ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2015, № 3, с. 293-301
ФИЗИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ ^^^^^^^^^^^^ И ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.867.4:616.006.04
РАСПОЗНАВАНИЕ ЖИВОТНЫМИ-МАКРОСМАТИКАМИ ЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, СВЯЗАННЫХ С РАЗВИТИЕМ ГЕПАТОКАРЦИНОМЫ: ПОДХОДЫ К ПОИСКУ МАРКЕРОВ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
© 2015 г. Е. И. Родионова*, М. Ю. Кочевалина*, Е. В. Котенкова**, О. В. Морозова***, Г. А. Когунь****, Е. Л. Батаева****, А. В. Амбарян**
*Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН,
127051 Москва, Большой Каретный пер., 19, стр. 1. **Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071 Москва, Ленинский просп., 33 ***Научно-исследовательский институт канцерогенеза РОНЦим. Н.Н. Блохина РАМН,
115478Москва, Каширское ш., 24 ****Кинологический отдел ДУАБ ОАО "Аэрофлот — Российские авиалинии", 119002 Москва, ул. Арбат, 10 E-mail: a.rodionova@gmail.com Поступила в редакцию 21.05.2014 г.
Показано, что животные-макросматики (собаки и мыши) достоверно отличают по запаху выделения мышей с перевитой опухолью гепатокарциномы от выделений здоровых животных. Установлено, что с развитием опухоли химический состав выделений изменяется, однако пока неясно, связаны ли эти изменения с развитием опухоли, воспалением или иммунной реакцией организма. Отмечено, что использование способности животных-макросматиков к сравнению запаховых смесей в сочетании с применением мышиных моделей онкологических заболеваний перспективно для поиска новых летучих маркеров этих заболеваний.
DOI: 10.7868/S0002332915030108
Число людей с онкологическими заболеваниями ежегодно увеличивается (Jemal et al., 2011). Очевидно, что чем раньше поставлен диагноз заболевания, тем лучше прогноз его излечения. Однако достаточно результативных методов ранней диагностики, и тем более эффективных скрининг-тестов, пока не существует. Применение известных биомаркеров онкологических заболеваний пока недостаточно эффективно из-за их низкой специфичности (Horvath et al., 2009).
Одно из относительно новых и активно развивающихся направлений в медицинской диагностике — анализ присутствующих в выделениях организма летучих органических соединений (ЛОС), характерных для различных заболеваний, в частности онкологических заболеваний легких, молочной железы, толстой кишки, предстательной железы и др. (Horvath et al., 2009; Hakim et al., 2010; Horvath et al., 2010). Тот факт, что развитие злокачественных опухолей различной природы изменяет состав ЛОС, выделяемых пациентами, известен достаточно давно (O'Neill et al., 1988). Исследования ЛОС, связанных с развитием злокачественных опухолей, проводятся в течение почти 30 лет (Persaud, Dodd, 1982; Tisch, Haick,
2010). Приборы, обнаруживающие ЛОС и технологии их распознавания, непрерывно совершенствуются. В настоящее время их чувствительность достаточно высока, как и точность анализа веществ (Kuano et al., 2011; Kwak et al., 2013). Выделены потенциально маркирующие определенные онкологические заболевания ЛОС, такие как ал-каны, метилированные алканы, ароматические соединения и др. (Kuano et al., 2011). Показано, что концентрации и соотношения летучих соединений различны в выдыхаемом больными и здоровыми людьми воздухе (Horvath et al., 2009; Hakim et al., 2010), в моче и в других выделениях больных и здоровых людей (Hakim et al., 2010; Ha-nai et al., 2012), в воздушном пространстве над культурами тканей нормальных и раковых клеток (Amal et al., 2012; Kwak et al., 2013).
Однако, несмотря на определенные успехи в исследованиях ЛОС, связанных с онкологическими заболеваниями, до идентификации надежных летучих биомаркеров и эффективной неинва-зивной диагностики онкологических заболеваний еще достаточно далеко. О ЛОС, маркирующих онкологические заболевания, известно очень мало: пока еще не совсем понятно, для всех ли онколо-
гических заболеваний характерны определенные ЛОС, нет точных данных о том, существуют ли общие ЛОС для всех или нескольких заболеваний или для каждого типа опухоли характерен свой набор. Пока еще точно неизвестно, присутствуют ли ЛОС, сопутствующие онкологическим заболеваниям, во всех выделениях больного или только в тех, которые теснее всего связаны с пораженным органом. И это только малая часть возникающих вопросов. Пока ни одно сообщение о выделенных летучих биомаркерах не завершилось попыткой внедрить их в клиническую практику, а это, скорее всего, означает, что опубликованные результаты подтвердить не удалось. Причин для этого может быть много.
С одной стороны, исследования летучих маркеров в разных лабораториях проводятся на пробах различных выделений (выдыхаемом воздухе, моче, крови) и сравнить полученные данные практически невозможно. Измерения ЛОС с помощью инструментальных методов, таких, например, как газовая хроматография/масс-спек-трометрия (ГХ/МС) еще не стандартизированы, а настройка приборов, метод отбора проб, методика сбора ЛОС, летящих из проб, их анализ и так далее существенно влияет на результаты измерений (Koczulla et al., 2011).
