Микробная ДНК в крови может помочь определить, кто болен раком

Когда Грегори Пур был на первом курсе колледжа, его в остальном здоровая бабушка была шокирована, узнав, что у нее рак поджелудочной железы на поздней стадии. Состояние диагностировали в конце декабря. Она умерла в январе.

"У нее практически не было предупреждающих знаков или симптомов, «Никто не может сказать, почему ее рак не был обнаружен раньше или почему он не поддается лечению, которое они пробовали», - сказал Пур.

Когда Пур узнал во время учебы в колледже, рак традиционно считался заболеванием генома человека -; мутации в наших генах позволяют клеткам избежать смерти, размножаются и образуют опухоли.

Но когда Пур увидел исследование 2017 года в Наука это показало, как микробы проникли в большинство случаев рака поджелудочной железы и смогли расщепить основной химиотерапевтический препарат, назначенный этим пациентам, он был заинтригован идеей, что бактерии и вирусы могут играть более важную роль в развитии рака, чем кто-либо ранее считал.

В настоящее время Пур является доктором медицины. студент медицинского факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего, где он выполняет свою дипломную работу в лаборатории Роба Найта, Кандидат наук., профессор и директор Центра инноваций микробиома.

Вместе с междисциплинарной группой сотрудников, Пур и Найт разработали новый метод выявления больных раком. и часто какой тип, просто анализируя образцы микробной ДНК -; бактериальные и вирусные -; присутствует в их крови.

Изучение, опубликовано 11 марта, 2020 в Природа , может изменить отношение к раку, и поставлен диагноз.

<цитата>

Почти все предыдущие исследования рака предполагали, что опухоли представляют собой стерильную среду, и игнорировали сложное взаимодействие раковых клеток человека 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 ".

Роб Найт, Кандидат наук., профессор и директор Центра инноваций микробиома

Микробные паттерны, связанные с раком

Исследователи сначала изучили данные о микробах, доступные из Атласа генома рака, база данных Национального института рака, содержащая геномную и другую информацию о тысячах опухолей пациентов. Насколько известно команде, это была крупнейшая из когда-либо предпринятых попыток идентифицировать микробную ДНК в данных секвенирования человека.

С 18, 116 образцов опухолей, представляющие 10, 481 пациент с 33 различными типами рака, появились отчетливые микробные сигнатуры, или узоры, связаны с определенными типами рака. Некоторых ожидали, такие как связь между вирусом папилломы человека (ВПЧ) и шейкой матки, рак головы и шеи, и связь между Фузобактерии виды и рак желудочно-кишечного тракта. Но команда также определила ранее неизвестные микробные сигнатуры, которые строго различали типы рака. Например, Наличие Фекалибактерии виды отличают рак толстой кишки от других видов рака.

Вооружившись профилями микробиома тысяч образцов рака, Затем исследователи обучили и протестировали сотни моделей машинного обучения, чтобы связать определенные микробные паттерны с наличием определенных видов рака. Модели машинного обучения смогли определить тип рака пациента, используя только микробные данные из его или ее крови.

Затем исследователи удалили из набора данных злокачественные опухоли высокой степени злокачественности (стадии III и IV) и обнаружили, что многие типы рака все еще можно было различить на более ранних стадиях, если полагаться исключительно на микробные данные, полученные из крови. Результаты остались неизменными, даже когда команда провела самую строгую биоинформатическую дезактивацию образцов. который удалил более 90 процентов микробных данных.

Применение теста на микробную ДНК

Чтобы определить, могут ли эти микробные образцы быть полезными в реальном мире, Рыцарь, Пур и его команда проанализировали образцы плазмы крови 59 согласившихся пациентов с раком простаты. 25 с раком легких и 16 с меланомой, предоставлено сотрудниками онкологического центра Мура при Калифорнийском университете в Сан-Диего. Используя новые инструменты, которые они разработали для минимизации загрязнения, исследователи разработали считывание микробных сигнатур для каждого образца больного раком и сравнили их друг с другом и с образцами плазмы от 69 здоровых, ВИЧ-отрицательные добровольцы, предоставлено Центром нейроповеденческих исследований ВИЧ Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Модели машинного обучения команды смогли отличить большинство людей с раком от людей без него. Например, модели могли правильно идентифицировать человека с раком легких с 86-процентной чувствительностью и человека без заболевания легких со 100-процентной специфичностью. Часто они могли сказать, у кого из участников был какой из трех типов рака. Например, модели могли правильно различать человека с раком простаты и человека с раком легких с чувствительностью 81%.

"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, "сказал соавтор Сандип Правин Патель, Доктор медицины, онколог и соруководитель экспериментальной терапии онкологического центра Мура при Калифорнийском университете в Сан-Диего.

"При таком подходе есть возможность отслеживать эти изменения с течением времени, не только как диагностика, но для длительного терапевтического наблюдения. Это может иметь серьезные последствия для лечения онкологических больных, и в раннем обнаружении рака, если эти результаты продолжат оставаться в силе при дальнейших испытаниях ".

