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

Рак поджелудочной железы трудно обнаружить, отчасти потому, что поджелудочная железа расположена глубоко в брюшной полости, и ее расположение варьируется 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 метод 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, новая технология МРТ может отслеживать, 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 в молочную кислоту — явление, известное как эффект Варбурга.

Показав, как можно использовать МРТ для различения и картирования специфических метаболитов, которые появляются только в раковых клетках из-за эффекта Варбурга, новый метод МРТ может предоставить способ «тестировать» и обнаруживать наличие рака поджелудочной железы. Этот подход может привести к более раннему выявлению, лучшему лечению и более обнадеживающим результатам для пациентов с раком поджелудочной железы.

Новая химия для отслеживания метаболизма глюкозы

Это исследование с использованием модели инвазивного рака поджелудочной железы на грызунах было проведено в лаборатории профессора Люсио Фридмана на кафедре химии и биофизики в сотрудничестве с профессором Авигдором Шерцем на кафедре наук о растениях и окружающей среде.

Для разработки нового метода ЯМР ученые использовали химически измененную глюкозу, содержащую стабильный изотоп водорода, называемый дейтерием. Эту измененную глюкозу вводили в кровь мышей с раком поджелудочной железы перед сканированием.

Фридман сказал, что эта технология может быть лучше, чем традиционная МРТ или позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), которые менее эффективны при обнаружении опухолей поджелудочной железы.

«Обычная МРТ не может обнаружить опухоли поджелудочной железы, потому что даже с добавлением внешнего контрастного вещества сканирование недостаточно специфично, чтобы обнаружить наличие и расположение рака», — сказал Фридман.

«Врачи не видят опухоль до тех пор, пока пациент не почувствует ее последствия. Даже если сканирование показывает аномалию, часто невозможно отличить ее от воспаления или доброкачественной кисты. Точно так же нельзя доверять ПЭТ-сканированию, поскольку положительные результаты сканирования не «Да» всегда означает, что у пациента рак, тогда как отрицательный результат ПЭТ не всегда означает, что у пациента нет рака», — пояснил он. Стандартная профилактика рака поджелудочной железы включает регулярные КТ и МРТ, за которыми часто следует эндоскопическая биопсия, которая часто является инвазивной и неудобной, но такая комбинация редко работает.

Чтобы заполнить пробел, возникший из-за отсутствия диагностических методов, Фридман и его команда начали использовать МРТ для картирования различных способов метаболизма глюкозы в нормальных и раковых тканях, чтобы обнаружить новые признаки рака поджелудочной железы.

«Мы все любим сахар, и кто откажется от вкусного мороженого», — сказал Фридман. «В здоровых клетках конечным продуктом переваривания глюкозы является углекислый газ, газ, который мы выдыхаем, когда выдыхаем. Но Отто Варбург обнаружил, что раковые клетки не поглощают глюкозу «полностью». Вместо этого переваривание глюкозы останавливается на полпути, производя молочную кислоту, молекулу, которая, как полагают, играет важную роль в делении и пролиферации раковых клеток».

Фридман объясняет, что остановка переваривания глюкозы в этот средний момент приводит к тому, что раковые клетки производят меньше энергии, чем нормальные клетки. Однако такой «паттерн питания» дает раковым клеткам преимущество в выживании: присутствие молочной кислоты значительно помогает раковым клеткам размножаться и разрушать окружающие ткани.

«Наша цель — использовать это в сочетании с МРТ для выявления конкретных участков, где вырабатывается лактат, и таким образом определить наличие и расположение раковых клеток и опухолей».

«Обходные пути» для повышения чувствительности МРТ

Но есть проблема: количество лактата, вырабатываемого раковыми клетками, значительно ниже порога обнаружения традиционной МРТ, которая работает путем измерения большого количества протонов в воде, содержащейся в сканируемой ткани. Чтобы обнаружить лактат, метод сканирования должен преодолеть огромный сигнал, создаваемый самой водой, концентрация протонов которой примерно в 100 000 раз превышает концентрацию лактата, создаваемую эффектом Варбурга.

«При обычной МРТ сигнал воды просто ослепляет, в то время как лактат, отличительный признак раковых клеток, остается незамеченным», — сказал Фридман.

Чтобы решить эту проблему, он и его команда придумали два решения. Сначала они заменили протоны глюкозы на дейтерий, нерадиоактивную форму водорода. Когда эта «дейтерированная» глюкоза «съедается» раковыми клетками, она производит дейтерированный лактат, который намного ближе к созданию читаемого сигнала МРТ, поскольку он больше не подавляется сигналом протонов, переносимых водой.

Однако эти сигналы лактата были все еще слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить во всех опухолях, кроме самых крупных. Чтобы повысить чувствительность настолько, чтобы составить карту присутствия дейтерированного лактата, ученые разработали комбинацию экспериментальных методов и методов визуализации, которые увеличили чувствительность более чем на порядок, позволяя дейтерированному ЯМР обнаруживать даже очень небольшие количества этих «подделанных» молекул лактата.

Результаты метода дейтерированного ЯМР Фридмана были кристально ясными: даже низкие концентрации дейтерированного лактата давали изображения, на которых ярко освещенные участки обнаруживали опухоли миллиметрового размера, в то время как сканы были «темными» повсюду. Ученые также обнаружили, что их метод гораздо более чувствителен, чем конкурирующие методы МРТ, которые предназначены для обнаружения рака путем мониторинга только последнего этапа процесса переваривания глюкозы в раковых клетках.

Фридман подчеркнул, что работа проводилась на животных моделях и что его технические результаты должны быть подтверждены на пациентах, и он считает, что МРТ с дейтерием открывает новые горизонты для улучшения и раннего выявления рака поджелудочной железы.

Ученые заявили: «Будущие клинические исследования, которые мы планируем начать в ближайшее время, могут показать, что дейтериевая МРТ является спасительным методом ранней диагностики для людей с генетической предрасположенностью к этому страшному заболеванию.

«Даже если рак не будет обнаружен вовремя, дейтериевая МРТ поможет измерить скорость, с которой глюкоза превращается в лактат. Это может быть важным индикатором для прогнозирования эффективности определенных методов лечения и даже определения того, является ли лечение эффективным позволить дейтериевой МРТ стать методом выбора для диагностики трудно распознаваемых опухолей поджелудочной железы и выбора лечения, обеспечивающего наилучший прогноз».

Исследование было опубликовано в журнале Science Advances.