Włączanie i wyłączanie genów. Szukamy przyczyn nowotworów, by je skutecznie leczyć

Sławomir Zagórski, OKO.press: Przez lata uważano, że nowotwór to wypadkowa trzech czynników. Genów, z jakimi przychodzimy na świat, wieku – bo im jesteśmy starsi, tym ryzyko choroby wzrasta, i trybu życia. Na geny i na wiek nie mamy wpływu, na ostatni czynnik tak. Czy takie postrzeganie przyczyn nowotworów jest wciąż aktualne?

Prof. dr hab. Tomasz K. Wojdacz*: Tak, chociaż znaczenie genów, jakie dostajemy od rodziców, przez lata było w onkologii przeceniane. Podam przykład. Jeśli chodzi o raka piersi, to słynna mutacja, jaką dziedziczymy od rodziców w genie BRCA1, w polskiej populacji odpowiedzialna jest tylko za 4 do 5 proc. zachorowań. A to najczęstsza mutacja, jaką dostajemy od rodziców. Potem już długo, długo nic.

Kiedy począwszy od 2005 roku postęp, jaki dokonał się w molekularnych technologiach badawczych, umożliwił masowe sekwencjonowanie pełnych genomów (czyli ustalanie litera po literze pełnej informacji genetycznej), zaczęliśmy szukać innych genów, które miałyby kluczowe znaczenie w rozwoju nowotworów.

I do dziś niczego więcej poza wspomnianym BRCA1 nie znaleźliśmy. Co więcej, staje się coraz bardziej oczywiste, że pewnie już nie znajdziemy.

Czym jest epigenetyka?

Zgodzi się pan jednak, że większość chorób ma podłoże genetyczne?

Choroby stricte genetyczne są chorobami rzadkimi. To na ogół schorzenia jednogenowe, tj. związane z zepsuciem jednego genu. A są rzadkie, ponieważ ewolucja pracuje nad tym, by się wadliwego genu pozbyć.

Zgadzam się natomiast z panem, że wszystkie choroby cywilizacyjne mają czynnik genetyczny. Wyniki ostatnich badań wskazują np., że ok. 150 genów zaangażowanych jest w zwiększenie o ok. 20 proc. ryzyka cukrzycy typu 2. Podobnie jest z chorobami kardiowaskularnymi i z nowotworami.

Ale musimy rozróżnić dwie rzeczy, a mianowicie to, co dostajemy od rodziców i to, co dzieje się później, czyli zachodzące w niektórych komórkach tzw. mutacje somatyczne. One podobnie jak nowotwór umrą wraz z nami, nie są więc przekazywane następnym pokoleniom.

Skoro jednak nie mutacje otrzymane od rodziców są bezpośrednim powodem nowotworów, to co nim jest?

Kiedyś myśleliśmy, że to właśnie mutacje somatyczne powodują nowotwory. Ale gdy zaczęliśmy sekwencjonować DNA nowotworów, znowu okazało się, że nie są one na tyle częste, by wytłumaczyć proces powstawania choroby.

No i tu dochodzimy do epigenetyki i do koncepcji, że jeżeli psują się nie same geny, to może zaczynają szwankować mechanizmy kontrolujące ich działanie.

Włączanie i wyłączanie genów

Jakie to mechanizmy?

Jest ich kilka. Najlepiej poznanym, mającym dziś największe znaczenie w onkologii, jest coś, co nazywamy metylacją DNA. Metylacja polega na przyłączaniu się grup metylowych (CH3) do cząsteczki DNA.

W wielkim uproszczeniu, gdy taka grupa przyłącza się do genu, przestaje on działać, tj. komórka przestaje wytwarzać na jego podstawie białko. Gdy zaś grupy metylowej nie ma, gen jest aktywny.

Można powiedzieć, że grupy metylowe znakują poszczególne geny, wskazując, które z nich mają działać, a które nie.

W tym, że jakiś gen nie działa, nie musi być nic złego.

Pamiętajmy, że nasze komórki zawierają komplet informacji genetycznej, tymczasem komórka nerwowa nie potrzebuje genów, które umożliwiają komórce mięśniowej kurczenie się i na odwrót. Dlatego wyłączanie i włączanie genów jest czymś, co warunkuje prawidłowe działanie komórki.

Ale już zaburzenie procesu włączania i wyłączania genów, czyli mechanizmów epigenetycznych przez czynniki środowiskowe, takie jak np. niezdrowy styl życia, okazało się kluczowe w rozwoju różnych chorób.

