен указывать на наличие рака при его отсутствии. Первая цифра в 95% — это способность точно установить диагноз, а это значит, что заболевание будет диагностировано правильно для 95 пациентов из 100. Чувствительность в 87% говорит нам о том, что на 100 людей с колоректальным раком диагноз будет верно установлен у 87 человек.

Традиционный метод обнаружения колоректального рака имеет чувствительность 21%, что означает, что число пациентов с этим заболеванием не будут знать о своей проблеме. У пациентов с воспалительным заболеванием кишечника колоректальный рак будет верно диагностирован в 97% случаев.

Разработанный в ИМБ РАН метод является чрезвычайно перспективным для помощи в диагностике заболеваний ЖКТ, и, будем надеяться, что в скором времени созданные на основе этого метода тест-системы появятся в клинических лабораториях нашей страны.

Жанна Зубцова, к.ф-м.н., доцент МФТИ, соавтор исследования