Петерсен Е.В., Зоригт Д., Лифанов Д.А., Шабалина Е.Ю., Халил А., Ширяев А.А., Писарева Т.Н., Жемерикин Г.А., Сукорцева Н.С., Каралкин П.А., Решетов И.В. Параллельное биобанкирование образцов раковых пациентов, перенесших COVID-19, как инновационный путь к мультиомиксному скринингу. Head and neck. Голова и шея. Российский журнал. 2024;12(4):147–153
По сравнению с традиционным представлением о биобанках, включающих в себя один тип заготовляемых биоматериалов пациентов или коллекцию образцов ДНК, биобанки нового типа должны представлять собой не только репозитории, но и инфраструктуру, которая позволит проводить трансляционные и поисковые исследования с использованием биоматериалов от пациентов. Также, паралельное биобанкирование, включающее одновременный забор различных типов биоматериалов (цельная кровь, плазма, экзосомы, ДНК, микроРНК, лейкоциты, замороженные с сохранением своей жизнеспособности клетки опухолей и их микроокружения и т.д.) позволит использовать их в in vitro моделях для проверки действия лекарственных препаратов, а также для прогнозирования развития резистентных к лечению популяций раковых клеток и клеточной трансформации. Такой подход к биобанкированию открывает новые возможности для изучения предраковых ниш, редких форм рака и разработки персонализированных стратегий лечения, также обеспечивая возможность воспроизведения in vitro механической и молекулярной перестройки тканей, изменение профиля сигнальных молекул и секретома клеток. Ключевые слова: биобанк, биоколлекция, рак головы и шеи, злокачественные опухоли, трансляционная медицина, персонализированная медицина, онкология, внеклеточный матрикс Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Финансирование. При поддержке гранта № 21-15-00411 Российского научного фонда и Соглашению No. 141-03-2024-014 (122030900062-5).
Compared to the concept of biobanks, which include one type of biomaterials from patients or a library of DNA samples, new types of biobanks shouldn’t be only repositories, but also infrastructure, which allows for innovative and translational research using biomaterials from patients. Also, parallel biobanking, including the simultaneous collection of various types of biomaterials (whole blood, plasma, exosomes, DNA, microRNA, leukocytes, tumor cells and their microenvironment — frozen with preservation of their viability, etc.) will allow them to be used in in-vitro models to test the effects of drugs, as well as to predict the development of treatment-resistant populations of cancer cells and cellular transformation. This biobanking approach opens new opportunities to study precancerous niches, rare forms of cancer and to develop personalized therapeutic strategies, giving researchers new opportunities for in vitro recapitulation of tissue mechanical and molecular changes, changes of signaling molecules profile and secretome. Keywords: biobank, biocollection, head and neck cancer, malignant tumors, translational medicine, personalized medicine, oncology, extracellular matrix Conflicts of interest. The authors have no conflicts of interest to declare. Funding. Supported by Grant No. 21-15-00411 of the Russian Science Foundation and Agreement No. 141-032024-014 (122030900062-5).
Введение К декабрю 2023 г. COVID-19 привел к 6,9 млн смертей из 772 млн случаев [1]. Выжившие пациенты сталкиваются с разнообразными последствиями, включая постковидный синдром (ПКС) [2–4]. ПКС влияет на 40% зараженных лиц, изменяя молекулярные характеристики организма [5]. Поскольку рак является одним из наиболее распространенных заболеваний во всем мире, ожидается, что значительная часть населения будет страдать как от COVID-19, так и от рака. Нарушенное микроокружение опухоли (МО) является одним из ключевых факторов, влияющих на патогенез рака у пациентов с COVID-19 в анамнезе [6]. Поэтому создание биоколлекций клеточных культур, тканей и других биообразцов пациентов с учетом перенесенного COVID19 крайне актуальна в современных реалиях. Такие биоколлекции критичны для разработки подходов диагностики и лечения рака у пациентов, перенесших после инфекции SARS-CoV-2. Существует несколько изменений, связанных с COVID-19, не только внутри клетки-хозяина, как обсуждалось выше, но и в микроокружении ткани, включая внеклеточный матрикс (ВКМ). Вкратце, МО включает ВКМ определенной архитектуры, молекулярного состава и механических характеристик (таких как жесткость, пористость, плотность и т. д.), различные секретируемые сигнальные молекулы (внеклеточные везикулы, цитокины, циркулирующие внеклеточные некодирующие РНК и т.