Zafiksowaliśmy się na paradygmacie

Trudno mi sobie wyobrazić, że malutkie, złożone z 4 atomów, grupy metylowe przyłączają się do ogromnej cząsteczki DNA i mają aż tak istotny wpływ.

Ale tak jest. Mechanizm z biologicznego punktu widzenia jest prosty. Po to, by gen zaczął działać, muszą przyłączyć się do niego pewne białka. Białka mają złożoną strukturę przestrzenną i muszą idealnie pasować do DNA. Wystarczy, że na drodze stanie grupa CH3 i białko już nie pasuje do DNA a cały proces odczytywania genu jest zaburzony.

Wracam do postępu technologicznego, jaki dokonał się 20 lat temu. Otóż raptem byliśmy w stanie w ciągu kilku godzin zobaczyć kompletne DNA człowieka. Nie jednego, lecz wielu ludzi. Mogliśmy te dane porównywać.

W tym samym czasie zaczęliśmy badać tzw. profil metylacji w różnych komórkach i obserwować jak on się zmienia w czasie. Popatrzmy np. na limfocyty B – białe krwinki odpowiedzialne za naszą odporność. Gdy ten limfocyt jest „młody”, wychodzi ze szpiku, ma pewien profil metylacji, ale gdy się wyspecjalizuje i zaczyna produkować przeciwciała, ów profil jest już zupełnie inny. Ta zmiana – jak mówiliśmy – powoduje włączanie i wyłączanie genów, co jest podstawą procesu powstawania różnych typów komórek i warunkuje ich prawidłową funkcję.

Wielu ludzi sądzi, że epigenetyka to coś nowego, co wcześniej nie istniało. Tymczasem ona cały czas istniała, tylko nie mieliśmy narzędzi, by ją dokładnie badać. Zafiksowaliśmy się na paradygmacie, że samo DNA się zmienia i to jest przyczyną nowotworów. Teraz wiemy, że zmiany genetyczne to tylko cześć procesu ich powstawania.

Nadzieje związane z terapią genową

Ile czasu zajmuje dzisiaj sekwencjonowanie całego ludzkiego genomu?

My w Szczecinie w Regionalnym Centrum Medycyny Cyfrowej, jesteśmy w stanie zsekwencjonować ok. 130 genomów tygodniowo. Samo sekwencjonowanie nie zajmuje dużo czasu, ale próbkę DNA do sekwencjonowania trzeba odpowiednio przygotować.

A jaki jest tego koszt?

To zależy od tego, ile mamy próbek i jakiego urządzenia do sekwencjonowania (sekwenatora) używamy. Im więcej, tym taniej, ale powiedzmy, że ok. 5-6 tys. zł.

Jakiś czas temu wiązaliśmy wielkie nadzieje z terapią genową, która miała polegać na naprawie chorych genów. Nadzieje te jednak okazały się płonne.

Już nie wchodząc w wyzwania technologiczne tego procesu, terapia genowa ma wciąż sens w odniesieniu do chorób rzadkich, gdzie trzeba naprawić jeden gen. Wyobraża pan sobie, że w przypadku cukrzycy, naprawiamy ok. 150 miejsc w genomie każdej komórki naszego ciała, by pozbyć się ok. 20 proc. ryzyka tej choroby?

Decyduje styl życia

To niewykonalne.

Zgoda, to niewykonalne. W przypadku nowotworów terapia genowa też na razie przegrała. Gdybyśmy założyli, że tylko mutacje powodują nowotwór, to, by go wyleczyć, musielibyśmy naprawić kilkadziesiąt, a nawet kilkaset genów w jednej komórce. A mutacje to, jak powiedzieliśmy, tylko jeden z mechanizmów prowadzących do powstania nowotworu.

Coraz jaśniejsze staje się, że o tym, czy geny, które otrzymaliśmy od rodziców, dojdą do głosu, decyduje styl życia. Tak jest w przypadku nowotworów, tak jest w przypadku cukrzycy.

Zaczynamy dopiero odkrywać te zależności i w tym zakresie epigenetyka jest kluczowa.

Okazuje się, że pomimo tego, że rodzimy się z “lepszymi” i “gorszymi” genami, to to, jak np. długo będziemy żyć, zależy zaledwie w 20-30 proc. od genów. Reszta zależy od środowiska, w jakim żyjemy, od stylu życia. Od tego, czy zdrowo jemy, czy się ruszamy, itp., itd.

Nie tłumaczmy się złymi genami

Są pewne rzeczy w środowisku, na które mamy niewielki wpływ – chociażby na jakość powietrza, jakim oddychamy. Ale jest mnóstwo rzeczy w naszym stylu życia, które możemy zmieniać, robiąc rzeczy, które są dla nas zdrowe, unikając zaś niezdrowych.

