Модели опухолей в экспериментальной онкологии

"Модель – это ложь, которая помогает увидеть правду"
Говард Скиппер, американский онколог

О том, что животных можно использовать в качестве моделей для изучения различных воздействий, ученые догадались достаточно давно. Еще в Древней Греции Аристотель проводил эксперименты на живых животных. Позднее Авицена тестировал новые хирургические процедуры на животных, прежде чем выполнить их у пациентов.

В наше время в онкологии животные модели используются с различной целью:

• изучение эффективности и безопасности лекарственных препаратов, которые предполагается внедрить в клиническую практику - доклинические исследования;
• дальнейшая интерпретация результатов клинических исследований - пост-клинические исследования;
• скрининг в поисках новых лекарств;
• изучение биологии опухоли;
• изучение механизмов противоопухолевого лечения: взаимодействие препарата с мишенью.

Чтобы получить представление о роли экспериментальных исследований на животных в развитии онкологии, обратимся к двум историческим примерам.

Пример 1

В 1954 году в США был принят законопроект, поручавший Национальному институт онкологии разработать программу по целенаправленному и эффективному поиску лекарств для химиотерапии. За десять лет на миллионе мышей было протестировано около 83 тысяч синтетических веществ, 115 тысяч продуктов ферментации и свыше 17тысяч веществ растительного происхождения. В итоге, в распоряжении врачей для лечения детей с острым лимфобластным лейкозом было 4 препарата - метотрексат, преднизон, 6-меркаптопурин и винкристин. Все они использовались, но по отдельности. Лечение лейкемии у детей продолжало оставаться паллиативным.

Ученые задались вопросом, можно ли сложить эти препараты в эффективную схему лечения? А поскольку каждое из этих веществ и само по себе – сильный яд, то можно ли найти сочетание, которое уничтожит лейкемию, но сохранит жизнь ребенка? Выход подсказал Говард Скиппер, ученый из Национального института онкологии, называвший себя «мышиным доктором». Он изучал искусственно вызванную лейкемию у мышей.

На этой модели Скиппер впервые описал два важных наблюдения:

1. Химиотерапия в каждый момент убивает определенный процент от общего числа клеток, вне зависимости от того, сколько их в организме.
   Так, если взять мышь, у которой сто тысяч лейкозных клеток, и применить вещество, убивающее за один раз девяносто девять процентов этих клеток, то каждый новый прием будет убивать ровно эту долю, а в результате после каждого раза таких клеток будет оставаться все меньше и меньше: сто тысяч, тысяча, десять – и, наконец, после четвертого цикла упадет до нуля.
2. При комбинированном применении противоопухолевые лекарства работают синергически, усиливая действие друг друга.
   При использовании нескольких препаратов и нескольких повторных циклов химиотерапии с малыми промежутками между ними Скипперу удавалось на своей мышиной модели добиться полного исцеления от лейкемии.

Таким образом, если человеческая лейкемия похожа на мышиную модель Скиппера, то детей надо лечить по схеме, предусматривающей сразу несколько лекарств. Более того, одного курса лечения недостаточно. Нужна химиотерапия «максимальная, периодическая, интенсивная, действующая на опережение», – даже после того, как лейкозные клетки исчезнут из крови.

Было решено испробовать схему, сочетающую в себе четыре лекарства: винкристин, аметоптерин, меркаптопурин и преднизон. Эта схема получила сокращенное название по первым буквам каждого лекарства: ВАМП.

Позже концепцию сочетания противоопухолевых препаратов и их курсового введения, выработанную на экспериментальной модели, применили для поздних стадий лимфомы Ходжкина. Было решено взять четыре препарата – метотрексат (позже замененный на более сильнодействующее средство – прокарбазин), винкристин, азотистый иприт (или мустарген) и преднизон. Получился не менее токсичный, чем ВАМП, коктейль с аббревиатурой МОМП (МОПП – с прокарбазином), а курс лечения был увеличен с 2,5 мес. до 6.

Более половины испытуемых выздоровели окончательно и бесповоротно. Для поздних стадий лимфомы Ходжкина подобный ответ на лечение и количество ремиссий был беспрецедентен. Успехи комбинированной химиотерапии разительным образом изменили прогнозы пациентов с ранее неизлечимыми III и даже IV стадиями лимфомы Ходжкина. И изначально это стало возможным благодаря модели лейкемии Л1210 у мышей.

Пример 2

Еще один яркий пример использования животных моделей в онкологии – это создание анти Her2-препаратов. В 1982 в лаборатории Роберта Вайнберга выделили очередной онкоген из крысиной опухоли под названием нейробластома. Ген окрестили neu в честь типа рака, из которого этот ген был получен. От многих других открытых в то же время онкогенов его отличало то, что он не прятался в глубине клетки, а проходил через мембрану, причем так, что большой фрагмент его торчал наружу, доступный любому лекарству, т.е. это была идеальная мишень. Но эксперимент по связыванию этой мишени имеющимися в лаборатории антителами не был проведен.

