Микробная ДНК в крови пациента может быть признаком рака
Когда Грегори Пур был новичком в колледже, его в остальном здоровая бабушка была шокирована, узнав, что у нее поздняя стадия рака поджелудочной железы. Состояние было диагностировано в конце декабря. Она умерла в январе.
«У нее практически не было никаких признаков или симптомов», — сказал Пур. «Никто не мог сказать, почему ее рак не был обнаружен ранее или почему он был устойчив к лечению, которое они пытались».
Поскольку Пур начал учиться в своих исследованиях в колледже, рак традиционно считался болезнью человеческого генома — мутации в наших генах позволяют клеткам избегать смерти, размножаться и образовывать опухоли.
Но когда Пур увидел исследование в 2017 году в Наука это продемонстрировало, как микробы проникли в большинство раковых заболеваний поджелудочной железы и смогли разрушить основной химиотерапевтический препарат, назначаемый этим пациентам, он был заинтригован идеей, что бактерии и вирусы могут играть более важную роль в раке, чем кто-либо ранее считал.
Пур в настоящее время является MD / Ph.D. студент медицинского факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего, где он проводит дипломную работу в лаборатории Роба Найта, доктора философии, профессора и директора Центра инноваций в области микробиомов.
Вместе с междисциплинарной группой сотрудников, Пур и Найт разработали новый метод для определения, у кого есть рак, и часто какого типа, просто анализируя паттерны микробной ДНК — бактериальной и вирусной — присутствующей в их крови.
Исследование, опубликованное 11 марта 2020 г. в Природа, может изменить, как рак рассматривается и диагностируется.
«Почти все предыдущие исследования рака предполагали, что опухоли являются стерильной средой, и игнорировали сложное взаимодействие человеческих раковых клеток с бактериями, вирусами и другими микробами, которые живут в нашем организме и на нем», — сказал Найт.
«Количество микробных генов в нашем организме значительно превосходит количество человеческих генов, поэтому не удивительно, что они дают нам важные подсказки для нашего здоровья».
Связанные с раком микробные паттерны
Исследователи сначала изучили микробные данные, полученные из Атласа генома рака, базы данных Национального института рака, содержащей геномную и другую информацию о тысячах опухолей пациентов. Насколько известно команде, это было самое большое усилие, когда-либо предпринимаемое для выявления микробной ДНК в данных секвенирования человека.
Из 18 116 образцов опухолей, представляющих 10 481 пациентов с 33 различными типами рака, выявлены различные микробные признаки или паттерны, связанные с конкретными типами рака. Некоторые ожидали, например, связь между вирусом папилломы человека (ВПЧ) и раком шейки матки, головы и шеи, и связь между веретенообразные бактерии виды и желудочно-кишечный рак. Но команда также идентифицировала ранее неизвестные микробные сигнатуры, которые сильно различали типы рака. Например, наличие Faecalibacterium виды отличались раком толстой кишки от других видов рака.
Вооружившись профилями микробиомов тысяч образцов рака, исследователи затем обучили и протестировали сотни моделей машинного обучения, чтобы связать определенные паттерны микробов с наличием специфических видов рака. Модели машинного обучения были в состоянии идентифицировать тип рака пациента, используя только микробные данные из его или ее крови.
Затем исследователи удалили из набора данных раковые заболевания высокого уровня (стадии III и IV) и обнаружили, что многие типы рака все еще различимы на более ранних стадиях, полагаясь исключительно на полученные из крови микробные данные. Результаты сохранялись даже тогда, когда команда провела самую строгую дезинфекцию биоинформатики на образцах, которая удалила более 90 процентов микробных данных.
Применение теста микробной ДНК
Чтобы определить, могут ли эти микробные паттерны быть полезными в реальном мире, Найт, Пур и его команда проанализировали образцы плазмы крови 59 согласившихся пациентов с раком простаты, 25 с раком легкого и 16 с меланомой, предоставленные сотрудниками в онкологическом центре Мурса в UC Сан-Диего Здоровье. Используя новые инструменты, которые они разработали для минимизации загрязнения, исследователи разработали считывание микробных сигнатур для каждого образца ракового пациента и сравнили их друг с другом и с образцами плазмы от 69 здоровых, ВИЧ-негативных добровольцев, предоставленных Центром нейробиологических исследований ВИЧ в Калифорнии. Медицинская школа Сан-Диего.
Модели машинного обучения команды были в состоянии отличить большинство людей с раком от тех, у кого нет. Например, модели могут правильно идентифицировать человека с раком легких с чувствительностью 86 процентов и человека без заболевания легких со 100-процентной специфичностью. Они часто могли сказать, какие участники имели какой из трех типов рака. Например, модели могут правильно различать человека с раком простаты и человека с раком легких с чувствительностью 81%.
«Способность, в одной пробирке крови, иметь полный профиль ДНК опухоли (природы), а также ДНК микробиоты (питания) пациента, так сказать, является важным шагом вперед в лучшем понимании хозяина. взаимодействие окружающей среды при раке », — сказал соавтор Sandip Pravin Patel, доктор медицинских наук, медицинский онколог и один из руководителей экспериментальной терапии в онкологическом центре Moores в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
«При таком подходе есть потенциал для отслеживания этих изменений с течением времени не только в качестве диагностического, но и для долгосрочного терапевтического мониторинга. Это может иметь серьезные последствия для ухода за больными раком и для раннего выявления рака, если эти результаты продолжатся в дальнейшем тестировании ».