W ten sposób dochodzimy do konkluzji, że

Każdy z nas wie, że nawet jak doprowadzimy się do choroby otyłościowej, która zasadniczo podniesie nasze indywidualne ryzyko wielu chorób, stosunkowo prostą interwencją, jaką jest zmiana stylu życia, możemy to ryzyko obniżyć.

Trudno sobie wyobrazić, że obniżenie ryzyka choroby po tym, jak zaczniemy prowadzić zdrowy styl życia, spowodowane jest zmianami w sekwencji naszych genów. Ale łatwiej już sobie wyobrazić, że spowodowane jest to przywróceniem normalnego funkcjonowania mechanizmów epigenetycznych w komórkach naszego ciała.

Wyniki najnowszych badań, także tych ze Szczecina, jednoznacznie pokazują, iż zdrowszy styl życia przywraca nasze mechanizmy epigenetyczne do naturalnego stanu, z jakim się urodziliśmy.

Konkludując, w idealnym świecie, w którym środowisko nie oddziaływałoby negatywnie na organizm i na epigenetyczne mechanizmy kontrolujące geny w komórkach naszego ciała, żylibyśmy pewnie po 150 lat bez chorób i bardzo wolno się starzeli. Tak niestety nie jest.

Ale to też wielka szansa dla nas, bo możemy mieć realny wpływ na to, czy zachorujemy.

Zgoda. Z tym że ta teza jest niewygodna. Znacznie łatwiej powiedzieć, że w naszej rodzinie są złe geny i nic nie robić. A jeszcze łatwiej czekać na cudowną pigułkę.

Płynna biopsja – co to takiego?

W jakim stopniu osiągnięcia epigenetyki przekładają się już na zdrowie pacjentów?

Ponieważ historycznie badania epigenetyczne w zasadzie zaczęły się od onkologii, dziś najbardziej rozwinięta jest epigenetyka onkologiczna. Ale jednocześnie coraz więcej badań w tym zakresie dotyczy powszechnie występujących chorób metabolicznych.

Moim zdaniem największym osiągnięciem badań epigenetycznych w onkologii jest test pozwalający na wczesne wykrywanie nowotworu w tzw. płynnej biopsji, czyli próbce krwi.

Ponieważ nowotwory we wczesnych etapach rozwoju najprościej mówiąc nie bolą, najczęściej wykrywane są w stanie rozsianym, co zasadniczo zmniejsza szanse na wyleczenie. Nie mamy zbyt wielu przesiewowych metod wczesnego wykrywania nowotworów. A jeśli one istnieją, jak np. profilaktyczna mammografia, odsetek kobiet, jaki się jej poddaje, szczególnie w Polsce, jest niski.

Jestem pacjentem onkologicznym. Mój nowotwór na szczęście zdiagnozowany został bardzo wcześnie i operacja zakończyła sprawę. I tak może być w przypadku większości nowotworów.

Duża próba kliniczna

Zachorował pan na nowotwór, który wyjątkowo dobrze się leczy.

Tak, leczenie nowotworu, na który zachorowałem, pomimo, iż jest to nowotwór złośliwy, ma stosunkowo dobrą prognozę. Ale większość nowotworów dobrze się leczy w stadium nierozsianym. Natomiast w chwili, gdy nowotwór dał już przerzuty, każdy z nich jest ogromnym wyzwaniem.

Ale wróćmy do płynnej biopsji. Od mniej więcej 30 lat wiadomo, że gdy nowotwór się rozwija i nie daje jeszcze objawów klinicznych, jego DNA krąży we krwi. Wyobraźmy sobie sytuację, że znajdujemy to DNA, a następnie szukamy w nim zmian, które wywołują chorobę, i których nie powinno być we krwi zdrowej osoby.

W USA kilka lat temu przeprowadzono dużą próbę kliniczną, w którą zaangażowanych było dziesiątki szpitali. Pobrano próbki krwi od zdrowych osób. Następnie badano, czy jesteśmy w stanie wykryć w nich DNA rozwijającego się nowotworu, a z kolei w tym DNA mutacji albo zmian epigenetycznych charakterystycznych dla nowotworu.

Okazało się, że w odniesieniu do mutacji takiego testu nie da się opracować, natomiast zmiany epigenetyczne są na tyle specyficzne, że można w ten sposób diagnozować nowotwory.

W poszukiwaniu diagnostycznych testów

Które z nich?

Początkowo myśleliśmy, że wszystkie za jednym zamachem, za pomocą jednego testu. Ale okazało się, że to nie takie proste. Najważniejsze jednak było to, że zyskaliśmy dowód, iż epigenetyka może rzeczywiście zrewolucjonizować onkologię.

