Odblokowanie regulacji metabolicznej w białaczkach w celu leczenia w przyszłości
Zmiany metaboliczne w komórkach to główna oznaka nowotworu. Metabolizm komórkowy jest regulowany ekspresją lub supresją enzymów, które kontrolują wytwarzanie energii oraz innych podstawowych budulców komórek. Szlaki te są często przeprogramowane w komórkach nowotworowych, mimo że nadal niewiele wiadomo na temat odpowiadających za to mechanizmów. Twórcy finansowanego ze środków UE projektu HaemMetabolome skoncentrowali się głównie na ostrej białaczce szpikowej, nowotworze krwi wywoływanym przez kombinację mutacji skutkującą przekształcaniem się komórek w złośliwy nowotwór. Jako że tego rodzaju nowotwory nadal bardzo trudno jest leczyć, zaś w Europie pięcioletni wskaźnik przeżywalności wynosi zaledwie około 15 %, pilnie potrzebne są lepsze opcje leczenia. Sieć szkoleniowa Maria Skłodowska-Curie zapewniła specjalistyczne szkolenie 10 naukowcom na wczesnym etapie kariery w dziedzinach łączących biologię komórek nowotworowych z kluczowymi technologiami obejmującymi bioinformatykę, modelowanie matematyczne oraz opracowywanie leków.
Przełom metodologiczny
Jako że metabolizm energii wiąże się z kontrolą komórkową, możliwość wywarcia na niego wpływu umożliwiłaby leczenie nowotworu. Dlatego też badacze z projektu HaemMetabolome sprawdzili, w jaki sposób metabolizm energii wiąże się z genetyką i szlakiem sygnałowym w komórkach ostrej białaczki szpikowej. Aby to osiągnąć, naukowcy wykorzystali spektrometrię mas oraz nuklearny rezonans magnetyczny, aby zbadać linie komórkowe nowotworu hematologicznego oraz pierwotne próbki od pacjentów pod kątem ich fenotypów metabolicznych. Przeprowadzili również analizy funkcji genów dla kluczowych regulatorów metabolicznych. „Jako pierwsi wykorzystaliśmy nuklearny rezonans magnetyczny do kompleksowych analiz metabolicznych nowotworowych linii komórkowych oraz pierwotnych komórek nowotworowych – jest to ważny przełom metodologiczny”, opowiada Ulrich Günther, koordynator projektu. W projekcie HaemMetabolome zbadano też substancje chemiczne z małych cząsteczek w niedojrzałych komórkach blastycznych pochodzących od pacjentów z białaczką. Badacze porównali je z genami pacjentów oraz wszystkimi białkami, których ekspresji może dokonać komórka. „Przed naszym badaniem niewiele było wiadomo na temat różnic pomiędzy zdrowymi komórkami macierzystymi a komórkami ostrej białaczki szpikowej. Mutacje genetyczne zachodzące w trakcie białaczki skutkują wyraźnymi różnicami w sygnalizacji, podejrzewaliśmy więc, że znajdziemy również różnice metaboliczne”, tłumaczy Jan Schuringa, zastępca koordynatora i główny badacz. W procesie metabolizmu energii powstaje adenozyno-5′-trifosforan (ATP), związek wywołujący wiele procesów komórkowych. Badania przeprowadzone w ramach projektu wskazywały na to, że niektóre podtypy ostrej białaczki szpikowej wytwarzają ATP z glukozy w procesie glikolizy, zaś inne wykorzystują enzymy utleniające składniki odżywcze. Zespół projektu zidentyfikował kluczowy element regulujący tę zmianę. Jest on ważny, ponieważ w podzbiorze przypadków inhibicja tej zmiany wstrzymała rozwój białaczki. Zwalidowano to w testach laboratoryjnych, w tym poprzez wszczepienie myszom z obniżoną odpornością ksenograftów pochodzących od pacjentów. Kolejne badanie przeanalizowało rolę poszczególnych metabolitów poprzez zbadanie komórek w nośnikach pozbawionych metabolitów; w jego wyniku ustalono, jak ważne są określony aminokwasy. Jeden ze studentów przeanalizował metaboliczne przeprogramowanie w takich komórkach tkanki łącznej w kontakcie z komórkami ostrej białaczki szpikowej. Zidentyfikowano metabolity dostarczające komórkom nowotworowym składników odżywczych niezbędnych dla przetrwania.
Potencjał terapeutyczny
W ramach spektrometrii mas wykorzystano zestaw takie jak zestawy Biocrates, aby dokonać pomiaru metabolizmu i jego wahań. Dodatkowo badacze opracowali oprogramowanie do analizy danych oparte na metodach wahań chromatografii gazowej-spektrometrii mas. Oba te rozwiązania zostały udostępnione badaczom. Opublikowano już informacje na temat nowych metod nuklearnego rezonansu magnetycznego stosowanych w projekcie do badania metabolizmu w czasie rzeczywistym; inne laboratoria zajmujące się nuklearnym rezonansem magnetycznym wdrażają obecnie te metody. „Ujawnienie zakresu przeprogramowania metabolicznego ostrej białaczki szpikowej powinno pomóc w ustaleniu celów terapeutycznych. Nasze wyniki w zakresie usuwania metabolitów, które wykazały ważną rolę poszczególnych metabolitów powiązanych z enzymami, stanowią obiecujące cele dla leków”, podsumowuje Günther. Jako że pierwotne ludzkie komórki wykorzystano jedynie dla podzbioru mechanizmów metabolicznych ujawnionych w projekcie, konieczne są dalsze prace, które potwierdzą uzyskane rezultaty.
Słowa kluczowe
HaemMetabolome, krew, nowotwór, metabolizm, genetyka, metabolit, nuklearny rezonans magnetyczny, energia, komórki, spektrometria mas, białaczka
