Personalizovaná onkogenomika - Personalized onco-genomics

Personalizovaná onkogenomika je rostoucí oblastí zájmu v oblasti onkologie a genomika která je zaměřena na využití analýzy celého genomu k racionálnímu rozhodnutí o klinické léčbě u každého jednotlivého pacienta.[1][2] Myšlenka tohoto programu byla navržena v kanadském Centru genomových věd Michaela Smitha a v současné době ji vedou Dr. Marco Marra a Dr. Janessa Laskin.[3] Nestabilita genomu byla identifikována jako jeden ze základních znaků rakoviny. Genetická rozmanitost rakovinných buněk podporuje mnoho dalších charakteristických znaků rakoviny, které jim pomáhají přežít v jejich mikroprostředí a nakonec metastázovat. Výrazná genomová heterogenita nádorů vedla vědce k vývoji přístupu, který hodnotí rakovinu každého jednotlivce a identifikuje cílené terapie, které mohou zastavit růst rakoviny. Identifikace těchto „řidičů“ a odpovídajících léků používaných k možnému zastavení těchto cest je v léčbě rakoviny stále důležitější.[2]

S onkogenomické databáze které v současné době rozpoznávají mutace a abnormality v genomové struktuře rakovinných buněk, lze k vyhodnocení těchto změn a identifikaci motorů růstu rakoviny použít analýzu DNA, RNA a proteinů.[4][5] Dekódováním genetické informace uvnitř rakovinných buněk vědci doufají, že shromáždí informace, které mohou pomoci porozumět faktorům podporujícím růst nádorů a vyvinout strategie k zastavení růstu nádorů. V ideálním případě katalog všech mutace somatické rakoviny v budoucnu bude vytvořen, který může poskytnout významný vhled do abnormálních buněčných cest rakovinných buněk a genetických vzorců, které mohou řídit specifické fenotypy rakoviny. Použití těchto informací pomůže vyvinout účinné individuální možnosti léčby pacientů s rezistentními druhy rakoviny a ideálně předcházet toxicitě související s konvenčními chemoterapeutiky.

Dějiny

Nový přístup ke srovnání nádoru pacienta s normální tkání byl poprvé identifikován v roce 2010 při hodnocení genetického vývoje adenokarcinomů jazyka před a po léčbě.[6] Tato studie předložila důkazy o tom, že genetické informace z těchto nádorů mohou ovlivnit možnosti léčby rakoviny. Po identifikaci řidičských mutací nádoru byl RET onkogen, pacientovi byl podáván inhibitor RET (sunitinib), který stabilizoval onemocnění po dobu 4 měsíců.[6] Druhé kolo podávání inhibitorů RET (sorafenib a sulindac) poskytlo další 3 měsíce stabilizace onemocnění, než rakovina opět postupovala.[6] Bylo pozorováno, že pozorované mutace a amplifikace v opakujících se metastázách jsou v souladu s rezistencí na inhibitory RET.[6] Vývoj adenokarcinomu po léčbě inhibitory RET prokázal možnost individuální léčby rakoviny. Tento přístup byl poté úspěšně replikován u dalších typů rakoviny a vedl k vytvoření personalizovaného onko-genomického programu v agentuře BC Cancer Agency. Tento program nyní analyzoval více než 570 dospělých pacientů s rakovinou s nevyléčitelným onemocněním, které byly zveřejněny v mezníkové studii v roce 2020.[7]

Dostupnost dat

Genomické a transkriptomické datové soubory sekvence z publikace Nature 2020, která zahrnuje prvních 570 pacientů s „POG“[7] byly uloženy v Evropském archivu genomu - fenomu (EGA, http://www.ebi.ac.uk/ega/ ) jako součást studie EGAS00001001159. Údaje o mutacích, kopírování změn a exprese ze vzorků nádorů v programu POG organizované klasifikací OncoTree (http://oncotree.mskcc.org ) jsou také přístupné z https://www.personalizedoncogenomics.org/cbioportal/. Kompletní malý katalog mutací a TPM genové exprese jsou k dispozici ke stažení z http://bcgsc.ca/downloads/POG570/.

Odůvodnění

Technologie OMICS jsou vysoce výkonné metody, které pomáhají hodnotit a objektivně vyšetřovat vlastnosti genomu, epigenomu, transkriptomu, proteomu a metabolomu.