Badania w tym kierunku ruszyły z impetem na całym świecie. Także my w Szczecinie pracujemy nad takim testem. Wiemy już, że w przypadku każdego nowotworu będzie się on trochę różnił.

Pierwszy ze wspomnianych testów jest już na amerykańskim rynku. Nie jest jeszcze oficjalnie zarejestrowany, ale można go sobie zrobić, jeśli jest się w grupie ryzyka.

W USA rynek medyczny jest bardziej liberalny niż nasz europejski. Ale ja jestem raczej za konserwatyzmem naszego rynku, gdzie zanim dopuścimy test diagnostyczny do użytku, musi on zostać dogłębnie zbadany. Bo nie jest wielkim problemem, gdy wynik testu jest pozytywny, a pacjent nie ma raka. Znacznie gorzej jest, gdy otrzymujemy wynik negatywny, tymczasem u pacjenta rozwija się nowotwór. To, czy test daje fałszywie negatywne wyniki, musi być więc dogłębnie zbadane zanim test dostanie się na rynek.

Markery nowotworowe

Od lat bada się tzw. markery nowotworowe. Czym to się różni od testu epigenetycznego?

Nie da się jednoznacznie odpowiedzieć na to pytanie, ponieważ pod słowem “marker” kryje się wiele rzeczy. Mogą to być np. białka, które uwalniane są z guza w czasie, gdy ten zaczyna rosnąć, a także – jak już wcześniej wspominałem – DNA guza, w którym wykrywamy zmiany (markery) epigenetyczne.

Czy oznaczane do tej pory markery białkowe odmieniły onkologię?

Niestety, niespecjalnie. Wciąż zasadnicza część nowotworów wykrywana jest w stadium zaawansowanym. W przypadku testu opartego na płynnej biopsji i markerach epigenetycznych, wydaje się natomiast możliwe wykrywanie ich znacznie wcześniej. Każdy z nas od czasu do czasu oddaje próbkę krwi w celach diagnostycznych, dlatego powszechne wdrożenie testu opartego na płynnej biopsji, powiedzmy, co 2 lata, by wyłapać osoby, u których mógł się zacząć nowotwór, ma głęboki sens.

Cały problem tkwi w znalezieniu specyficznych zmian epigenetycznych, które będą w precyzyjny sposób identyfikować konkretne nowotwory. I nad tym właśnie pracujemy.

Medycyna spersonalizowana

Dzięki osiągnięciom epigenetyki będziemy nie tylko szybciej identyfikować, ale także skuteczniej leczyć nowotwory?

I tu dochodzimy do drugiego zastosowania epigenetyki. Mój zespół kończy właśnie prace nad ważną publikacją dotyczącą tzw. spersonalizowanej medycyny, czyli dopasowanej do konkretnego pacjenta medycyny nowotworów.

Udało się nam opracować technologię do precyzyjnej klasyfikacji ok. 50 typów nowotworów na podstawie zmian epigenetycznych, jakie zaszły w tych nowotworach. Algorytm umożliwiający tę klasyfikację już udostępniliśmy międzynarodowemu środowisku onkologicznemu.

Pierwszy etap medycyny spersonalizowanej to precyzyjna diagnoza. Bo gdy wiemy, jakie zmiany zaszły w nowotworze, możemy przewidywać, jak on się będzie rozwijał, jakie leki będą na niego działać. Aby wykonać diagnozę, badamy więc DNA nowotworu i szukamy w nich zarówno mutacji jak i zmian epigenetycznych.

Do tej pory diagnostyka onkologiczna opiera się głównie na histopatologii, czyli mikroskopowym badaniu zmienionych nowotworowo tkanek. Ale wiadomo, że histopatologia tylko w niektórych przypadkach jest precyzyjna, a w większości przypadków daje nam tylko ogólną diagnozę. W oparciu o histopatologię niestety rzadko da się więc personalizować leczenie.

Dlatego zaczęliśmy profilować zmiany epigenetyczne w różnych typach guzów. Następnie poprzez uczenie maszynowe (ang. machine learning) i stosując narzędzia sztucznej inteligencji, udało się stworzyć wspomniane narzędzie do diagnostyki.

Wyobraźmy sobie sytuację, że mamy guz i nie mamy histopatologa. Bierzemy z tego guza trochę DNA, profilujemy go epigenetycznie, klasyfikujemy. To wszystko może być wykonane w ciągu jednego dnia. Na podstawie tego profilu stawiamy precyzyjną diagnozę, będącą podstawą do leczenia. Dodam, że w przypadku trudno leczących się guzów mózgu Światowa Organizacja Zdrowia od kilku już lat rekomenduje diagnostykę właśnie na podstawie zmian epigenetycznych.