Одна лаборатория забыла о гене neu, но он вынырнул в другом месте. Летом 1984 года группа исследователей, сотрудничавших с Вайнбергом, обнаружила человеческий гомолог neu. Исследователи назвали новый ген Her 2. Как ген ни назови, он остается тем же геном, но в истории neu произошел принципиальный сдвиг. Ген Вайнберга открыли в академической лаборатории, а Her-2 в фармацевтической компании «Генинтех», а это означало путь к разработке нового лекарства.

На этом пути был проведен один важнейший эксперимент с раковыми клетками, экспрессирующими Her 2. Эти клетки были пересажены мышам, что вызвало образование рыхлых метастазирующих опухолей, воспроизводящих агрессивное заболевание у людей. Иммунологи «Генинтеха» успешно создали мышиные антитела, связывающие и инактивирующие белок Her 2. Когда этими антителами была обработана культура растущих в чашке Петри клеток рака молочной железы с гиперактивностью Her 2, клетки перестали делиться, а потом умерли. Дальше эти антитела вводились живым мышам с опухолями – и опухоли исчезли. Это был тот самый идеальный результат, на который надеялись ученые.

Однако было понятно – от мышиных антител еще далеко до человеческого лекарства. Антитела следовало преобразовать в белок, более сходный с обычными человеческими антителами. Но и тут в «Генинтехе» нашелся человек, владеющий этим искусством, - Поль Картер. Летом 1990 года были предъявлены полностью очеловеченные антитела к Her 2, готовые к клиническим испытаниям. Эти антитела, став потенциальным лекарством, вскоре получили новое название герцептин.

Теперь от истории вернемся к предмету разговора – моделям опухолей. Классическими объектами экспериментальной онкологии являются млекопитающие, прежде всего мыши и крысы, которые хорошо адаптируются к условиям жизни в неволе и дают многочисленное потомство. Нет ни одной проблемы онкологии, которую не исследовали бы с использованием этих грызунов.

Какие модели опухолей могут быть использованы в онкологии?

• У животных встречаются спонтанные опухоли (особенно это относится к опухолям молочной железы); подобные модели довольно близки по своей картине к клинической ситуации.

Ограничение - невозможно набрать в конкретный срок требуемое количество животных с опухолями схожих размеров и этапов развития, чтобы провести эксперимент.

• Химически индуцированные опухоли.

Например, бензпиреновые опухоли индуцируются введением мышам однократно подкожно бензпирена в масляном растворе. Это приводит к равномерному развитию подкожных фибросарком у всех животных в месте инъекции в течение 4-5 недель после введения.

Ограничения: эффекты канцерогена на поведение самой опухоли, риск для других животных и персонала.

• Генетически созданные мышиные модели (genetically engineered mouse models – GEMM).

Такие модели позволяют достаточно точно моделировать спорадические человеческие опухоли за счет контролируемого изменения генома мышей, что обеспечивает развитие конкретной опухоли с определенными свойствами в заданной локализации. Так, создаются линии животных, которые целенаправленно лишены определенного гена, или, напротив, имеют встроенный дополнительный ген.

Ярким примером трансгенных мышей является линия мышей с повышенной экспрессией онкогена HER2. У этих животных в возрасте от 2 месяцев появляются опухоли молочных желез (HER2/neu-положительных).

Ограничения: несмотря на гистологическое и генетическое сходство со злокачественными новообразованиями у человека, для большинства GEMM характерно асинхронное развитие опухолей в организме-хозяине. Такие модели, как правило, гетерогенны с точки зрения частоты развития опухолей, времени задержки в развитии опухолей и характеристик роста.

• Перевиваемые опухоли – это самая многочисленная подгруппа.

Здесь можно выделить два принципиально разных способа перевивки.
Первый, когда фрагмент мышиной/крысиной опухоли в последующем перевивается животному той же линии.
Во втором случае животным (обязательно иммунодефицитным) вводится культура опухолевых клеток человека. Такие модели получили название ксенографтных.

Усовершенствованным и наиболее перспективным вариантом стандартной ксенографтной модели является модель, для создания которой используются фрагменты опухолей, полученные непосредственно от пациентов, т.е. осуществляется прямой перенос опухолевого материала, взятого у пациента, в организм животного с иммунодефицитом без предварительного культивирования опухолевых клеток (patient-derived xenografts – PDX). Подобные PDX-модели продемонстрировали способность точно предсказывать положительный клинический ответ на лечение у 90% пациентов, и резистентность к проводимой терапии у 97% больных. Цифры, близкие к этим были получены в целом ряде исследований.

Ограничения использования данной модели обусловлены техническими особенностями ее создания, для которого необходим доступ к опухолевой ткани определенного качества непосредственно после ее получения от пациента, а также определенной материально-технической базы лаборатории, позволяющей проводить соответствующую обработку полученного материала и поддерживать опухоль через серию пассажей в организме-хозяине.

Таким образом, если человеческая лейкемия похожа на мышиную модель Скиппера, то детей надо лечить по схеме, предусматривающей сразу несколько лекарств. Более того, одного курса лечения недостаточно. Нужна химиотерапия «максимальная, периодическая, интенсивная, действующая на опережение», – даже после того, как лейкозные клетки исчезнут из крови.

Было решено испробовать схему, сочетающую в себе четыре лекарства: винкристин, аметоптерин, меркаптопурин и преднизон. Эта схема получила сокращенное название по первым буквам каждого лекарства: ВАМП.