U Sjedinjenim Državama puna 45 godina nosi sa sobom prilično neprijatan obred: početak redovnih kolonoskopija, u kojima se endoskop opremljen svetlom i kamerom koristi za vizuelnu proveru debelog creva na znake raka. Relativno sporo rastući, kolorektalni rak se često može lečiti hirurški ako se rano uhvati. Međutim, postaje teže lečiti što duže vreba neotkriveno, što ga čini četvrtim vodećim uzrokom smrti od raka u zemlji.
Uprkos dostupnosti ovog visoko vizuelnog procesa skrininga, odluke o tretmanu za pojedinačne pacijente i dalje su u velikoj meri vođene tradicionalnom histologijom – patolozi procenjuju kolorektalni kancer ispitivanjem dijapozitiva uzoraka tumora pod mikroskopom.
Sada je tim na Harvardskoj medicinskoj školi kombinovao histologiju sa najsavremenijim tehnologijama snimanja jedne ćelije da bi napravio velike 2D i 3D prostorne mape kolorektalnog karcinoma. Mape, opisane u Ćelija, sloje opsežne molekularne informacije povrh histoloških karakteristika kako bi pružile nove informacije o strukturi raka, kao io tome kako se formira, napreduje i stupa u interakciju sa imunološkim sistemom.
„Naš pristup pruža molekularni prozor u 150 godina dijagnostičke patologije – i otkriva da su mnogi elementi i strukture za koje se tradicionalno smatra da su izolovani zapravo međusobno povezani na neočekivane načine“, rekao je ko-stariji autor Peter Sorger, profesor sistema Otto Kraier. Farmakologija u Institutu Blavatnik u HMS. „Analogija je da smo ranije gledali samo u rep ili stopalo slona, ali sada, po prvi put, možemo početi da vidimo celog slona odjednom.“
Mape su deo širih napora tima da stvori atlase za različite tipove raka koji će biti besplatno dostupni naučnoj zajednici kao deo mreže Atlasa ljudskih tumora Nacionalnog instituta za rak. Ranije su istraživači koristili sličan pristup za kreiranje detaljnih mapa melanoma u ranoj fazi, a mape za druge vrste raka su već u razvoju. Na kraju, tim se nada da će ovi atlasi raka pokrenuti istraživanja i poboljšati dijagnozu i lečenje.
Histologija je dugo bila kamen temeljac dijagnoze i lečenja raka: patolozi ispituju uzorak tumora obojen hematoksilinom i eozinom (H&E) pod mikroskopom i biraju ključne karakteristike kako bi odredili stepen i stadijum raka. Ove informacije koriste onkolozi da razviju plan lečenja, koji obično uključuje neku kombinaciju operacije, lekova i zračenja. Histologija zasnovana na H&E je relativno jednostavna, jeftina, brza i može otkriti mnogo o tumoru.
„Naše postojeće mape kolorektalnog karcinoma potiču iz patologije — tokom 150 godina, otkrili smo najvažnije karakteristike H&E za dijagnostikovanje pacijenata“, rekao je ko-stariji autor Sandro Santagata, vanredni profesor sistemske biologije i saradnik HMS-a. profesor patologije u Brigamu i ženskoj bolnici.
Međutim, tradicionalna histologija ima svoje granice – naime, ne obuhvata molekularnu strukturu raka ili fizičku strukturu, što otežava potpuno iskorištavanje informacija koje su istraživači raka stekli u proteklih 50 godina.
„Histologija je izuzetno moćna, ali često ne znamo šta to znači u modernim molekularnim terminima“, rekao je Sorger.
U novom radu, istraživači su kombinovali histologiju sa jednoćelijskim molekularnim podacima dobijenim pomoću multipleksirane tehnike snimanja koja se zove ciklična imunofluorescencija ili CiCIF. Koristili su ove informacije za kreiranje detaljnih 2D mapa velikih regiona kolorektalnog karcinoma. Prvi autor Jia-Ren Lin, direktor platforme u Laboratoriji za sistemsku farmakologiju u HMS-u, predvodio je napor da se ove mape spoje kako bi se formirala velika 3D rekonstrukcija tumora.
„Naše mape uključuju informacije o skoro 100 miliona ćelija iz velikih delova tumora i pružaju prilično neviđen pogled na kolorektalni rak“, rekao je Santagata. Oni omogućavaju istraživačima da počnu da postavljaju ključna pitanja o razlikama između normalnog i tumorskog tkiva i varijacijama unutar tumora, dodao je, i otkrivaju „uzbudljive arhitektonske karakteristike koje nikada ranije nisu primećene, kao i molekularne promene povezane sa ovim karakteristikama.“
Mape su pokazale da jedan tumor može imati više i manje invazivne delove i regione manje ili više malignog izgleda – što rezultira histološkim i molekularnim gradijentima gde jedan deo tumora prelazi u drugi.