A genom je kompletní sbírka sekvencí DNA organismu, která obsahuje pokyny pro buněčné procesy. V člověku diploidní buněk, v jádru lze nalézt 6 miliard párů bází DNA genomu. Vývoj všech druhů rakoviny začíná tím, že jedna buňka hromadí dostatek škodlivých změn v sekvenci DNA, které jí umožňují nekontrolovatelnou proliferaci. Následně rychle rostoucí potomstvo původní buňky napadne okolní tkáně a migruje do jiných tkání.[8]

U typického nádoru může několik desítek somatických mutací narušit normální funkci proteinů. Většina somatických mutací je pouhými vedlejšími produkty genomu nestabilní rakoviny a nezvyšuje růst nádorových buněk. Obvykle se mezi všemi somatickými mutacemi vzorku nádoru nachází mezi dvěma a osmi řidičskými mutacemi, mutacemi, které poskytují výhody růstu rakovinných buněk.[9] Mutace řidiče mohou být použitelné, protože slouží diagnostický a prognostický biomarkery pro rakovinu a mohou mít terapeutické důsledky.[10] Například, inhibitory kinázy může léčit nádory spojené s řidičskými mutacemi v kinázách. Axitinib, gefitinib, a dabrafenib se používají k léčbě dospělých akutní lymfoblastická leukémie, nemalobuněčný karcinom plic, a melanom resp.[11]

Protože rakovina může vzniknout z nesčetných různých genetických mutací a kombinace mutací, je obtížné vyvinout lék, který je vhodný pro všechny druhy rakoviny, vzhledem k genetické rozmanitosti lidské populace. Aby byla zajištěna a vyvinuta nejvhodnější genetická léčba rakoviny, byla vyvinuta personalizovaná onkogenomika. Sekvenováním genomu pacienta s rakovinou může klinický vědec lépe pochopit, které geny / část genomu byly konkrétně mutovány u daného pacienta, a může být potenciálně implementován personalizovaný plán léčby.

Metody

Analýza celého genomu

S příchodem sekvenování nové generace byly zpřístupněny analýzy sekvenování v celém genomu, aby bylo možné důkladně porozumět genetice rakoviny každého pacienta. Genetický materiál z nádorových biopsií lze analyzovat dvěma genomovými přístupy: celé exome sekvenování (WES) a sekvenování celého genomu (WGS). Vývojem nástrojů pro analýzu těchto rozsáhlých sekvenčních dat vědci začali chápat, jak lze choroby, včetně rakoviny, připsat genům a intergenním variantám, jako jsou jednonukleotidové polymorfismy (SNP) a varianty počtu kopií (CNV).

Ačkoli je dražší než WES, sekvenování celého genomu umožňuje klinickým vědcům pochopit, jak může být rakovina způsobena změnami v genomu, včetně variant jednotlivých nukleotidů (SNV), SNP a CNV.[12] Protože vzorky WES pouze exome (sbírka známých kódující oblasti genomu) změny v nekódující oblast genomu WES nezjistí. Nekódující oblasti, včetně nepřeložené regiony, introny, promotéři, regulační prvky, nekódující funkční RNA, opakující se oblasti a mitochondriální genomy, tvoří 98% lidského genomu, funkce většiny oblastí zůstává neprozkoumaná.[13] Ačkoli jsou tyto metody užitečné při hledání kratších variant, jsou omezeny délkou čtení technologie sekvenování a nejsou schopny detekovat velké indels a strukturální varianty.

Ačkoli varianty v nekódující oblasti nejsou odhaleny WES, oba přístupy identifikují všechny mutace, o nichž je známo, že způsobují rakovinu u daného pacienta, a byly užitečné při identifikaci nízkofrekvenčních a vzácných patogenních (choroboplodných) variant.[14] Výzvou však zůstává analýza všech genetických variací v genomu pro klinický význam (zda mutace způsobuje onemocnění, protože ne všechny mutace jsou škodlivé), protože velká část genomu není zcela objasněna a stále se objevují nové varianty.

