Новый метод МРТ использует измененную глюкозу, чтобы «осветить» рак поджелудочной железы

Рак поджелудочной железы трудно обнаружить, отчасти потому, что поджелудочная железа находится глубоко в брюшной полости и ее положение может варьироваться от человека к человеку; поэтому опухоли поджелудочной железы могут оставаться скрытыми до тех пор, пока не станет слишком поздно для лечения. Теперь исследователи из Института науки Вейцмана демонстрируют, как новый подход к магнитно-резонансной томографии (МРТ) может заставить опухоли поджелудочной железы «светиться» при МРТ-сканировании.

Подобно тестам на толерантность к глюкозе, которые могут указывать на начало диабета путем измерения того, как организм переваривает сахар, новый метод МРТ отслеживает, как клетки «поедают», то есть метаболизируют, глюкозу.

Почти столетие назад немецкий ученый и лауреат Нобелевской премии Отто Варбург обнаружил, что опухоли потребляют необычно большое количество глюкозы по сравнению с большинством нераковых клеток. Он также заметил, что большая часть глюкозы, потребляемой опухолями, ферментируется до лактата – явление, которое стало известно как эффект Варбурга.

Показав, как можно использовать МРТ для различения и картирования конкретных продуктов метаболизма, которые в результате эффекта Варбурга возникают только в раковых клетках, новый метод МРТ может предложить способ «проверить» и определить наличие рака поджелудочной железы. Этот метод может привести к более раннему выявлению, лучшему лечению и более обнадеживающему результату для пациентов с раком поджелудочной железы.

Новая химия для отслеживания метаболизма глюкозы

Исследование, проведенное с использованием моделей агрессивного рака поджелудочной железы на грызунах, проводилось в лаборатории профессора Люсио Фридмана на факультете химической и биологической физики в сотрудничестве с профессором Авигдором Шерцем из факультета наук о растениях и окружающей среде.

Для разработки нового метода МРТ ученые использовали химически измененную глюкозу, содержащую стабильный изотоп водорода, называемый дейтерием. Перед сканированием эту измененную глюкозу вводили в кровоток мышам с раком поджелудочной железы.

По словам Фридмана, этот метод может превзойти традиционные методы МРТ или позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которые плохо выявляют опухоли поджелудочной железы.

«Традиционная МРТ не позволяет обнаружить опухоли поджелудочной железы, потому что даже при добавлении внешних контрастных веществ сканирование недостаточно специфично, чтобы выявить наличие и расположение рака», — говорит Фридман.

“Врачи не видят опухоль, пока пациент не почувствует ее воздействие. Даже если сканирование показывает наличие аномалии, ее часто невозможно отличить от воспаления или доброкачественной кисты. Точно так же нельзя доверять ПЭТ-сканированию, потому что положительный результат сканирования не всегда означает, что у пациента рак, а отрицательный результат ПЭТ-сканирования не всегда означает, что пациент свободен от рака”, – объясняет он. Стандартная профилактика рака поджелудочной железы включает периодическое сканирование с помощью КТ и МРТ, часто сопровождаемое инвазивной и неудобной эндоскопической биопсией, но такой комбинированный подход редко срабатывает.

Стремясь восполнить пробел, образовавшийся из-за нехватки диагностических методов, Фридман и его команда решили обнаружить новые признаки рака поджелудочной железы, используя МРТ для картирования различных способов, которыми нормальные и раковые ткани метаболизируют глюкозу.

«Мы все любим сахар, и кто откажется от хорошего мороженого», — говорит Фридман. «В здоровых клетках конечным продуктом переваривания глюкозы является CO2, газ, который мы выдыхаем при выдохе. Но Отто Варбург обнаружил, что раковые клетки не поглощают глюкозу «полностью». Вместо этого переваривание глюкозы останавливается в промежуточной точке с образованием лактата, молекулы, которая, как полагают, играет важную роль в делении и пролиферации раковых клеток».

Фридман объясняет, что остановка в этой средней точке переваривания глюкозы заставляет раковые клетки производить меньше энергии, чем нормальные клетки. Однако такой «стиль питания» дает раковым клеткам преимущество в выживании: присутствие лактата значительно помогает раковым клеткам размножаться и разрушать окружающие ткани.

«Наша цель состояла в том, чтобы использовать этот факт вместе с МРТ, чтобы выявить конкретные места, где вырабатывается лактат, тем самым определяя наличие и расположение раковых клеток и опухолей».

«Обходные пути» для повышения чувствительности МРТ

Но была проблема: количество лактата, вырабатываемого в раковых клетках, было намного ниже порога обнаружения обычной МРТ, которая работает путем измерения большого количества протонов в воде, содержащейся в сканируемых тканях. Чтобы обнаружить лактат, технология сканирования должна преодолеть огромный сигнал, создаваемый самой водой, концентрация протонов которой примерно в 100 000 раз превышает концентрацию лактата, которую мог бы произвести эффект Варбурга.

«При обычной МРТ сигнал воды просто ослепляет, а лактат — визитная карточка раковых клеток — остается незамеченным», — говорит Фридман.

Чтобы преодолеть эту проблему, он и его команда предложили два обходных пути. Во-первых, они обменяли протоны глюкозы на дейтерий, который представляет собой нерадиоактивную форму водорода. Когда эта «дейтеризованная» глюкоза была «съедена» раковыми клетками, она произвела дейтеризованный лактат, который значительно приблизился к созданию читаемого сигнала МРТ, поскольку он больше не заглушался сигналом протонов, переносимых водой.

Однако эти сигналы лактата все еще были слишком слабыми, чтобы их можно было обнаружить во всех опухолях, кроме самых крупных. Чтобы повысить чувствительность настолько, чтобы составить карту присутствия дейтеризованного лактата, ученые разработали комбинированные экспериментальные подходы и подходы к обработке изображений, которые повысили чувствительность более чем на порядок, позволяя «дейтериевой МРТ» обнаруживать даже очень крошечные количества этих «подделанных» молекул лактата.

Результаты метода дейтериевой МРТ Фридмана были кристально ясными: даже низкие концентрации дейтерированного лактата давали снимки, на которых ярко освещенные области показывали опухоли миллиметрового размера, в то время как сканирование оставалось «темным» везде. Ученые также обнаружили, что их подход гораздо более чувствителен, чем конкурирующий метод МРТ, который направлен на выявление рака путем мониторинга только заключительного этапа процесса переваривания глюкозы в раковых клетках.

Подчеркивая, что эта работа была выполнена на животных моделях и что его технологические открытия должны быть подтверждены на пациентах, Фридман считает, что дейтериевая МРТ открывает новые горизонты для улучшения и раннего выявления рака поджелудочной железы.

«Будущие клинические исследования, которые мы планируем начать как можно скорее, могут показать, что дейтериевая МРТ является спасительным методом ранней диагностики для людей, обладающих генетической предрасположенностью к этому ужасному заболеванию» – говорят ученые.

«Даже если рак не будет обнаружен вовремя, дейтериевая МРТ поможет измерить скорость, с которой происходит превращение глюкозы в лактат. Это может стать важным показателем для прогнозирования полезности определенных методов лечения или даже определения того, работает ли лечение. Это может сделать дейтериевую МРТ предпочтительным методом диагностики трудно распознаваемых опухолей поджелудочной железы и выбора лечения, которое обеспечит наилучший прогноз».

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.