Сравнение с современной диагностикой рака

По словам Пателя, Диагностика большинства видов рака в настоящее время требует хирургической биопсии или удаления образца из предполагаемого участка рака и анализа образца экспертами, которые ищут молекулярные маркеры, связанные с определенными видами рака. Этот подход может быть инвазивным, трудоемкий и дорогостоящий.

Несколько компаний сейчас разрабатывают «жидкую биопсию» -; методы быстрой диагностики конкретных видов рака с помощью простого забора крови и технологии, позволяющие обнаруживать специфические для рака мутации генов человека в циркулирующей ДНК, выделяемой опухолями. Этот подход уже можно использовать для мониторинга прогрессирования опухолей для некоторых типов уже диагностированных видов рака, но еще не одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для диагностического использования.

"Несмотря на то, что в области жидкостной биопсии и раннего выявления рака достигнуты поразительные успехи, текущие жидкие биопсии еще не могут надежно отличить нормальные генетические вариации от истинного раннего рака, и они не могут заразиться раком, когда геномные изменения человека неизвестны или не обнаруживаются, "сказал Патель, который также является заместителем директора Центра точной иммунотерапии Сан-Диего.

Вот почему часто существует риск того, что текущие жидкие биопсии дадут ложноотрицательные результаты в условиях низкого бремени болезни. "Трудно найти одну очень редкую мутацию гена человека в редкой клетке, выделенной из опухоли, - сказал Патель. - Их легко не заметить, и вам могут сказать, что у вас нет рака, когда ты действительно это делаешь. "

По мнению исследователей, одно преимущество обнаружения рака на основе микробной ДНК, по сравнению с циркулирующей ДНК опухоли человека, это его разнообразие среди разных участков тела. ДНК человека, наоборот, по существу одинаков во всем теле. Не полагаясь на редкие изменения ДНК человека, исследование предполагает, что считывание микробной ДНК на основе крови может точно определять наличие и тип рака на более ранних стадиях, чем текущие тесты жидкой биопсии, а также для рака, в котором отсутствуют генетические мутации, обнаруживаемые этими платформами.

Ограничения и предостережения

Исследователи быстро отмечают, что все еще существует вероятность того, что считывание микробной ДНК на основе крови может пропустить признаки рака и дать ложноотрицательный результат. Но они ожидают, что их новый подход станет более точным, поскольку они улучшат свои модели машинного обучения с большим количеством данных.

И хотя ложноотрицательные результаты могут быть менее распространены при использовании метода микробной ДНК, ложные срабатывания -; слышать, что у вас рак, когда у вас его нет -; все еще есть риск.

Патель сказал, что только потому, что рак обнаружен на ранней стадии, это не значит, что всегда требуется немедленное лечение. Некоторые изменения ДНК не являются злокачественными, изменения, связанные со старением, безобидный или самоуверенный. Вы никогда бы не узнали о них без теста. Вот почему большее количество скринингов и диагнозов рака не всегда может быть хорошим делом. Патель сказал:и должны определяться опытными клиницистами.

Команда также предупредила, что даже если микробиологические данные указывают на рак, пациенту, вероятно, потребуются дополнительные тесты для подтверждения диагноза, определить стадию опухоли и определить ее точное местоположение.

Смотря вперед

Найт сказал, что впереди еще много проблем, поскольку его команда развивает эти первоначальные наблюдения в одобренном FDA диагностическом тесте на рак. Больше всего, им необходимо подтвердить свои выводы на гораздо большей и разнообразной популяции пациентов, дорогое мероприятие. Им необходимо определить, как могут выглядеть «здоровые» микробиологические показатели крови среди многих, разные люди. Они также хотели бы определить, исходят ли микробные сигнатуры, которые они могут обнаружить в крови человека, от живых микробов, мертвые микробы или мертвые микробы, которые прорвались, диспергирование их содержимого -; понимание, которое может помочь им усовершенствовать и улучшить свой подход.

Чтобы продвинуть считывание микробной ДНК на основе крови через следующие шаги к разрешению регулирующих органов, коммерциализация и клиническое применение диагностического теста, Найт и Пур подали заявки на патенты и основали дочернюю компанию под названием Micronoma, с соавтором Сандрин Миллер-Монтгомери, Кандидат наук, профессор практики в инженерной школе Джейкобса и исполнительный директор Центра инноваций в области микробиома Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Последнее исследование может вызвать важные сдвиги в области биологии рака, - сказал Пур.

"Например, микробиологи часто используют в своих экспериментах множество средств контроля загрязнения, но исторически они редко использовались в исследованиях рака, - сказал он. - Мы надеемся, что это исследование побудит будущих исследователей рака быть «сознательными в отношении микробов» ».

Исследователи также предполагают, что диагностика рака может быть только началом недавно открытого микробиома крови, связанного с раком.

"Это новое понимание того, как популяции микробов меняются в результате рака, может открыть совершенно новый терапевтический путь, "Миллер-Монтгомери сказал." Теперь мы знаем, что микробы существуют, но что они делают? И можем ли мы манипулировать этими микробами или имитировать их для лечения рака? "

• Анализ крови на микробную ДНК может предупредить о раке
• Диета влияет на течение рассеянного склероза