Abychom lépe porozuměli patogenita ze všech možných genomových variant k interpretaci dat WES / WGS vědci systematicky studují data sekvenování v celém genomu napříč mnoha genomy nádorů. Sekvenování celého exomu byla konvenční data používaná mezinárodními programy výzkumu genomu rakoviny, jako je Atlas rakovinového genomu (TCGA) a The International Cancer Genome Consortium (ICGC).[15][16] Tyto studie shromáždily údaje WES pro všechny typy lidských nádorů a byly otevřeným zdrojem pro klinické vědce. Systematická analýza více než 50 000 nádorových genomů objasnila nové geny a cesty rakoviny a otevřela farmaceutickým společnostem nové snahy. Vědci také objevili obecné trendy v různých typech rakoviny, které mohou informovat veřejné školství o proaktivních preventivních opatřeních. Například více somatických mutací v kódujících oblastech se nachází u rakovin vystavených karcinogenům než u dětských nádorů a leukémie. Ačkoli tyto systematické studie poskytují rozsáhlé údaje o mutacích kódujících oblastí, informace o somatických mutacích v nekódujících oblastech jsou omezené.[16][17] Vědci začali teprve nedávno osvětlovat, jak může být rakovina způsobena variantami v nekódujících oblastech genomu. V roce 2018 Zhang a kolegové analyzovali 930 celých genomů nádoru s přidruženými transkriptomy (kolekce transkriptů mRNA), aby prokázaly mutace v 193 nekódujících sekvencích, které narušují normální genovou expresi.[17] Je pozoruhodné, že opakovaně našli nekódující mutace ovlivněné transkripci DAAM1, MTG2 a HYI, kde exprese DAAM1 iniciuje invazivní buněčnou migraci v nádoru.[17] Vzhledem k tomu, že síť pro expresi základních somatických genů je defektní u 88% nádorů, Zhang et al. navrhl, že nekódující mutace může mít rozsáhlý dopad na rakovinu.[17] Vzhledem k tomu, že náklady na sekvenování klesají a optimalizuje se sekvenční analytický kanál, vědci hledají rozšíření genomických znalostí o rakovině pomocí WGS. Přesto může WES zůstat účinný pro klinickou diagnózu v příštích několika letech, protože výsledky WES budou získány rychleji.

aplikace

Možnosti léčby agresivní metastatické rakoviny mají obvykle špatnou míru odpovědi na konvenční léčbu. Prostřednictvím tohoto nového přístupu se provádí analýza onkogenních faktorů k identifikaci jedinečných molekulárních podpisů nádoru jedince.[18] U většiny rakovin existuje několik cest, které jsou změněny a vedou k růstu a progresi onemocnění. Cesty se mohou u jednotlivých osob lišit, a dokonce i mezi různými místy onemocnění u jedné osoby. Tyto cesty mají také schopnost vyvíjet se v závislosti na různých možnostech léčby, které se pokusily zastavit progresi.[19]

Program POG[20] bere biopsie z metastatické nádory od pacientů, sekvence DNA i RNA, a poté výzkum toho, co vede k rakovině člověka, ve snaze vybrat správnou drogu pro správnou osobu ve správný čas. Uznání specifických genetických abnormalit, které podporují progresi rakoviny, může pomoci vybrat nekonvenční možnosti léčby, které by tyto abnormality zaměřily.[1] Tento přístup umožňuje více lékařům spolupracovat při řešení agresivního onemocnění. Genetické informace shromážděné z nádoru pomáhají zdravotníkům racionálně klinicky rozhodovat o léčebných strategiích. Tyto strategie lze použít k cílení na růst nádoru, k identifikaci potenciálních klinických studií, do kterých by se pacienti mohli přihlásit, a k nalezení účinnějších a méně toxických lékových variant.[1]

Tento přístup byl úspěšný při léčbě malých podskupin rakoviny pomocí léků běžně používaných k léčbě chronická myeloidní leukémie (CML). Imatinib cíle a BCR-ABL přemístění který se objevuje ve více než 95% případů CML.[21] Úspěch tohoto léku při léčbě CML zdůraznil význam možností individuální léčby a identifikace molekulárních drah, na které je třeba se zaměřit.[21] Imatinib se nyní také používá k léčbě některých rakovin žaludku po identifikaci genetických změn u tohoto typu rakoviny.[22] Opětovné použití současných možností léčby, které se používají pro jiné léčby, a může zastavit progresi rakoviny kvůli podobnostem charakteristik.