„Unutar svakog tumora postoji širok spektar svojstava kolorektalnog karcinoma – vidimo mnogo različitih regiona i naselja koji imaju različite karakteristike, kao i prelaze između njih“, rekao je Santagata. Odavde, dodao je, naučnici sada mogu istražiti šta pokreće ove razlike unutar pojedinačnih tumora.
Na primer, mape su pokazale da se imunološka okruženja dramatično razlikuju u okviru jednog tumora.
„Bili su različiti u okviru jednog tumora kao i među tumorima – što je važno jer su interakcije između tumora i imuniteta ono što pokušavate da ciljate imunoterapijom“, rekao je Sorger. Slično njihovom otkriću kod melanoma, istraživači su primetili da T ćelije koje imaju zadatak da se bore protiv raka nisu direktno potisnute tumorskim ćelijama, već drugim imunim ćelijama u okruženju oko tumora.
„Ovo nam daje potpuno novo razumevanje koliko su okruženja tumora raznolika i plastična – to su bogate zajednice i sada smo bolje opremljeni da shvatimo kako se razvijaju“, rekao je Santagata.
Mape su takođe pružile novi uvid u arhitekturu tumora. Na primer, naučnici su ranije identifikovali ono što su mislili da su 2D bazeni supstance nalik sluzi zvane mucin sa grupama ćelija raka koje plutaju unutra. Međutim, u novoj studiji, 3D rekonstrukcija je otkrila da su ovi bazeni mucina, u stvari, niz pećina međusobno povezanih kanalima, sa projekcijama ćelija raka nalik prstima.
„To je divlji, novi pogled na ove tumorske strukture koje nikada ranije nismo cenili“, rekao je Santagata. „Zato što ih možemo videti u 3D, imamo oštar, čist pogled na strukture, i sada možemo da proučavamo zašto su tamo, kako se formiraju i kako oblikuju evoluciju tumora.
Na kraju, cilj ovih mapa karcinoma debelog creva je isti kao i za sve atlase raka koje tim razvija: unaprediti istraživanje i poboljšati dijagnozu i lečenje. Precizna medicina, koja podrazumeva prilagođavanje terapije karcinomu pojedinačnog pacijenta, postaje sve važniji deo lečenja, primetio je Sorger, ali može ići samo tako daleko samo sa patologijom i genetikom.
„Velika translaciona priča ovde gradi znanje kako bi precizna medicina bila praktična za većinu pacijenata“, rekao je on. „Trenutno radimo sa Brigham and Vomen’s i Dana-Farber Institutom za rak kako bismo utvrdili kako se naše metode mogu koristiti u kliničkom okruženju.“
„Ovo nam omogućava da izvučemo čitav dodatni sloj molekularnih i strukturnih karakteristika za koje mislimo da će pružiti dijagnostičke i prognostičke informacije i poboljšati našu sposobnost da ciljamo ove vrste raka“, dodao je Santagata.
Sada, istraživači žele dalje da usavrše svoju sposobnost da kreiraju 3D rekonstrukcije tumora i nastave da integrišu nove tehnologije snimanja u svoje mape. Takođe žele da izgrade veću grupu uzoraka kolorektalnog raka za mapiranje i istraže osnovnu biologiju bolesti koju su njihove mape istakle.
Za Sorgera, projekat predstavlja neobičnu saradnju između patologa, inženjera i računarskih naučnika: kako su se podaci o slikama ubacivali, naučnici su koristili mašinsko učenje da identifikuju zanimljive nalaze koje su predstavili patolozima, a patolozi su označili ključne karakteristike koje su raščlanjen sa mašinskim učenjem.
„Ovo je bio izuzetno blizak razgovor između računarske grupe i grupe za patologiju, koji se kreće napred-nazad između bogate istorije medicine poznate patolozima i savremenih metoda mašinskog učenja.“ rekao je Sorger. „Mislim da je to uzbudljiv uvid u to kako se ove metode izračunavanja mogu koristiti u medicini u budućnosti, pri čemu čvrsto povezujete biologe i lekare sa računarstvom, umesto da ih vidite kao zamene jedni za druge.“
Tim je odabrao melanom i kolorektalni rak kao polaznu tačku jer su to uobičajeni kanceri sa nezadovoljenim medicinskim potrebama koji se sastoje od velikih, čvrstih tumora i zahtevaju važne odluke o lečenju. Zatim, istraživači planiraju da se pozabave rakom dojke i rakom mozga. Takođe žele da obuče druge naučnike da koriste tehnologije snimanja za pravljenje sopstvenih mapa raka, što bi otvorilo put za stvaranje još većeg broja atlasa.
„Počinje nova era u molekularnoj patologiji, a ovo je dubok pogled na tumor koji nam pokazuje koliko izvanredni nalazi mogu biti“, rekao je Santagata.