С другой стороны, анализ ЛОС выделений больного человека связан с большими трудностями. На состав ЛОС влияют не только тип опухоли, пораженный орган, но и пол, возраст, эмоциональное состояние, различные привычки людей (курение, диета), принимаемые медикаменты и многие другие факторы (Penn, Potts, 1998; Ackerl et al., 2001; Qin et al., 2010). Значительная часть ЛОС определяется генотипом индивида (Hav-licek, Roberts, 2009), а человеческая популяция очень гетерогенна. Во всех выделениях человека очень много ЛОС, например в выдыхаемом воздухе их насчитывается >3000 (Horvath et al., 2009). В связи с вышеупомянутыми причинами состав ЛОС у разных людей значительно отличается.
При работе с больными людьми существуют и иные трудности. Как правило, пробы выделений онкологических больных берут у тех людей, диагноз которым поставлен, и, следовательно, они находятся в больнице и подвергаются стрессу, даже если лечение еще не начато. Это может отражаться на составе выделяемых ими ЛОС. В качестве контроля же отбираются просто здоровые люди, которые не подвергаются действию описанных факторов, спектр ЛОС в их выделениях будет значительно отличаться не только маркерами заболеваний. Таким образом, ЛОС, отличающие больных людей от здоровых, могут быть вообще не связаны с исследуемым заболеванием. В некоторых работах такой эффект обсуждался и
был продемонстрирован (Иапа1 г1 а1., 2012а; ^Ые-2ак а1., 2012).
Получение данных, свидетельствующих о том, какие именно вещества связаны с развитием конкретной опухоли, затруднено и тем, что нет принципа понимания, какие вещества значимы для диагностики, а какие нет. Исследования на человеке не дают возможности получить ответ на этот вопрос, так как генетические различия между людьми слишком велики и выделить вещества, сязанные с развитием болезни, из огромного числа ЛОС, отличающих людей, очень сложно.
Для поиска ЛОС, маркирующих заболевания, необходимо не только анализировать состав выделений, но и иметь инструмент для сравнения запаховых смесей, выделяемых больными и здоровыми организмами, выявления присутствия компонентов, связанных с болезнью. В настоящее время не существует инструментальных методов для решения этой задачи. Очевидно, что к поиску летучих маркеров нужны другие подходы, которые способствовали бы разрешению главных сложностей в решении этой задачи: снижение разнообразия анализируемых ЛОС, контроль течения болезни и быстрое сравнение спектров ЛОС для обнаружения присутствия летучих маркеров заболевания.
Проблему снижения разнообразия анализируемых ЛОС мы предлагаем решать, отказавшись на первых этапах исследований от работы в клинике и используя в качестве модели "унифицированных пациентов" линейных мышей, генетические и другие различия между которыми существенно меньше, чем различия между людьми. Известно, что в развитии онкологических заболеваний у мышей и человека есть некоторые различия (Аш81шоу а1, 2005), однако речь идет о принципе поиска значимых ЛОС, а не о самих веществах. Мы предлагаем использовать линии мышей, выведенные для исследования механизмов развития опухолевых процессов на основе перевиваемых опухолей, и перевиваемые опухоли. Эта методика позволяет одновременно перевить примерно равное количество опухолевой ткани всем подопытным животным, что приводит к синхронному развитию у них опухолей. Такая модель дает возможность контролировать развитие опухоли и анализировать изменения в спектре ЛОС, связанные с этапами и особенностями ее развития.
Несмотря на высокую чувствительность современных аналитических приборов, сравнение смесей и выделение компонентов, связанных с болезнью, остаются очень сложной задачей. С этой задачей с успехом справляются животные-макросматики. Поэтому для сравнения запахов здоровых и больных животных, получения подтверждения того, что запахи однозначно различны и эти различия связаны с развитием заболева-
ния, мы предлагаем использовать собак и мышей. Обонятельная система этих животных очень чувствительна, она содержит >1000 активных обонятельных рецепторов. Благодаря этому, а также тем поведенческим задачам, которые эти животные решают с помощью обоняния в природе, они способны запоминать большое количество искомых веществ (Williams, Johnston, 2002), анализировать и сравнивать смеси, выделяя из них значимые компоненты (Соколов и др., 1990; Schoon, 1996; McCulloch et al., 2006). Запах болезни — мощный стимул для животных, и они реагируют на этот запах без дополнительного обучения (Arakawa et al., 2011). Более того, недавно показано существование специализированного семейства генов обонятельных рецепторов млекопитающих (FPR), которые с большой вероятностью специализированы для выявления инфицированных индивидов по их выделениям (Rivière et al., 2009).
Мы не можем получить от животных информацию о составе запаховой смеси, но в отличие от приборов животные могут выделять из смесей ЛОС заданные паттерны, связанные с теми или иными особенностями организма (полом, индивидуальным запахом, болезнью) (Соколов и др., 1990; Matsumura et al., 2010). Можно обучить животное
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.