Mikrobna DNK v krvi bi lahko pomagala ugotoviti, kdo ima raka

Ko je bil Gregory Poore brucoš na fakulteti, njegova sicer zdrava babica je bila šokirana, ko je izvedela, da ima rak trebušne slinavke v pozni fazi. Stanje je bilo diagnosticirano konec decembra. Januarja je umrla.

"Skoraj ni imela opozorilnih znakov ali simptomov, "Nihče ne more reči, zakaj njen rak ni bil odkrit prej ali zakaj je odporen na zdravljenje, ki so ga poskusili."

Kot se je Poore učil s študijem na fakulteti, rak tradicionalno velja za bolezen človeškega genoma -; mutacije v naših genih omogočajo celicam, da se izognejo smrti, razmnožujejo in tvorijo tumorje.

Ko pa je Poore leta 2017 videl študijo leta Znanost ki je pokazala, kako so mikrobi vdrli v večino raka trebušne slinavke in so lahko razbili glavno zdravilo za kemoterapijo, ki so ga dali tem bolnikom, navdušila ga je zamisel, da bi bakterije in virusi lahko imeli večjo vlogo pri raku, kot je kdo prej mislil.

Poore je trenutno doktor znanosti. študentka Medicinske fakultete Univerze v Kaliforniji v San Diegu, kjer opravlja svoje diplomsko delo v laboratoriju Roba Knighta, Doktor znanosti, profesor in direktor Centra za mikrobiomske inovacije.

Skupaj z interdisciplinarno skupino sodelavcev, Poore in Knight sta razvila novo metodo za ugotavljanje, kdo ima raka, in pogosto katere vrste, s preprosto analizo vzorcev mikrobne DNA -; bakterijske in virusne -; prisotni v njihovi krvi.

Študij, objavljeno 11. marca, 2020 v Narava , lahko spremeni pogled na raka, in diagnosticirali.

Skoraj vsa prejšnja prizadevanja pri raziskavah raka so predvidevala, da so tumorji sterilno okolje, in prezrli zapleteno medsebojno delovanje človeških rakavih celic z bakterijami, virusi in drugi mikrobi, ki živijo v našem telesu in na njem.

Število mikrobnih genov v našem telesu močno presega število človeških genov, zato ne bi smelo biti presenetljivo, da nam dajejo pomembne namige za naše zdravje. "

Rob Knight, Doktor znanosti, profesor in direktor Centra za mikrobiomske inovacije

Mikrobni vzorci, povezani z rakom

Raziskovalci so najprej pogledali mikrobne podatke, ki so na voljo v Atlasu genoma raka, zbirka podatkov Nacionalnega inštituta za raka, ki vsebuje genomske in druge podatke o tisočih tumorjih bolnikov. Kolikor je znano ekipi, to je bilo največje prizadevanje za identifikacijo mikrobne DNK v podatkih o zaporedju pri ljudeh.

Od 18. 116 vzorcev tumorjev, predstavlja 10, 481 bolnikov s 33 različnimi vrstami raka, pojavili so se različni mikrobiološki podpisi, ali vzorci, povezane s posebnimi vrstami raka. Nekateri so bili pričakovani, na primer povezava med humanim papiloma virusom (HPV) in materničnim vratom, rak glave in vratu, in povezanost med Fusobacterium vrste in raka prebavil. Toda ekipa je identificirala tudi prej neznane mikrobne podpise, ki močno razlikujejo med vrstami raka. Na primer, prisotnost Faecalibacterium vrsta je razlikovala raka debelega črevesa od drugih vrst raka.

Oborožen z mikrobiomskimi profili tisočih vzorcev raka, raziskovalci so nato usposobili in preizkusili na stotine modelov strojnega učenja za povezovanje določenih mikrobnih vzorcev s prisotnostjo specifičnih vrst raka. Modeli strojnega učenja so lahko identificirali pacientovo vrsto raka le z uporabo mikrobnih podatkov iz njegove krvi.

Raziskovalci so nato iz nabora podatkov odstranili visokokakovostne vrste raka (stopnja III in IV) in ugotovili, da je veliko vrst raka še vedno mogoče razlikovati v zgodnejših fazah, ko so se zanašali izključno na krvne podatke o mikrobih. Rezultati so se ohranili, tudi če je ekipa na vzorcih izvedla najstrožjo bioinformatično dekontaminacijo, ki je odstranilo več kot 90 odstotkov mikrobnih podatkov.

