Основание для проведения: Федеральная научно-техническая программа развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019 — 2027 годы.
Соглашение о предоставлении из федерального бюджета гранта в форме субсидии от 07.10.2021 г. № 075-15-2021-1356 (внутренний номер № 15.СиН.21.0011)
О проекте
Одной из главных проблем применения нетрадиционных видов излучения, прежде всего нейтронного, является высокая степень неопределенности радиобиологических процессов, происходящих в опухолевых клетках, их микроокружении, а также нормальных тканях. Наряду с высокой стоимостью оборудования и недостаточной доказательной базой, отсутствие релевантных экспериментальных моделей опухолевого роста в течение длительного времени является сдерживающим фактором широкого внедрения этих высоко перспективных методов облучения. Сложности детекции реальных биологических процессов, происходящих на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях, по-прежнему представляют угрозу для распространения технологии, так как остаются риски как неэффективности, так и высокие и непрогнозируемые риски эффектов вне мишени при облучения этими методами. Существующих биологические модели опухолевых клеточных линий, на которых сейчас ведутся подобные исследования, к сожалению, не являются персонализированными, и не могут адекватно отражать истинную радиочувствительность и радиоиндуцированный ответ гетерогенной по клеточному составу опухолевой ткани.
Цель проекта
Разработка скрининговой платформы персонализированного определения оптимальных параметров нейтронной терапии на основе трехмерных клеточных моделей опухолей с целью повышения эффективности лечения онкологических заболеваний.
Результаты 1 этапа проекта:
Проведенное на данном этапе исследование позволило получить характеристику клеточного состава опухолевой ткани пациентов с опухолями органов головы и шеи. Разработан протокол клинического исследования с определением критериев включения в исследование больных, выбора оптимальной тактики хирургического и лекарственного лечения, выбора плана лучевой терапии с включением нейтронного компонента. Также разработаны две методики получения опухолевой и здоровой тканей у больных с раком органов головы и шеи. Одна касается получения биологического материала при оперативном вмешательстве, другая путем пункционной и/или трепан-биопсии. Создана базы данных и определены критерии включения больных в исследование. Разработана методика теста выживаемости трехмерных клеточных моделей опухоли под действием нейтронного и референсного излучений.
Был разработан код высокопроизводительных вычислений, позволяющий в оперативном режиме оценивать биологическую дозу протонной компоненты при действии нейтронного излучения с энергией 14.8 МэВ, а также сравнительный анализ производительности вычислений на различных видеокартах, для последующей интеграции полученных данных в планирующую систему для нейтронной терапии на базе генератора НГ-14. При проведении исследования показано, что каждый из способов получения ксенографтов имеет свои достоинства и недостатки.
Получена характеристика клеточного состава нормальной ткани перитуморальной области пациентов с опухолями органов головы и шеи. Особое внимание было уделено субпопуляциям эпителиальных клеток и поиску их дифференциальных маркеров. разработан протокол получения трехмерных клеточных моделей нормальной ткани из образцов слизистой ткани перитуморальной области, включающий в себя этап ферментативной диссоциации ткани, этап трехмерного культивирования и этап верификации полученных клеточных конструктов. Разработан протокол получения трехмерных клеточных моделей (органоидов) из нормальной ткани органов головы и шеи.
Результаты 2 этапа проекта:
Проведенное на данном этапе исследование позволило оценить клеточный состава опухолевой ткани больных, полученной при биопсии до и после терапии, исследовать радиоиндуцированный ответ опухолевых тканей, нормальной ткани перитуморальной области, трехмерных клеточных моделей опухолей, ксенографтных моделей при нейтронном облучении (исследование генома, исследование метилома, исследование транскриптома, проведение биоинформатического анализа).
Для этого были получены трехмерные клеточные модели опухоли из полученных образцов опухолевой ткани до терапии; разработаны протокол забора биологического материала у пациентов с раком органов головы, шеи, проведен сбор клинических данных и коллекции образцов опухолевой ткани у больных с раком органов головы и шеи.
Для клинической практики была разработана подготовка к лечению и процедуре облучения быстрыми нейтронами больных с раком органов головы и шеи. Проведено исследование последствий облучения биологических образцов нейтронным излучением в оптимальной дозе, устанавливаемой посредством натурного и математического моделирования.
Сделаны выводы об исследовании клинических эффектов метода персонализированной нейтронной терапии в комплексном лечении больных плоскоклеточного рака органов головы и шеи, на основе данных 3Дклеточных моделей.
Для экспериментального исследования на лабораторных животных созданы онкологические модели (ксенографты) рака органов головы и шеи больных с использованием иммунодефицитных лабораторных животных. На этой модели проведено исследование клеточного состава опухолевой ткани и нормальной ткани, полученных при аутопсии лабораторных животных до и после протонного и нейтронного облучения.
В рамках мероприятий по подготовке специалистов в области разработки, проектирования и строительства источников синхротронного и нейтронного излучения, а также научных кадров для проведения синхротронных и нейтронных исследований (разработок) в целях получения результатов мирового уровня:
Разработана программа магистратуры «Радиационная биомедицина» (направление подготовки 06.04.01 Биология); нормативно-правовые документы и открыта дополнительная профессиональная программа повышения квалификации врачей «Протонная и нейтронная лучевая терапия опухолевых заболеваний» (72 часа);
Программа магистратуры «Радиационная биомедицина» по документам открыта. Для привлечения абитериентов разработаны рекламно-информационные материалы.
Дополнительной профессиональная программа повышения квалификации врачей «Протонная и нейтронная лучевая терапия опухолевых заболеваний» проведена. В первый год было обучено 24 слушателя.
