Come le cellule tumorali reagiscono ai farmaci

A causa dell’enorme divario tra questi estremi, la maggior parte dei test di routine non rileva l’espressione genica sottile o i cambiamenti dello stato cellulare che potrebbero svelare i meccanismi attivati ​​all’interno delle cellule perturbate.Tali test possono anche non riuscire a rilevare sfumature che potrebbero indicare effetti collaterali imprevisti dei farmaci in fase di test, o reazioni variabili tra cellule geneticamente identiche allo stesso farmaco, o perché le cellule diventano resistenti a un trattamento che in precedenza funzionava bene. Per affrontare queste limitazioni, un gruppo di ricerca che rappresenta molti campi, ha collaborato per sviluppare una tecnica più informativa.

“Questa tecnologia occupa effettivamente una nicchia tra i due tipi comuni di test”, ha affermato uno dei ricercatori principali, Sanjay R. Srivatsan, MD/Ph.D. studente del Medical Scientist Training Program presso la University of Washington School of Medicine di Seattle. “Puoi ottenere una sorta di visione globale delle risposte cellulari. Pensiamo che sarà davvero efficace classificare i farmaci, ad esempio, e dire qual è il loro meccanismo”.

La nuova tecnologia combina miglioramenti nell’etichettatura dei nuclei cellulari con progressi nella profilazione di quali geni sono espressi in ciascuna di milioni di cellule. Ciò è stato ottenuto con una risoluzione a cella singola e in modo conveniente. I ricercatori hanno chiamato il nuovo metodo di screening sci-Plex.

Nell’edizione online di Science, i ricercatori riportano i loro risultati di proof-of-concept. Gli autori principali dell’articolo, oltre a Srivatsan, sono José L. McFaline -Figueroa, un borsista post-dottorato in scienze del genoma presso la facoltà di medicina della UW e Vijay Ramani, un ex studente laureato in scienze del genoma dell’UW che ora è Sandler Faculty Fellow presso l’Università della California.

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I ricercatori senior erano  Cole Trapnell, Professore associato di scienze del genoma della UW School of Medicine e ricercatore presso il Brotman Baty Institute for Precision Medicine di Seattle e Jay Shendure,  Professore di scienze del genoma della UW School of Medicine e Direttore scientifico del Brotman Baty Institute. Shendure è anche un ricercatore dell’Howard Hughes Medical Institute  e dirige l’ Allen Institute Discovery Center for Cell Lineage Tracing  presso la bUW Medicine.

“La tecnica sci-Plex ci consente di riunire molte cellule geneticamente diverse e vedere cosa succede a molte singole cellule mentre sono perturbate in molti modi diversi“, ha affermato Trapnell. “Quindi raccogliamo tutti i dati insieme e li analizziamo utilizzando strumenti moderni dell’apprendimento automatico e della scienza dei dati per capire qualcosa su come ciascuno di quei farmaci agisce sulle cellule”.

Per mettere alla prova sci-Plex, i ricercatori lo hanno applicato a uno schermo utilizzando tre tipi di linee cellulari tumorali (leucemia, cancro ai polmoni e cancro al seno) trattate con 180 composti per il cancro, l’HIV e le terapie delle malattie autoimmuni. Le cellule sono state etichettate con un hashing nucleare di piccoli filamenti singoli di DNA. Questo hashing identifica diverse cellule e consente agli scienziati di mappare quali cellule hanno ricevuto quale farmaco. In un solo esperimento, i ricercatori hanno misurato l’espressione genica in 650.000 singole cellule da più di 5.000 campioni trattati in modo indipendente.

I risultati hanno indicato differenze significative nei modi in cui alcune cellule tumorali hanno reagito a composti specifici. Hanno anche rivelato schemi condivisi tra le cellule per quanto riguarda altre famiglie chimiche, nonché alcune proprietà che distinguevano i farmaci all’interno di una famiglia chimica. I ricercatori hanno approfondito la modalità d’azione di una classe di farmaci antitumorali, gli inibitori dell’HDAC. Hanno visto che i cambiamenti regolatori del gene corrispondevano alla proposta secondo cui questi inibitori bloccavano la proliferazione delle cellule tumorali bloccando l’accesso a una fonte di energia.

Descrivendo un altro aspetto della ricerca, Srivistan ha affermato: “È stato davvero interessante poter utilizzare i profili di espressione genica per classificare la potenza dei farmaci. Con variazioni della dose di oltre quattro ordini di grandezza, abbiamo potuto vedere un graduale aumento della risposta cellulare”.

Nel complesso, lo studio sci-Plex ha suggerito che potrebbe essere ridimensionato a migliaia di campioni per colpire diversi percorsi biochimici, catalizzatori, regolatori e modalità d’azione.

“Alcuni di questi lavori potrebbero riguardare il trattamento delle malattie, aiutando i ricercatori a capire come determinati farmaci producono i loro effetti, come lo stadio cellulare influenza l’efficacia e perché alcuni farmaci funzionano su alcune cellule, ma non su altre“, ha detto Trapnell.

“I medici danno anche a molte persone la stessa manciata di farmaci e funzionano per alcune persone e non per altre”, ha aggiunto Trapnell. “Potenzialmente sci-Plex potrebbe aiutarci a capire meglio perché è così”.

Trapnell ha affermato di ritenere che sci-Plex possa essere uno strumento utile per la medicina di precisione: “Alla fine, quando qualcuno si ammala di cancro, vogliamo uccidere l’intero tumore, tutte le cellule, non solo alcune delle cellule. Quindi capire perché alcune singole cellule rispondono in un modo a un farmaco e altre rispondono in modo diverso è fondamentale per progettare terapie che saranno completamente efficaci”.

Un netto vantaggio di sci-Plex, hanno notato i ricercatori, è che può distinguere come un composto colpisce sottoinsiemi di cellule.Oltre a quelli che costituiscono i tumori, tali sottoinsiemi potrebbero includere anche modelli viventi in laboratorio come cellule riprogrammate, organoidi ed embrioni sintetici.

I ricercatori ritengono che la facilità e il basso costo dell’hashing dei nuclei, combinati con la flessibilità e la scalabilità dei loro metodi per il sequenziamento unicellulare, potrebbero fornire a sci-Plex molte ricerche di base e applicazioni pratiche in biomedicina. Ad esempio, potrebbe aiutare a costruire un atlante completo delle risposte cellulari agli interventi farmaceutici.

“È una strategia molto generalizzabile”, ha detto Srivatsan. “Può essere eseguita con reagenti che qualsiasi scienziato può acquisire e può essere utilizzata in molti modi”.

Trapnell conclude: “Sono davvero interessato a come la comunità scientifica della genomica unicellulare accolga la strategian per cose che non ci aspettavamo. Succede sempre nel nostro campo. Gli sviluppatori di tecnologie e i biologi sperimentali stanno riproponendo la tecnica in tutti i modi che gli sviluppatori originali non immaginavano”.