Джошуа Смит: Новая нанотехнология для раннего выявления рака

«У вас рак». К сожалению, примерно 40% из нас услышат эти слова в течение своей жизни, и половина из них не выживет. То есть у двоих из пяти ваших ближайших друзей и родственников будет диагностирована та или иная форма рака, и один из них умрет. Помимо физических страданий, примерно треть из выживших после рака здесь, в США, влезут в долги из-за лечения. Среди них вероятность банкротства как минимум в 2,5 раза выше, чем среди тех, у кого не было рака.

Эта болезнь влияет на все аспекты жизни. Она эмоционально изнуряющая и для многих финансово разрушительная. Но диагноз рак не должен быть смертным приговором. Раннее обнаружение рака, вскоре после его зарождения, — один из важнейших факторов улучшения возможностей лечения, снижения эмоциональной нагрузки и уменьшения финансового бремени. Что важнее всего, раннее обнаружение рака — а это одна из основных целей моего исследования — значительно повышает шансы на выживание. Если, например, взглянуть на этот случай рака груди, видно, что у тех, у кого диагностика и лечение проведены на первой стадии, коэффициент 5-летней выживаемости почти 100% — и этот шанс снижается до всего 22%, если лечение начато на четвертой стадии. Схожие тенденции обнаруживают для рака прямой кишки и яичников.

Итак, мы знаем, что ранняя и точная диагностика критически важна для выживания. Проблема в том, что многие методы диагностики рака инвазивны, дороги, часто неточны и могут требовать чудовищного количества времени для получения результатов. Что еще хуже, для некоторых форм рака, таких как рак яичников, печени или поджелудочной железы, хороших методов скрининга просто не существует, то есть часто люди ждут, пока не проявятся физические симптомы, которые служат показателями уже поздних стадий заболевания. Это как ураган в местности, где нет системы раннего предупреждения: отсутствует предостерегающий сигнал об опасности, которая уже у вашего крыльца, и ваши шансы на выживание сильно понижены.

Если бы у нас были удобные методы для регулярного скрининга — недорогие, неинвазивные и дающие результаты намного быстрее — то мы получили бы грозное оружие для борьбы с раком. А раннее оповещение об опасности позволило бы опережать болезнь, а не просто следовать за ее неумолимым развитием.

Именно этим я и занимаюсь. В течение последних 3 лет я разрабатываю технологии, которые смогут помочь врачам проводить быструю диагностику рака на ранних этапах. Мною движет глубокая научная любознательность и страстное желание изменить эту статистику. Однако в последний год борьба стала намного более личной, когда у моей жены диагностировали рак груди. Этот опыт добавил сильную и неожиданную эмоциональную окраску моим попыткам. Я по своему опыту знаю, насколько лечение может изменить образ жизни, и я знаком с эмоциональным опустошением, которое рак может вызвать в семье и которое в нашем случае затронуло наших двух дочерей.

Поскольку мы обнаружили болезнь рано, с помощью рядовой маммограммы, то смогли сфокусироваться на вариантах лечения локализованной опухоли, что еще больше убедило меня в важности ранней диагностики. В отличие от других форм рака, рак груди действительно можно выявлять рано с помощью маммограммы. Но не всем ее делают, или рак груди может развиться до того возраста, когда рекомендуется делать маммограмму. Так что возможностей для улучшений достаточно, даже если для рака есть методы скрининга, и, конечно же, если для рака таких методов нет. Основная задача для исследователей рака — разработать методы, которые сделают регулярный скрининг на множество типов рака намного более доступным.

Представьте, что во время регулярной проверки врач сможет взять образец, не требующий проникновения в организм, — образец мочи или биоптат другой жидкости — и выдать вам результаты еще до того, как вы покинете его кабинет. Такая технология могла бы резко сократить количество людей, у которых рак не был выявлен на ранних стадиях. Моя исследовательская команда инженеров и биохимиков работает именно над этой задачей. Мы работаем над методами повышения частоты раннего предупреждения об опасности рака с помощью проведения регулярных скринингов с момента, когда человек еще здоров, чтобы можно было принять меры для остановки рака в момент его возникновения, до того как опухоль начнет прогрессировать.

Наши «серебряные пули» — это крошечные частицы, маленькие спасательные капсулы, постоянно выделяемые клеткой, — экзосомы. Экзосомы — важные биомаркеры, обеспечивающие систему раннего предупреждения о развитии рака. И поскольку их очень много практически в любой жидкости организма, в том числе в крови, моче и слюне, они весьма привлекательные объекты для неинвазивной биопсии жидкостей. Есть только одна проблема. Автоматизированной системы для быстрой сортировки этих важных биомаркеров в настоящее время нет. Мы создали технологию, которую называем nano-DLD и которая может делать следующее: автоматизированное выделение экзосом для быстрой диагностики рака.