Úspěch programu POG je zdůrazněn identifikací nové genetické mutace u 35leté pacientky s recidivujícím karcinomem prsu. Zuri Scrivensová byla zařazena do programu POG v agentuře BC Cancer, aby pomohla vymyslet individuální novou terapii založenou na jejích nádorových mutacích.[23] Z výsledků její analýzy sekvenování nádorového genomu je lék, který se nejčastěji používá při léčbě cukrovka typu 2 byla vybrána k léčbě jejího recidivy spolu se standardní chemoterapií. Díky kombinaci těchto léků se Zuriho rakovina rychle vrátila do remise.[23]

V budoucnu může být použití tohoto personalizovaného onko-genomického přístupu prvním krokem k léčbě rakoviny každého člověka. Existuje velká hloubka genetické informace, kterou lze získat z rakoviny každého jedince. Genomická data mohou poskytnout cenné informace o rakovině každého jednotlivce a mohou vést při klinickém rozhodování od zdravotnických pracovníků.

Výzvy

Přijetí POG brání několik výzev. Největší výzvou je identifikace genetických faktorů, které podporují růst rakoviny.[18] Těmto „řidičům“ je třeba porozumět, než proti nim bude možné podniknout jakékoli kroky.[18] Ačkoli náklady na genetické testování významně poklesly,[24] výsledky mohou poskytnout obrovské množství genetické informace, které vědci dosud skutečně nepochopili. Díky porozumění těmto „hnacím motorům“ růstu rakoviny lze učinit vhodná rozhodnutí o drogách, která by je zaměřila.[18] Dosud byl identifikován pouze zlomek těchto řidičů a je zapotřebí dalšího výzkumu, který by pomohl odhalit mnoho charakteristik rakoviny.[18]

Rakovinné buňky jsou známé pro tisíce genetických změn, ke kterým dochází v jedné buňce. Cílení na tyto genetické změny vyžaduje značné množství výzkumu, který by určil, které změny jsou hnací silou a které jsou „cestujícími“.[18] Tito cestující přímo nepodporují rakovinový růst. Léky bohužel nejsou v současné době k dispozici pro každou genetickou změnu, která může nastat v rakovinné buňce a ovlivnit růst. S dalším výzkumem bude vyrobeno a identifikováno více léků zaměřených na tyto genetické změny.

Další výzvou POG je identifikace nových metod k překonání rezistence vůči léčbě drogami.[25] Některé léky, které se používají k cílení na rakovinu obsahující genetické změny, nemohou poskytnout trvalé výhody.[26][27] Pacienti mohou mít z léčby krátkodobý nebo dlouhodobý přínos, ale jelikož se rakovina neustále vyvíjí, často se u ní vyvinou ještě genetičtější změny, které jí umožní se adaptovat a přežít proti léku. Tato rezistence na léky umožňuje rakovině růst zpět navzdory dříve účinné léčbě. To se stalo hlavní výzvou při léčbě rakoviny.

POG a další nová léčba rakoviny se obecně testují na pacientech s pokročilým nádorovým onemocněním, u nichž selhala předchozí léková terapie. Časem rakovina postupuje a vyvíjí se na základě předchozí léčby, kterou jedinec podstoupil.[28] Tyto druhy rakoviny jsou neuvěřitelně obtížně léčitelné kvůli jejich mechanismům rezistence na léky. Stále více se uznává, že tyto nové léky je třeba testovat na jednotlivcích mnohem dříve, takže rakovina nemá čas na vývoj s rezistencí. Jak bylo uvedeno výše, vývoj kapalných biopsií pomáhá pacientům poskytovat správnou drogu ve správný čas.[29] Neinvazivní metoda, která pomůže lékařům ovlivnit klinické rozhodování, by se v budoucnu mohla stát základem nových klinických studií.

Realizace tohoto přístupu ve všech onkologických centrech zůstává jednou z největších výzev každého osobního programu. Dokud nebude možné, aby každá nemocnice a onkologické centrum disponovaly technologií potřebnou ke studiu genomiky každého jedince, je nepravděpodobné, že bude tento přístup přijat. Než se mnoho z výše popsaných testů stane běžně používaným, musí vědci také prokázat, že tyto testy mohou přinést výhody při vedení možností léčby, a pokud tento přístup nakonec zvýší přežití a zabrání recidivě rakoviny u pacientů.

