Ученые Сеченовского Университета подобрали методы для оценки метаболизма раковых клеток и внутриклеточного pH после введения химиотерапевтических препаратов, а также влияния коллагенового внеклеточного «каркаса» на эти изменения. В перспективе новый подход позволит эффективно подбирать схему лечения на образцах собственных клеток пациента с учетом микроокружения опухоли — пока что малоизученного, но важного фактора. Работа велась совместно с Приволжским исследовательским медицинским университетом и СПбГУ. Результаты были опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.
«Стратегия индивидуального подбора схемы химиотерапии на выделенных клетках пациента сегодня активно развивается. Однако ключевым вопросом остается влияние микроокружения опухоли на эффективность воздействия химиотерапевтических препаратов. Чтобы корректно проанализировать этот эффект, необходимо получить статистику параметров затухания флуоресценции на клеточном уровне. Для этого мы разработали способы обработки данных FLIM на основе алгоритмов сегментации изображений с применением нейросети Unet», — рассказала одна из авторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории клинической биофотоники Сеченовского Университета ЕленаНиконова.
FLIM — визуализация времени жизни флуоресценции — метод, при котором оценивается продолжительность свечения при лазерном возбуждении химических соединений, задействованных в процессе метаболизма клетки. Продолжительность флуоресценции зависит от микроокружения, веществ в составе клеток и многих других факторов, поэтому метод позволяет оценивать их влияние на процессы в клетках.
В работе ученые сравнивали изменения метаболизма при химиотерапии в раковых клетках в чистом виде и в коллагеновой среде. Для воздействия на клетки в экспериментах специалисты научных групп М. В. Ширмановой из ПИМУ и профессора С. П. Туника из СПбГУ использовали признанную золотым стандартом схему химиотерапии рака толстой кишки FOLFOX, при которой применяются фолиевая кислота, 5-фторурацил и оксалиплатин. Внеклеточный матрикс ученые смоделировали с помощью коллагенового гидрогеля. Для мониторинга внеклеточного pH в СПбГУ разработали специальную молекулу-сенсор.
Обычная схема анализа данных FLIM не обладает нужной чувствительностью, поэтому была разработана специальная схема анализа на основе технологий машинного обучения на клеточном уровне. В основу легла процедура сегментации изображений FLIM раковых клеток в коллагеновом матриксе, имитирующем среду опухоли с помощью нейронной сети Unet. Количественный эффект от воздействия химиотерапии был определен как доля клеток с измененным метаболизмом. Наблюдая отклик во времени для клеток в коллагеновом геле и без него, исследователи изучили влияние коллагенового внеклеточного «каркаса» на эффективность химиотерапии.
Анализ результатов FLIM показал, что химиотерапевтические препараты изменяли внутриклеточную среду на более щелочную, тем самым снижая выживаемость клеток и их способность к инвазии. Однако присутствие коллагена замедляло этот процесс и защищало раковые клетки от гибели.
«Наши методы обработки данных FLIM позволили выявить снижение эффективности химиотерапевтической комбинации препаратов FOLFOX при наличии неструктурированного коллагена в микроокружении. Также было показано, что наличие коллагена приводит к метаболическим перестройкам в сторону гликолиза, которые улучшают выживание раковых клеток. Таким образом, помимо эффективности препарата, имеет смысл оценивать его способность проникать в клетки через микроокружение», — заключила Елена Никонова.
Новые данные будут полезны для подбора наиболее эффективных комбинаций препаратов для химиотерапии, считают ученые. Сейчас в клинической практике протоколы лечения обычно подразумевают использование одновременно нескольких противоопухолевых средств и поддержание максимально возможной концентрации препаратов в тканях опухоли. Однако, если использовать препараты, лучше всего проникающие через коллаген, или добавить к схеме терапии средства, облегчающие попадание препарата в клетку, можно одновременно поддерживать высокую концентрацию лекарства в тканях опухоли и при этом не наносить лишний вред организму.