Uporaba testa mikrobne DNK

Da bi ugotovili, ali bi bili ti mikrobni vzorci lahko koristni v resničnem svetu, Vitez, Poore in ekipa so analizirali vzorce plazme, pridobljene iz krvi, pri 59 bolnikih z rakom prostate, 25 s pljučnim rakom in 16 z melanomom, zagotovili sodelavci v Moores Cancer Center pri UC San Diego Health. Z uporabo novih orodij, ki so jih razvili za zmanjšanje kontaminacije, raziskovalci so razvili odčitke mikrobnih podpisov za vsak vzorec bolnika z rakom in jih primerjali med seboj in vzorce plazme pri 69 zdravih, HIV-negativni prostovoljci, zagotovil Center za nevrobehevioralno raziskavo HIV na Medicinski fakulteti UC San Diego.

Modeli strojnega učenja ekipe so lahko razlikovali večino ljudi z rakom od tistih brez njih. Na primer, modeli bi lahko pravilno identificirali osebo s pljučnim rakom s 86 -odstotno občutljivostjo in osebo brez pljučne bolezni s 100 -odstotno specifičnostjo. Pogosto so lahko povedali, kateri udeleženci so imeli katero od treh vrst raka. Na primer, modeli bi lahko pravilno razlikovali osebo z rakom prostate in osebo s pljučnim rakom z 81 -odstotno občutljivostjo.

"Sposobnost, v eni cevi krvi, imeti celovit profil tumorske DNA (narave) in DNK bolnikove mikrobiote (negovanje), tako rekoč, je pomemben korak naprej pri boljšem razumevanju interakcij gostitelja in okolja pri raku, "je dejal soavtor Sandip Pravin Patel, MD, medicinski onkolog in sovoditelj eksperimentalne terapije v Centru za raka Moores na UC San Diego Health.

"S tem pristopom obstaja možnost spremljanja teh sprememb skozi čas, ne samo kot diagnostika, ampak za dolgotrajno terapevtsko spremljanje. To bi lahko imelo velike posledice za oskrbo bolnikov z rakom, in pri zgodnjem odkrivanju raka, če se ti rezultati nadaljujejo pri nadaljnjem testiranju. "

Primerjava s trenutno diagnozo raka

Po besedah ​​Patela, diagnoza večine rakov trenutno zahteva kirurško biopsijo ali odstranitev vzorca s suma na mesto raka ter analizo vzorca s strani strokovnjakov, ki iščejo molekularne markerje, povezane z nekaterimi vrstami raka. Ta pristop je lahko invaziven, dolgotrajen in drag.

Več podjetij zdaj razvija "tekoče biopsije"-; metode za hitro diagnosticiranje specifičnih vrst raka z uporabo preprostega odvzema krvi in ​​tehnologij, ki jim omogočajo odkrivanje rakavih specifičnih mutacij človeških genov v krožeči DNA, ki jo izločajo tumorji. Ta pristop se lahko že uporablja za spremljanje napredovanja tumorjev pri nekaterih vrstah že diagnosticiranih rakov, vendar ga ameriška agencija za prehrano in zdravila (FDA) še ni odobrila za diagnostično uporabo.

"Čeprav je bil dosežen neverjeten napredek na področju tekoče biopsije in zgodnjega odkrivanja raka, trenutne tekoče biopsije še ne morejo zanesljivo ločiti normalne genetske variacije od pravega zgodnjega raka, in ne morejo zbrati raka, pri katerem človeške genomske spremembe niso znane ali jih ni mogoče zaznati, "je rekel Patel, ki je tudi namestnik direktorja centra za natančno imunoterapijo v San Diegu.