Экзосомы — новейшее оружие раннего предупреждения, если хотите, которое появится на переднем крае биопсии жидкостей. И они очень-очень маленькие. Их диаметр всего 30–150 нанометров. Это так мало, что в один эритроцит может поместиться примерно миллион экзосом. Это разница примерно как между мячиком для гольфа и маленькой песчинкой. Хотя считалось, что они представляют собой мини-ведерки для отходов клетки, было обнаружено, что клетки активно общаются, выделяя и поглощая эти экзосомы, которые содержат поверхностные рецепторы, белки и другой генетический материал той клетки, в которой образовались. После поглощения соседней клеткой экзосомы высвобождают свое содержимое в принимающую клетку и могут дать начало фундаментальным изменениям экспрессии генов — иногда хорошим, и вот здесь, где возникает рак, плохим. Поскольку они окружены мембраной материнской клетки и содержат частицу ее содержимого, они дают генетический «снимок», отражающий здоровье и происхождение той клетки. Все эти качества делают экзосомы бесценными источниками информации, которые, возможно, позволят врачам изучить ваше здоровье на клеточном уровне.

Однако, чтобы рано обнаружить рак, вы должны часто улавливать эту информацию, чтобы определить, когда вызывающие рак смутьяны в вашем организме решат начать «государственный переворот», именно поэтому так важен регулярный скрининг, и поэтому мы разрабатываем технологии, которые позволят его проводить. Хотя первые методы диагностики на основе экзосом появились на рынке в этом году, они еще мало распространены в здравоохранении. Помимо того, что они только появились, их широкому распространению мешает еще один фактор: в настоящее время не существует системы автоматизированного выделения экзосом, которая сделала бы регулярный скрининг экономически доступным.

Сегодняшний «золотой стандарт» для выделения экзосом включает ультрацентрифугирование, процесс, требующий дорогого лабораторного оборудования, обученных лаборатнов и примерно 30 часов для обработки образца. Мы прибегли к другому подходу для автоматизации выделения экзосом из таких образцов, как моча. Мы используем основанную на чипах методику непрерывного разделения в потоке, названную методикой детерминированного бокового смещения. Нам удалось сделать с ней то, что индустрия полупроводников успешно делала в течение последних 50 лет. Мы уменьшили масштаб этой технологии с микронного до истинного нанометрового.

Итак, как же она работает? Вкратце, множество крошечных столбиков, разделенных нанометровыми промежутками, расположены таким образом, что система делит жидкость на потоки, при этом более крупные, связанные с раком, наночастицы отделяются в результате перенаправления их в сторону от более мелких, «более здоровых», которые, в отличие от крупных частиц, огибают столбики и двигаются зигзагообразно в направлении потока жидкости. В итоге происходит полное разделение частиц двух этих типов. Этот процесс разделения можно представить себе как движение по шоссе, которое разделяется на две дороги, при этом одна дорога уходит в горный тоннель с малым запасом высоты, а другая идет в обход горы. Здесь маленькие машины могут проходить через тоннель, а большие грузовики, возможно, везущие опасные материалы, вынуждены ехать по обходной дороге. Поток машин эффективно разделяется по размеру и содержимому груза без создания препятствий для этого потока. И именно так работает наша система в гораздо меньших масштабах. Идея состоит в том, чтобы процесс разделения для скрининга был столь же прост, как обработка образца мочи, крови или слюны, и этого реально достичь в течение следующих нескольких лет. В конечном счете это можно применять для выделения и обнаружения целевых экзосом, связанных с определенным типом рака, обнаруживая их и сообщая о них в течение нескольких минут. Это сделает быструю диагностику фактически безболезненной. В широком смысле способность разделять и концентрировать биомаркеры с наномасштабной точностью и в автоматическом режиме открывает возможности для лучшего понимания таких болезней, как рак, а применение может быть в диапазоне от подготовки образцов до диагностики и от контроля устойчивости к препаратам до терапии.

Еще до того как моя жена заболела раком, я мечтал облегчить автоматизацию этого процесса, чтобы сделать регулярный скрининг доступнее, так же, как Генри Форд сделал автомобиль доступным широким слоям общества, изобретя конвейерную сборку. Автоматизация — ключ к доступности. По аналогии с мечтой президента Гувера «цыпленка в каждую кастрюлю и автомобиль в каждый гараж», мы разрабатываем технологию, которая могла бы в конечном счете снабдить системой раннего обнаружения рака каждый дом. Это дало бы каждому мужчине, женщине и ребенку возможность регулярно проводить проверку, пока они еще здоровы, и обнаруживать рак, когда он только-только появился. На это я надеюсь и об этом мечтаю, чтобы помочь людям во всем мире избежать высоких затрат — физических, финансовых и эмоциональных — с которыми сталкиваются
раковые больные сегодня, тех трудностей, с которыми я хорошо знаком сам.

Я также рад сообщить, что поскольку у моей жены рак обнаружили на раннем этапе, ее лечение было успешным, и сейчас, слава богу, у нее нет рака. Это тот исход, которого я желал бы всем, у кого диагностирован рак. С учетом той работы, которую моя команда уже провела в области разделения биомаркеров в наномасштабах для быстрой ранней диагностики рака, я оптимистично полагаю, что в течение десяти лет технология такого типа станет доступной, помогая защитить наших друзей, наши семьи и будущие поколения. Даже если нам не повезло и у нас обнаружили рак, раннее оповещение даст надежду на выздоровление.

Перевод: Татьяна Никитина
Редактор: Анна Котова

Источник