д.), иммунные и стромальные клетки, а также прилегающие неопухолевые ткани, которые способствуют патогенезу рака [7]. Одним из наиболее заметных долгосрочных последствий COVID-19 является фиброз легких [8], известный фактор риска рака легких [9], патологическое состояние, значительно изменяющее легочную ткань в виде МО из-за избыточного накопления внеклеточного ВКМ в легких и изменения его характеристик. Молекулярные и механические изменения ВКМ вследствие фиброза легких хорошо изучены [10]. Говоря несколько упрощенно, ВКМ становится более жестким, что в свою очередь может влиять на поведение раковых клеток в таком микроокружении. Ожидается, что под действием COVID-19 модифицируется не только МО легких, но и МО других органов, что способствует онкогенезу и метастазированию различных нозологических форм в различных тканях и органах. Например, субъединица спайка S1 SARS-CoV-2 индуцирует активацию клеток микроглии головного мозга [11] – тканевых (резидентных) немигрирующих макрофагов центральной нервной системы, клеток врожденного иммунитета головного мозга, участвующих в этиологии и патогенезе заболевания первичной опухоли головного мозга, включая глиому [12]. Подобные клетки составляют примерно 30% массы первичной опухоли головного мозга М [13, 14]. Следует отметить, что существует несколько ключевых различий не только между микроокружением нераковой ткани и МО, но также между МО и предраковым микроокружением. Например, существуют значительные различия в секретоме цитокинов иммунных клеток в предраковом микроокружении и МО при раке головы и шеи [15]. Туморогенными здесь считаются любые изменения микроокружения ткани, переводящие ее из «нормального» в «предраковое» состояние или из предракового в «злокачественное». Имеются стойкие изменения профиля иммунных клеток в микроокружении легочной ткани, пораженном инфекцией SARS-CoV-2 [16]. Сдвиг в среду провоспалительных цитокинов во время COVID19 является характеристикой предраковой ниши по сравнению с нераковой тканью. Концепция двунаправленной связи между COVID-19 и раком предполагает, что рак изменяет восприимчивость человека к COVID-19 и, наоборот. Более того, молекулярные и механические изменения тканей и органов, вызванные COVID-19, могут вызывать долговременные изменения в предраковом и злокачественном микроокружении тканей, тем самым влияя на реакцию раковых клеток на терапию. Таким образом, создание биобанков образцов пациентов с перенесенным инфекционным заболеванием COVID-19 в анамнезе заложит основу для столь необходимых исследований рака как последствия COVID-19, что позволит разработать индивидуальную терапию. Преобладающими образцами в трансляционных онкологических биобанках являются фиксированные в формалине парафинизированные образцы тканей, свежезамороженные биоптаты опухолевых и близлежащих нормальных тканей, фиксированные в O.C.T. образцы, образцы периферической крови, образцы мочи, образцы тотальной ДНК и РНК. Однако развивается и биобанкинг экзосом, органоидов, циркулирующей бесклеточной ДНК, «жидкая биопсия», опухоль-ассоциированный микробиом и т.д. [17–20]. Одной из наиболее точных моделей поведения сόлидных опухолей in vitro являются трехмерные (3D) многоклеточные модели, особенно системы на основе каркаса, включающие элементы тканевого окружения опухоли, такие как ВКМ [7, 21]. Существуют заметные различия между 2D и 3D моделями клеточных культур рака головы и шеи с точки зрения чувствительности к лекарствам и других характеристик опухоли [22]. Ценным инструментом для создания 3D клеточных систем являются децеллюляризированные ВКМ (дц-ВКМ), полученные из тканей животных, производство которых по ряду причин, в т.ч. этических, является более осуществимой задачей, чем получение материалов от человека. В настоящее время разрабатываются такие 3D-модели рака головы и шеи, использующие дц-ВКМ, полученные из тканей животных [23]. Таким образом, например, при изучении патогенеза опухоли и прогнозировании ответа опухолевых клеток на терапию (персонализированная терапия) можно грубо оценить поведение опухолевых клеток в 3D-модели, состоящей из клеток рака головы и шеи, полученных от пациента, и полученного внеклеточного децеллюляризованного матрикса животных из биобанка. Важно отметить, что компоненты самого МО, включая ВКМ, являются многообещающими мишенями для терапии [24], поэтому образцы человеческого МО также следует помещать в биобанк, если это возможно. Несомненно, целесообразно включать в коллекции нозологического биобанка образцы микробиома (микробиоты) человека. Биобанкинг микробиоты пациента в дальнейшем предоставит возможность построить in vitro модели взаимосвязи микробиоты и развития злокачественных новообразований. Существует связь между микробиомом полости рта, глотки, горла и рака головы и шеи [25-27]. Более того, недавно при плоскоклеточном раке полости рта была обнаружена связь микробиома полости рта с метастазами в лимфатические узлы [28]. Взятие образцов микробиома из полости рта – простой и неинвазивный процесс, что