Анализ крови на микробную ДНК может предупредить о раке

Новое исследование, опубликованное в журнале Природа 11 марта, 2020, может изменить существующие в настоящее время взгляды на причинно-следственную связь и диагностику рака. Исследователи придумали новый метод определения наличия и типа рака, изучая микробную ДНК, циркулирующую в крови человека, подвергаемого скринингу.

Рак - это болезнь, вызванная мутациями в генах пораженного им организма. Эти мутации приводят к нарушению регуляции вовлеченных клеток, отключение программ, которые модулируют рост и пролиферацию клеток, или которые образуют опухоли.

Тем не мение, все виды рака человека вызываются не только мутациями в геноме человека. Например, рак поджелудочной железы чаще всего является хозяином микробов, которые расщепляют наиболее часто используемые химиотерапевтические препараты у этих пациентов, как показало исследование 2017 года, опубликованное в журнале Science. Это побудило исследователя Грегори Пура исследовать роль микробов в различных формах рака.

Сотрудничая с экспертами в различных дисциплинах, исследователи исследовали многослойные взаимодействия, которые происходят между опухолями и множеством микробов, которые живут в человеческом теле и в нем. Старший научный сотрудник Роб Найт сказал:«Почти все предыдущие исследования рака предполагали, что опухоли представляют собой стерильную среду, и игнорировали сложное взаимодействие человеческих раковых клеток с бактериями, вирусы и другие микробы, обитающие в нашем теле и на нем. Количество микробных генов в нашем организме намного превышает количество человеческих генов, поэтому неудивительно, что они дают нам важные ключи к нашему здоровью ".

Выявление рака на самых ранних стадиях с помощью простого анализа крови является целью нескольких компаний, которые в настоящее время разрабатывают «жидкие биопсии» для обнаружения циркулирующей ДНК опухоли человека. Теперь исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали, что они могут определить, кто болен раком, и какого типа, основан на считывании микробной ДНК, обнаруженной в их крови. Кредит изображения:Szabolcs Borbely / Shutterstock

Микробы, связанные с опухолями

Первым шагом было изучение данных о микробных генах, хранящихся в Атласе генома рака, это огромная база данных геномных данных, связанных с опухолями, собранных по тысячам опухолей и поддерживаемых Национальным институтом рака. Исследователи говорят, что это первая попытка ученых идентифицировать микробную ДНК из геномных данных человека в таком впечатляющем масштабе.

Они обследовали более 18 лет, 000 образцов опухолей человека, взято из почти 10, 500 пациентов с 33 различными типами опухолей. Они пытались найти отличительные паттерны микробных генов, связанных с конкретными опухолями. Некоторые уже известны, например, связь между ВПЧ (вирусом папилломы человека) и раком шейки матки, голова, и шея, или что из Фузобактерии виды с раком кишечника.

Ученые также обнаружили множество новых микробных паттернов, которые были способны отличить один тип рака от другого. Один из примеров - это Фекалибактерии , вид, который может отличить рак толстой кишки от других типов опухолей.

Таким образом, исследователи пришли к пониманию того, как выглядит микробиом тысяч образцов рака. Следующим шагом было использование возможностей машинного обучения, чтобы увидеть, специфичны ли какие-либо из этих микробных паттернов для определенных типов рака. Они обучили свои программы машинного обучения улавливать такие специфические ассоциации и использовать их для диагностики типа рака. Затем они протестировали свои сотни моделей и обнаружили, к их удовольствию, что они могут идентифицировать тип рака исключительно на основе микробной ДНК в крови.

Раннее обнаружение рака

Следующий шаг, для ученых, было исключить распространенные виды рака из набора данных. Программа все еще могла различать многие типы рака на I и II стадиях только на основе микробных данных. Затем исследователи выполнили строгие процедуры по обеззараживанию биоинформатических данных. Это означает, что было удалено более 90% микробных данных. Несмотря на это, машина правильно определила многие ранние виды рака по типу.

Тестируем это

В пилотном исследовании команда исследователей взяла образцы крови примерно у 100 пациентов с тремя типами рака, в том числе около 60, 25, и 15 пациентов, каждый с простатой, легкое, и рак меланомы. Они использовали свои индивидуальные инструменты, чтобы обеспечить максимальную надежность данных за счет исключения искажающих показаний. Затем они сняли показания микробного профиля для каждого из образцов крови.

Сравнивая эти профили друг с другом и с образцами плазмы, взятыми у примерно 70 здоровых добровольцев, команда обнаружила, что их модели машинного обучения могут отличать людей с раком от людей без него, в большинстве случаев. То есть, они смогли выявить 86% людей с раком легких, при этом правильно исключив заболевание легких у всех людей, отрицательных для этого состояния. Они также могли различать каждый из типов рака. Например, в 81% случаев они могли правильно сказать, был ли у пациента рак легких или рак простаты.

