Группа ученых из DGIST под руководством старших научных сотрудников Юнхи Ли и Гёгвона Ку совершила прорыв в диагностике рака легких. Им удалось научиться определять генетические мутации опухоли, просто измеряя жесткость экзосом — микроскопических пузырьков, которые раковые клетки выбрасывают в кровь. Для этого они использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ), позволяющую анализировать физические свойства каждого отдельного экзосома с высочайшей точностью.

Немелкоклеточный рак легкого — самый распространенный тип этой болезни, на его долю приходится больше 85% случаев. Коварство в том, что на ранних стадиях он часто развивается незаметно, и его обнаруживают слишком поздно, когда лечение уже сложно. Традиционная биопсия, когда для анализа берут кусочек ткани опухоли, — процедура болезненная и не подходит для частого контроля. Поэтому сейчас все надежды возлагаются на «жидкую биопсию» — методы, которые ищут следы рака в обычном анализе крови.

Исследователи из DGIST пошли именно по этому пути. Они выделили экзосомы из трех разных линий раковых клеток легкого, каждая из которых несет определенную мутацию (A549: мутация KRAS, PC9: мутация EGFR, PC9/GR: устойчивая к лекарствам мутация EGFR). С помощью сверхчувствительного зонда АСМ они измерили жесткость и форму тысяч отдельных экзосом.

Результаты оказались поразительными:

• Экзосомы от клеток A549 (с мутацией KRAS) были значительно жестче остальных. Ученые связывают это с изменениями в липидном составе мембраны, которые вызывает эта мутация.
• Экзосомы от двух других линий клеток (PC9 и PC9/GR), имеющих общее происхождение, показали схожие физические свойства.

Это доказывает простую, но фундаментальную вещь: физическая «внешность» экзосома напрямую зависит от генетического портрета породившей его раковой клетки.

Подробности опубликованы в издании Analytical Chemistry.

Чтобы надежно классифицировать эти тончайшие различия, ученые привлекли искусственный интеллект. Данные о жесткости и высоте экзосомов преобразовали в изображения и обучили на них нейросеть (DenseNet-121). ИИ научился с высочайшей точностью определять, от какой клетки произошел тот или иной экзосом. Точность распознавания «жестких» экзосомов с мутацией KRAS достигла 96%, а общая точность модели (AUC) составила 0.92. Это открывает дорогу для нового поколения диагностики: чтобы найти рак и понять его тип, теперь не нужно маркировать экзосомы флуоресцентными метками — достаточно измерить их естественные физические свойства.

Наше исследование показывает новый диагностический потенциал: для выявления специфических мутаций рака легкого теперь достаточно небольшого количества экзосом, — говорят старшие научные сотрудники Юнхи Ли и Гёгвон Ку. — Мы планируем активно двигаться к практическому применению этой технологии, интегрировав высокоскоростную АСМ-платформу для работы с клиническими образцами.

Реальная польза этого исследования — в создании фундамента для принципиально нового, быстрого и малотравматичного инструмента для онкологов. Если технологию удастся довести до клиники, она может совершить переворот в нескольких аспектах:

• Ранняя диагностика: анализ крови на экзосомы может стать частью регулярного чекапа для групп риска (курильщики, люди с наследственной предрасположенностью), позволяя поймать болезнь на самой ранней, бессимптомной стадии.
• Персонализированное лечение: определение конкретной мутации (KRAS, EGFR и т.д.) по анализу крови позволит сразу, без сложной биопсии, подобрать таргетный препарат, который будет эффективен именно против этого типа опухоли.
• Мониторинг в реальном времени: процедура проста и повторяема. Врачи смогут по анализу крови отслеживать, как опухоль реагирует на терапию, и оперативно обнаруживать появление лекарственной устойчивости (как в линии PC9/GR), своевременно меняя тактику лечения.

Основное «узкое место» исследования — это перевод с лабораторных культур клеток на реальные образцы крови пациентов. Кровь — не стерильная питательная среда. В ней содержится колоссальное количество экзосомов от самых разных здоровых клеток, и „выудить“ среди этого моря именно раковые экзосомы — задача на порядки сложнее. Авторы честно указывают на это, говоря о необходимости валидации на клинических образцах. Кроме того, атомно-силовая микроскопия, особенно высокоскоростная, остается дорогим и сложным методом, требующим высокой квалификации оператора. Превращение ее в рутинный клинический анализ — серьезная инженерная и экономическая задача.

Ранее ученые выяснили, что ожирение ускоряет метастазы рака груди.