Zato pogosto obstaja tveganje, da bodo trenutne tekoče biopsije vrnile lažno negativne rezultate pri nizki obremenitvi bolezni. "Težko je najti eno zelo redko mutacijo človeškega gena v redki celici, ločeni od tumorja, "Je rekel Patel." Enostavno jih je spregledati in morda vam bodo rekli, da nimate raka, ko to res počneš. "

Po mnenju raziskovalcev, ena prednost odkrivanja raka na podlagi mikrobne DNA, v primerjavi s kroženjem DNK človeškega tumorja, je njegova raznolikost med različnimi telesnimi mesti. Človeška DNK, v nasprotju, je v bistvu po celem telesu enaka. Ker se ne zanašajo na redke spremembe človeške DNK, študija kaže, da bi lahko odčitki mikrobne DNK na osnovi krvi natančno zaznali prisotnost in vrsto raka v zgodnejših fazah kot trenutni testi tekoče biopsije, pa tudi za rake, pri katerih primanjkuje genetskih mutacij, ki bi jih te platforme zaznale.

Omejitve in opozorila

Raziskovalci hitro opozarjajo, da še vedno obstaja možnost, da bi odčitki mikrobne DNK na osnovi krvi zamudili znake raka in vrnili lažno negativen rezultat. Pričakujejo pa, da bo njihov novi pristop postal natančnejši, saj bodo svoje modele strojnega učenja izpopolnjevali z več podatki.

In čeprav so lažni negativi pri pristopu mikrobne DNA manj pogosti, lažno pozitivni rezultati -; slišati, da imate raka, če tega ne storite -; so še vedno tveganje.

Patel je dejal, da samo zato, ker se rak odkrije zgodaj, to ne pomeni, da vedno zahteva takojšnje zdravljenje. Nekatere spremembe DNK niso rakave, spremembe, povezane s staranjem, neškodljivo ali samorešljivo. Brez testa nikoli ne bi vedeli zanje. Zato več presejalnih pregledov in več diagnoz raka morda ni vedno dobro, Patel je rekel, in jih morajo določiti strokovni zdravniki.

Ekipa je tudi opozorila, da tudi če mikrobni odčitek kaže na raka, bolnik bo verjetno potreboval dodatne teste za potrditev diagnoze, določite stopnjo tumorja in ugotovite njegovo natančno lokacijo.

Pogled naprej

Knight je dejal, da je pred nami še veliko izzivov, saj njegova ekipa nadalje razvija ta začetna opažanja v diagnostični test za raka, ki ga je odobrila FDA. Predvsem, svoje ugotovitve morajo potrditi pri veliko večji in bolj raznoliki populaciji bolnikov, drago podjetje. Določiti morajo, kako bi lahko bil med mnogimi "zdrav" odčitek mikroorganizmov na osnovi krvi, raznoliki ljudje. Želeli bi tudi ugotoviti, ali mikrobni podpisi, ki jih lahko zaznajo v človeški krvi, prihajajo iz živih mikrobov, mrtvi ali odmrli mikrobi, ki so se odprli, razpršitev njihove vsebine -; vpogled, ki bi jim lahko pomagal izboljšati in izboljšati svoj pristop.

Za pospešitev odčitavanja mikrobne DNK na osnovi krvi v naslednjih korakih v smeri regulatorne odobritve, komercializacija in klinična uporaba diagnostičnega testa, Knight in Poore sta vložila patentne prijave in ustanovila podjetje za izločitev Micronoma, s soavtorico Sandrine Miller-Montgomery, Doktor znanosti, profesor prakse na Jacobs School of Engineering in izvršni direktor Centra za mikrobiomske inovacije na UC San Diego.

Najnovejša študija bi lahko spodbudila pomembne premike na področju biologije raka, Je rekel Poore.

"Na primer, običajna praksa je, da mikrobiologi v svojih poskusih uporabljajo številne kontrole onesnaženja, vendar so se te v preteklosti redko uporabljale v študijah raka, "je dejal." Upamo, da bo ta študija spodbudila prihodnje raziskovalce raka, da se "zavedajo mikrobov". "

Raziskovalci prav tako kažejo, da je diagnosticiranje raka lahko le začetek za na novo odkrit krvni mikrobiom, povezan z rakom.

"To novo razumevanje, kako se mikrobna populacija spreminja z rakom, bi lahko odprlo popolnoma nov terapevtski pot, "Je rekel Miller-Montgomery." Zdaj vemo, da so mikrobi tam, ampak kaj počnejo? Ali bi lahko manipulirali ali posnemali te mikrobe za zdravljenje raka? "

• Krvni test za mikrobno DNK bi lahko opozoril na raka
• Prehrana vpliva na potek bolezni multiple skleroze