Соавтор Сандип Правин Патель говорит:"Способность, в одной пробирке с кровью, иметь исчерпывающий профиль ДНК (природы) опухоли, а также ДНК микробиоты пациента (воспитание), так сказать, является важным шагом вперед в лучшем понимании взаимодействия хозяина и окружающей среды при раке ». Он объясняет, что этот подход можно использовать для отслеживания того, как геном опухоли и микробиоты меняются со временем, таким образом, используя его не только как диагностический, но и как инструмент мониторинга для долгосрочного наблюдения за эффективностью лечения.

Он продолжает, "Это может иметь серьезные последствия для лечения онкологических больных, и в раннем обнаружении рака, если эти результаты продолжат оставаться в силе при дальнейших исследованиях ».

Лучше старого?

Патель объясняет, что сегодня большинство видов рака можно диагностировать только с помощью хирургической биопсии. который включает в себя удаление части предполагаемой опухоли и ее исследование специалистами. Диагноз ставится на основании молекулярных маркеров, специфичных для каждого типа рака. Проблема с этим подходом в том, что он инвазивный, занимает много времени, и стоит дорого.

В последнее время, Жидкие биопсии были разработаны для многих из этих видов рака. Здесь образец крови используется для обнаружения конкретных мутаций в ДНК человека, находящихся в обращении, для диагностики конкретных опухолей. Хотя маркеры крови (в основном молекулы, обнаруженные на поверхности опухолевых клеток) уже используются для диагностики и контроля за течением некоторых опухолей, генетические маркеры относительно новы. Их используют при некоторых опухолях, чтобы отследить течение болезни, но их использование для диагностики опухолей не одобрено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).

Причина в низкой точности этих тестов при различении нормальных вариаций в генах человека и истинного наличия мутаций при раннем раке. Не только так, говорит Патель, «они не могут заразиться раком, если изменения генома человека неизвестны или не поддаются обнаружению».

Это означает, что жидкие биопсии могут иметь высокий уровень ложноотрицательных результатов. особенно при редких опухолях. Если скорость мутации низкая, и количество зенитных ячеек также невелико, шансов подхватить мутацию действительно мало. Таким образом, пациенту вполне могут сказать, что, несмотря на наличие опухоли, признаков рака нет.

Текущий тест, основанный на обнаружении микробной ДНК, а не опухолевой ДНК, в том, что он отражает более заметные изменения, потому что, в отличие от однородности ДНК человека во всех тканях человеческого тела, профили микробной ДНК сильно различаются от ткани к ткани. Таким образом, вместо того, чтобы надеяться обнаружить одно из относительно редких изменений в ДНК человека для диагностики опухоли, легче уловить изменения в микробной ДНК, которые могли бы точно отразить наличие рака, а также их тип, раньше в процессе образования опухоли, по сравнению с жидкой биопсией, по крайней мере, на их нынешнем этапе. Это также верно в отношении рака, у которого нет генетических мутаций, которые в настоящее время можно обнаружить с помощью жидкой биопсии.

Ограничения

Текущая платформа может по-прежнему возвращать ложноотрицательные результаты, говорят исследователи, но они уточняют свой подход, добавляя больше данных, чтобы повысить точность прогнозов. Другая опасность этого подхода - гипердиагностика опухолей или высокий уровень ложноположительных результатов.

И в-третьих, многие мутации не являются злокачественными, но связаны с возрастом или относятся к типу, который разрешается спонтанно. По факту, без тестирования ДНК микробов, человек никогда бы о них не узнал. Даже некоторые ранние формы рака не заслуживают лечения. Как результат, Важно помнить, что не всегда требуется скрининг и ранняя диагностика рака. Решение о необходимости таких процедур принимает врач.

Положительные микробные показатели также не следует рассматривать как означающие рак, если не будут проведены дополнительные тесты для подтверждения наличия опухоли. определить его тип и местонахождение.

Будущее

Команда с нетерпением ждет разработки одобренного FDA теста для диагностики рака.

Для достижения этой цели, им необходимо профилировать «нормальные» микробные паттерны среди здоровых людей из самых разных групп населения. Во-вторых, они должны решить, отражают ли микробные сигнатуры, обнаруженные в мертвой крови, присутствие мертвых, жить, или взорвавшиеся микробы. Это важно для выработки более точного подхода.

Предварительные результаты должны быть подтверждены на более широкой популяции с гораздо большим разнообразием пациентов. который предполагает высокую предоплату. Чтобы помочь достичь своих целей, команда подала заявки на патенты и основала компанию под названием Micronoma.

Последствия

Исследователи отмечают, что, хотя микробиологи обычно используют в своей работе протоколы обеззараживания, это не частая практика в исследованиях рака. Они надеются, что это исследование изменит акцент в области биологии рака, заставляя ученых-онкологов более внимательно относиться к микробам в человеческом теле.

Во-вторых, это может помочь продвинуть новую область микробиомов крови, связанных с раком, в терапевтическую практику, помогает понять, что делают микробы при раке и можно ли их использовать для лечения этих состояний. И если это так, следующий вопрос заключается в том, могут ли они быть предоставлены или имитированы для более успешного лечения рака.

• Иммуносупрессивная терапия не увеличивает риск рака вульвы или влагалища у женщин с ВЗК.
• Микробная ДНК в крови может помочь определить, кто болен раком