Pierwsze leki już są

Mówiąc o leczeniu, myślałem raczej o tym, czy epigenetyka da impuls do powstania nowych, skuteczniejszych leków przeciwnowotworowych?

To, że zmiany epigenetyczne są plastyczne i możemy je odwracać, doprowadziło do zmiany paradygmatu leczenia choroby. Bo do niedawna myśleliśmy, że każdą komórkę, w której zaburzone zostało działanie genów, trzeba z organizmu usunąć. A teraz okazuje się, że można taką komórkę przynajmniej próbować naprawić.

Znając profil zmian epigenetycznych np. w komórkach nowotworowych, wiemy, które geny działają, a które nie działają. Trochę tu oczywiście upraszczam, ale z tą wiedzą możemy zacząć „kombinować”, jak zawrócić niekorzystne zmiany epigenetyczne.

Pierwsze leki nacelowane na mechanizmy epigenetyczne, choć są niespecyficzne, stosujemy już w terapii białaczek.

Pracujemy nad następnymi, które będą specyficznie modyfikowały mechanizmy epigenetyczne. Ale żeby wiedzieć, co modyfikować, najpierw musimy mieć precyzyjną diagnozę i wiedzieć, jakie mechanizmy zostały uszkodzone w chorej komórce.

Milion pomiarów u 12 tys. pacjentów

Wasze narzędzie do diagnostyki nowotworów powstało dzięki sztucznej inteligencji. Pańskim zdaniem AI rewolucjonizuje już medycynę?

Może za jakiś czas, ale na razie nie można mówić o takiej rewolucji. Aczkolwiek nasza praca naukowa bez AI byłaby niemożliwa. Test, który opracowaliśmy, opiera się na około milionie pomiarów wykonanych u 12 tys. pacjentów. Analiza tak ogromnych zestawów danych jest poza możliwościami poznawczymi ludzkiego mózgu.

Jeśli chodzi o rozwiązania AI stosowane w szpitalach, w medycynie klinicznej, jesteśmy dopiero na początku drogi. Byłem ostatnio na Litwie i tamtejszy minister zdrowia pokazywał wyniki badań w ilu szpitalach Litwini używają rozwiązań sztucznej inteligencji. Otóż dotyczy to niespełna 25 proc. z nich i były to głównie rozwiązania nie tyle medyczne, co administracyjne. W innych krajach jest raczej podobnie.

Jeśli więc chodzi o samą medycynę, czyli diagnostykę i personalizację leczenia, aplikacje AI są jak dotąd nieliczne.

Prewencja, prewencja, prewencja

Wracając do chorób cywilizacyjnych, jeżeli poznamy lepiej związane z nimi mechanizmy epigenetyczne i dzięki temu powstaną nowe leki, pewnie będziemy woleli je zażywać zamiast zdrowiej żyć?

Tak niewątpliwie będzie.

Proszę zwrócić uwagę, co stało się z nowoczesnymi lekami na chorobę otyłościową. Za kilka lat pewnie większość z nas będzie je zażywać. Ale niestety, obserwujemy, że bardzo duża liczba pacjentów zażywających te leki nigdy nie zmienia trybu życia. Po tym jak stracą zbędne kilogramy, wciąż stronią od aktywności fizycznej a i ich nawyki żywieniowe się nie zmieniają oprócz tego, że jedzą zasadniczo mniej.

Nie neguję rewolucji, jaka dokonała się w leczeniu otyłości. Szkoda jednak, że ludzie nie modyfikują swojego stylu życia po tym, jak rozpoczną leczenie nowoczesnymi lekami na otyłość. Już mamy podejrzenie, że utrata masy mięśniowej podczas kuracji tymi lekami, jeśli nie jest kompensowana wzrostem aktywności fizycznej, może być dość poważnym skutkiem ubocznym.

Wiadomo, że gdy zmieniamy nasz styl życia na zdrowszy, ryzyko chorób się zmniejsza, pomimo że DNA się od tego nie zmienia.

Wszyscy to wiemy. I co z tego?

* Dr hab. n. med. Tomasz K. Wojdacz jest profesorem Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego w Szczecinie, kierownikiem Samodzielnej Pracowni Epigenetyki Klinicznej PUM, prezesem i współzałożycielem Międzynarodowego Towarzystwa Epigenetyki Molekularnej i Klinicznej.

Krótsza wersja tego tekstu ukazała się w Kompendium Zdrowia.