Reference

  1. ^ A b C Číslo klinického hodnocení NCT02155621 pro "Program personalizované onkogenomiky (POG) v Britské Kolumbii" na ClinicalTrials.gov
  2. ^ A b Laskin J, Jones S, Aparicio S, Chia S, Ch'ng C, Deyell R a kol. (Říjen 2015). „Poučení z aplikace analýzy celého genomu při léčbě pacientů s pokročilým nádorovým onemocněním“. Cold Spring Harbor Molekulární případové studie. 1 (1): a000570. doi:10,1101 / mcs.a000570. PMC  4850882. PMID  27148575.
  3. ^ „Personalizovaná onkogenenomika“. BC Cancer Foundation. Citováno 2019-04-06.
  4. ^ "IntOGen - databáze mutačních ovladačů rakoviny". www.intogen.org. Citováno 2019-02-28.
  5. ^ Gonzalez-Perez A, Perez-Llamas C, Deu-Pons J, Tamborero D, Schroeder MP, Jene-Sanz A, Santos A, Lopez-Bigas N (listopad 2013). „IntOGenové mutace identifikují řidiče rakoviny u různých typů nádorů“. Přírodní metody. 10 (11): 1081–2. doi:10.1038 / nmeth.2642. PMC  5758042. PMID  24037244.
  6. ^ A b C d Jones SJ, Laskin J, Li YY, Griffith OL, An J, Bilenky M a kol. (2010). „Vývoj adenokarcinomu v reakci na výběr cílenými inhibitory kinázy“. Genome Biology. 11 (8): R82. doi:10.1186 / gb-2010-11-8-r82. PMC  2945784. PMID  20696054.
  7. ^ A b Pleasance E, Titmuss E, Williamson L a kol. (2020). „Analýza rakoviny u pokročilých nádorů pacientů odhaluje interakce mezi terapií a genomickou krajinou“. Rakovina přírody. 1 (4): 452–468. doi:10.1038 / s43018-020-0050-6.
  8. ^ Stratton MR, Campbell PJ, Futreal PA (duben 2009). "Genom rakoviny". Příroda. 458 (7239): 719–24. Bibcode:2009 Natur.458..719S. doi:10.1038 / nature07943. PMC  2821689. PMID  19360079.
  9. ^ Vogelstein B, Papadopoulos N, Velculescu VE, Zhou S, Diaz LA, Kinzler KW (březen 2013). „Krajiny genomu rakoviny“. Věda. 339 (6127): 1546–58. Bibcode:2013Sci ... 339.1546V. doi:10.1126 / science.1235122. PMC  3749880. PMID  23539594.
  10. ^ Kotelnikova EA, Pyatnitskiy M, Paleeva A, Kremenetskaya O, Vinogradov D (srpen 2016). „Praktické aspekty analýzy cest založených na NGS pro personalizovanou vědu o rakovině a medicínu“. Cílový cíl. 7 (32): 52493–52516. doi:10,18632 / oncotarget.9370. PMC  5239569. PMID  27191992.
  11. ^ Cheng F, Hong H, Yang S, Wei Y (červenec 2017). „Individuální síťová infrastruktura pro přemístění léků pro přesnou onkologii v éře panomiky“. Briefings in Bioinformatics. 18 (4): 682–697. doi:10.1093 / bib / bbw051. PMID  27296652.
  12. ^ Tremblay J, Hamet P (leden 2013). „Role genomiky na cestě k personalizované medicíně“. Metabolismus. 62 Suppl 1: S2-5. doi:10.1016 / j.metabol.2012.08.023. PMID  23021037.
  13. ^ Meienberg J, Bruggmann R, Oexle K, Matyas G (březen 2016). „Klinické řazení: je WGS tím lepším WES?“. Genetika člověka. 135 (3): 359–62. doi:10.1007 / s00439-015-1631-9. PMC  4757617. PMID  26742503.
  14. ^ Petersen BS, Fredrich B, poslanec Hoeppner, Ellinghaus D, Franke A (únor 2017). „Příležitosti a výzvy sekvenování celého genomu a exomu“. Genetika BMC. 18 (1): 14. doi:10.1186 / s12863-017-0479-5. PMC  5307692. PMID  28193154.