Полученные на данном этапе результаты являются необходимой базой для проведения дальнейших исследований в рамках выполнения проекта. Результаты являются актуальными для специалистов в области фундаментальной и клинической онкологии и обладают научной новизной.
Результаты 3 этапа проекта:
На третьем этапе выполнения проекта были получены трехмерные клеточные модели опухоли из образцов опухолевой ткани пациентов. Из клинического материала получены трехмерные клеточные модели, в том числе, нормальных тканей из полученных образцов перитуморальной области. У пациентов проведен сбор клинических данных и коллекции образцов опухолевой ткани у больных с раком органов головы и шеи. С использованием этих данных обновлена база данных образцов опухолевой ткани тканей у больных с раком органов головы и шеи.
Полученный материал был использован для валидации скрининговой тест системы персонализированного подбора режимов и нейтронной терапии на трехмерной клеточной модели опухоли органов головы и шеи. Проведен биоинформатический анализ и сопоставлены данные радиоиндуцированного ответа клеток опухолевых и нормальных тканей после нейтронного облучения, определение дифференциальных клеточных и молекулярных сигнатур. Сравнение эффективности персонализированного определения чувствительности к нейтронной терапии животной ксенографтной модели и трехмерной клеточной модели рака органов головы и шеи и сопоставление полученных данных исследования скрининговой системы и клинических результатов позволило сделать заключение об эффективности персонализированного определения чувствительности к нейтронной терапии разрабатываемой тест-системы.
В результате исследования получен прототип скрининговой тест системы персонализированного определения чувствительности к нейтронной терапии на трехмерной клеточной модели опухоли органов головы и шеи. Проведенное технико-экономическое обоснование разработанной тест системы показывает важность продления проекта и проведения регистрации тест-системы как медицинского изделия для широкого внедрения в клиническую практику.
В рамках реализации проекта в 2021-2023 гг. проведены фундаментальные поисковые исследования радиобиологических эффектов синхротронного излучения на опухолевую и перитуморальную ткани в трех модельных системах (биоптат, трехмерная клеточная модель и ксенграфтная модель на лабораторных животных) плоскоклеточного рака органов головы и шеи. В тканях перитуморальной области были выявлены дифференциальные молекулярно-генетические маркеры радиочувствительности, которые позволяют у каждого конкретного пациента определять прогноз и потенциальную клиническую эффективность протонной терапии с использованием КПТ-Прометеус. Релевантные результаты были получены при облучении нейтронами (нейтронный генератор НГ-24) в экспериментальных моделях. В рамках продолжения проекта будет проведена валидация и государственная регистрация диагностической тест-системы детекции радиочувствительности плоскоклеточного рака органов головы и шеи при протонной терапии как медицинского изделия. Также будет изучена экспрессия данных маркерных генов радиочувствительности на трехмерной клеточной модели до и после облучения нейтронами с оценкой радиоиндуцированных биологических эффектов in vitro. Разработанная методика позволит персонализировано выявлять радиочувствительных пациентов, с хорошим прогнозом и наибольшим выигрышем от применения протонной и нейтронной терапии. Полученные результаты позволят обеспечить оптимальное маршрутизирование пациентов на различные варианты лучевой терапии и приведут к более обоснованному применению дорогостоящих методов противоопухолевой терапии в широкой клинической практике. Таким образом, результаты данного проекта имеют существенное прикладное значение в развитии синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры в области медицины и в перспективе окажут выраженный социально-экономический эффект в рамках реализации Федеральной программы.
Результаты 4 этапа проекта:
На данном этапе отработана методика стандартизованного получения трехмерной клеточной модели перитуморальной ткани плоскоклеточного рака органов головы и шеи. Была собрана коллекция биологического материала и клинических данных больных с плоскоклеточным раком органов головы и шеи исследования. Проведена оценка биологического материала на предмет экспрессии генов маркеров радиочувствительности до и после облучения фотонами и протонами. Проведено сопоставление данных после облучения трехмерной клеточной модели фотонами, протонами и нейтронами с данными о клинических эффектах у пациентов после фотонной и протонной терапии.
По результатам этапа разработан мультиплексный ПЦР-РВ тест, позволяющий провести оценку экспрессии генов маркеров радиочувствительности до и после облучения трехмерной клеточной модели нейтронами. Также был разработан фантом для отработки методики стандартизованного облучения трехмерной клеточной модели в полях различного качества для целей исследования.
Все поставленные задачи были успешно выполнены.
Селекция пациентов для адронной терапии представляет собой сложный и многогранный процесс, требующий интеграции различных методов оценки и моделирования. Однако для такого дорогостоящего, и высокоэффективного метода терапии, направление селективного отбора пациентов на основе биомаркеров фактически не изучено. В этой связи актуальным является исследование по поиску маркеров, объективно отражающих радиочувствительность и радиорезистентность опухоли, и разработке системы тестирования, которая будет сможет с высокой степень достоверности оценить данный аспект при выборе варианта лучевого лечения, что обеспечит дифференцированный подход к лечению пациентов и позволит максимально эффективно использовать ресурсы адронной терапии у одной из наиболее частых групп, больных плоскоклеточным раком головы и шеи.
В результате исследования получен прототип скрининговой тест системы персонализированного определения чувствительности к различным видам лучевой терапии на трехмерной клеточной модели опухоли органов головы и шеи. Проведенное исследование разработанной тест системы показывает важность продления проекта и проведения регистрации тест-системы как медицинского изделия для широкого внедрения в клиническую практику.