делает его особенно привлекательным для биобанкинга и открывает новые возможности для диагностики и терапии на основе микробиома. В целом, в свете текущих достижений в области биобанкинга и связанных с ним технологий/методологических подходов, мы видим ключевую роль биобанков как платформы для изучения не только распространенных, но и редких типов рака – неудовлетворенной потребности в современной трансляционной онкологии. В данной работе была собрана коллекция биоматериалов пациентов с установленным диагнозом онкологического заболевания, при этом когорта включала пациентов, как перенесших инфекционное заболевание COVID-19, так и не имевших задокументированных контактов с возбудителе, и разработан протокол сбора биологических образцов для валидации in vitro тест-системы персонализированного прогноза эффективности противоопухолевой терапии. Собрана коллекция биоматериалов (свежезамороженные образцы ткани, кровь и микробиота) 7 образцов мочевыделительной системы, 3 – кожи, 28 – желудочно-кишечного тракта, 7 – половой системы, 8 – дыхательной системы, 18– ротовой полости, 11 – молочной железы (табл.). Биобанкирование биологических образцов раковых пациентов Создание и использование биобанков – активно развивающаяся область, играющая важную роль в развитии многих отраслей биотехнологии и биомедицины, включая онкологию и трансляционную медицину. Традиционно в биобанках преимущественно собирали ДНК, кровь, замороженные опухолевые ткани (включая диагностические биопсии, образцы аутопсии и избыточные хирургические ткани), а также фиксированные в формалине парафинизированные образцы. Последние достижения в области «омических» исследований (таких как транскриптомика, геномика, протеомика, метаболомика, эпигеномика и микробиомика), разработка систем 3D-культуры тканей и интеграция передовых биоинформационных инструментов с большими данными произвели революцию в биобанкинге. Эти преобразования не только повышают возможности биобанков, но и расширяют методологические подходы и спектр материалов, пригодных для включения в ресурсы биобанков [29]. В данной работе мы предлагаем следующую стратегию сбора биологических образцов (рис.): Образцы биоптата, полученные в ходе исследования, подлежат секционированию на 4 части в соответствии с предложенной стратегией: 1) первая часть направлена на создание биобанка, где будут храниться живые клетки для долгосрочного сохранения и возможного использования в будущих исследованиях, 2) вторая часть выделенного биоптата предназначена для проведения генетических исследований, раскрывающих молекулярные особенности биологического материала, 3) третья часть предназначена для извлечения ВКМ, предоставляя материал для изучения внеклеточных компонентов и их влияния на окружающую ткань, 4) четвертая часть предназначена для последующей гистологической фиксации, обеспечивая возможность детального морфологического анализа тканей. Каждая из указанных частей биологического образца подлежит дальнейшему анализу в соответствии с целями конкретного исследования. Дополнительно к вышеописанным биоптатам будут собраны образцы буккального эпителия с использованием свабов и заморожены в биобанке. Эти образцы предоставят ценную информацию о генетических характеристиках пациента. Биобанкирование микробиоты представляют интересные перспективы для изучения, особенно когда мы рассматриваем образцы, полученные от пациентов с онкологическими заболеваниями. Эти биобанки становятся ценным инструментом для анализа влияния микробиома на патогенез рака и реакции на терапию. Мы предлагаем внедрить рутинное биобанкирование микробиоты в области трансляционной онкологии вместе с традиционными типами биообразцов. Также дополнительно к предыдущим этапам сбора биоптатов и буккального эпителия будет проведен сбор образцов крови с целью получения дополнительной информации о состоянии пациента. Кровь будет взята с использованием стандартных медицинских процедур соблюдением всех санитарных и этических норм. Полученные образцы крови будут обработаны для выделения сыворотки и лейкоцитарной массы для охвата различных компонентов крови и детального анализа. Образцы крови предоставят возможность анализа биохимических параметров, содержания маркеров заболеваний, а также состояния иммунной системы через лейкоцитарную массу.Заключение С учетом такого широкого спектра образцов в биобанках современный биобанкинг требует специального внимания. Мы уделяем особое внимание методам сбора и хранения образцов, стремясь обеспечить максимально долгосрочное сохранение коллекции и максимальную эффективность использования ее ресурсов для разнообразных видов анализа. Такой подход становится ключевым фактором в прогрессе исследований и позволяет максимально раскрывать потенциал биобанков в контексте онкологических исследований.