  15. ^ Epstein RJ, Lin FP (2017). „Rakovina a omická revoluce“. Australský rodinný lékař. 46 (4): 189–193. PMID  28376570.
  16. ^ A b Nakagawa H, Fujita M (březen 2018). „Analýza sekvenování celého genomu pro genomiku rakoviny a precizní medicínu“. Cancer Science. 109 (3): 513–522. doi:10.1111 / cas.13505. PMC  5834793. PMID  29345757.
  17. ^ A b C d Zhang W, Bojorquez-Gomez A, Velez DO, Xu G, Sanchez KS, Shen JP a kol. (Duben 2018). „Globální transkripční síť spojující nekódující mutace se změnami v genové expresi nádoru“. Genetika přírody. 50 (4): 613–620. doi:10.1038 / s41588-018-0091-2. PMC  5893414. PMID  29610481.
  18. ^ A b C d E F Chin L, Andersen JN, Futreal PA (březen 2011). „Genomika rakoviny: od vědy o objevu po personalizovanou medicínu“. Přírodní medicína. 17 (3): 297–303. doi:10,1038 / nm. 2323. PMID  21383744.
  19. ^ Friedman R (březen 2016). „Léková rezistence u rakoviny: molekulární evoluce a kompenzační proliferace“. Cílový cíl. 7 (11): 11746–55. doi:10,18632 / oncotarget.7459. PMC  4914245. PMID  26909596.
  20. ^ „Personalizovaný onkogenomický program - domov“. www.personalizedoncogenomics.org. Citováno 2019-03-01.
  21. ^ A b Hochhaus A, Larson RA, Guilhot F, Radich JP, Branford S, Hughes TP a kol. (Březen 2017). „Dlouhodobé výsledky léčby imatinibem pro chronickou myeloidní leukémii“. The New England Journal of Medicine. 376 (10): 917–927. doi:10.1056 / NEJMoa1609324. PMC  5901965. PMID  28273028.
  22. ^ Balachandran VP, DeMatteo RP (2014). „Gastrointestinální stromální tumory: kdo by měl dostávat imatinib a na jak dlouho?“. Pokroky v chirurgii. 48: 165–83. doi:10.1016 / j.yasu.2014.05.014. PMC  4191869. PMID  25293614.
  23. ^ A b https://www.cbcn.ca. „Moje metastatická rakovina prsu zmizela“. Kanadská síť proti rakovině prsu. Citováno 2019-03-01.
  24. ^ Hayden EC (březen 2014). „Technologie: genom 1 000 $“. Příroda. 507 (7492): 294–5. Bibcode:2014 Natur.507..294C. doi:10.1038 / 507294a. PMID  24646979.
  25. ^ Tursz T, Bernards R (květen 2015). „Překážky na cestě k personalizované medicíně“. Molekulární onkologie. 9 (5): 935–9. doi:10.1016 / j.molonc.2014.08.009. PMC  5528743. PMID  25226812.
  26. ^ Arnedos M, Vicier C, Loi S, Lefebvre C, Michiels S, Bonnefoi H, Andre F (prosinec 2015). „Přesná medicína pro metastatický karcinom prsu - omezení a řešení“. Recenze přírody. Klinická onkologie. 12 (12): 693–704. doi:10.1038 / nrclinonc.2015.123. PMID  26196250.
  27. ^ Lord CJ, Ashworth A (listopad 2013). "Mechanismy rezistence na terapie zaměřené na rakoviny mutantů BRCA". Přírodní medicína. 19 (11): 1381–8. doi:10,1038 / nm. 3369. PMID  24202391.
  28. ^ Gradishar WJ (leden 2012). „Taxany pro léčbu metastatického karcinomu prsu“. Rakovina prsu. 6: 159–71. doi:10.4137 / BCBCR.S8205. PMC  3486789. PMID  23133315.
  29. ^ Howell JA, Khan SA, Knapp S, Čtvrtek MR, Sharma R (květen 2017). „Klinická role cirkulující volné nádorové DNA v gastrointestinální malignitě“ (PDF). Translační výzkum. 183: 137–154. doi:10.1016 / j.trsl.2016.12.006. PMID  28056336.