Сравнение с современной диагностикой рака
По словам Пателя, диагностика большинства видов рака в настоящее время требует хирургической биопсии или удаления образца из предполагаемого места рака и анализа образца экспертами, которые ищут молекулярные маркеры, связанные с определенными видами рака. Этот подход может быть инвазивным, трудоемким и дорогостоящим.
Несколько компаний в настоящее время разрабатывают «жидкие биопсии» — методы быстрой диагностики определенных видов рака с использованием простого забора крови и технологий, которые позволяют им обнаруживать специфичные для рака мутации генов человека в циркулирующей ДНК, выделяемой опухолями. Этот подход уже может использоваться для мониторинга прогрессирования опухолей для некоторых типов уже диагностированных раковых заболеваний, но еще не одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для диагностического использования.
«Несмотря на то, что был достигнут удивительный прогресс в области жидкой биопсии и раннего выявления рака, текущие жидкие биопсии еще не в состоянии надежно отличить нормальные генетические изменения от истинно раннего рака, и они не могут выявлять раки, где есть изменения в геноме человека. Не известно или не может быть обнаружено », — сказал Патель, который также является заместителем директора Центра точной иммунотерапии в Сан-Диего.
Вот почему часто существует риск, что текущие жидкие биопсии дадут ложноотрицательные результаты в условиях низкого бремени болезней. «Трудно найти одну очень редкую человеческую мутацию гена в редкой клетке, выделенной из опухоли», — сказал Патель. «Их легко не заметить, и вам, возможно, скажут, что у вас нет рака, когда вы действительно это делаете».
По словам исследователей, одним из преимуществ обнаружения рака на основе микробной ДНК по сравнению с циркулирующей ДНК опухоли человека является ее разнообразие между различными участками тела. Человеческая ДНК, напротив, по существу одинакова по всему организму. Не полагаясь на редкие изменения ДНК человека, исследование предполагает, что показания микробной ДНК на основе крови могут быть в состоянии точно определить наличие и тип раковых заболеваний на более ранних стадиях, чем текущие тесты на жидкую биопсию, а также для злокачественных опухолей, у которых отсутствуют обнаруживаемые генетические мутации этими платформами.
Ограничения и предостережения
Исследователи быстро указывают, что все еще существует вероятность того, что показания микробной ДНК на основе крови могут пропустить признаки рака и привести к ложноотрицательному результату. Но они ожидают, что их новый подход станет более точным, поскольку они улучшают свои модели машинного обучения с большим количеством данных.
И хотя ложные негативы могут встречаться реже при использовании метода микробной ДНК, ложные срабатывания — слышать, что у вас рак, а не — все еще представляют риск.
Патель сказал, что если рак обнаружен на ранней стадии, это не значит, что он всегда требует немедленного лечения. Некоторые изменения ДНК не являются злокачественными, изменения, связанные со старением, безвредны или разрешаются самостоятельно. Вы никогда не узнаете о них без теста. Вот почему проведение дополнительного скрининга и диагностика рака не всегда могут быть полезными, сказал Патель, и это должны определить опытные врачи.
Команда также предупредила, что даже если показания микробов указывают на рак, пациенту, вероятно, потребуются дополнительные тесты для подтверждения диагноза, определения стадии опухоли и определения ее точного местоположения.
Заглядывая вперед
Найт сказал, что многие проблемы еще предстоит решить, поскольку его команда далее развивает эти первоначальные наблюдения в одобренный FDA диагностический тест на рак. Прежде всего, они должны подтвердить свои выводы в гораздо большей и более разнообразной популяции пациентов, что является дорогостоящим мероприятием. Они должны определить, как может выглядеть «здоровое» микробное считывание на основе крови среди множества людей. Они также хотели бы определить, происходят ли микробные сигнатуры, которые они могут обнаружить в крови человека, от живых микробов, мертвых микробов или мертвых микробов, которые взорвались, рассеивая их содержимое — понимание, которое могло бы помочь им усовершенствовать и улучшить свой подход.
Чтобы ускорить считывание микробной ДНК на основе крови с помощью следующих шагов, направленных на одобрение регулирующих органов, коммерциализацию и клиническое применение диагностического теста, Найт и Пур подали патентные заявки, и они основали разветвленную компанию под названием Микронома с соавтором Сандрин Миллер-Монтгомери, Доктор философии, профессор практики в Школе инженерии Джейкобса и исполнительный директор Центра инноваций в области микробиом в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
По словам Пура, последнее исследование может спровоцировать важные сдвиги в области биологии рака.
«Например, для микробиологов является обычной практикой использование многих контролей загрязнения в своих экспериментах, но исторически они редко использовались в исследованиях рака», — сказал он. «Мы надеемся, что это исследование поможет будущим исследователям рака быть« микробно сознательными ».»
Исследователи также предполагают, что диагностика рака может быть только началом для недавно обнаруженного связанного с раком микробиома крови.
«Это новое понимание того, как микробные популяции перемещаются вместе с раком, может открыть совершенно новый терапевтический путь», — сказал Миллер-Монтгомери. «Теперь мы знаем, что микробы есть, но что они делают? И можем ли мы манипулировать или подражать этим микробам для лечения рака?»
Когда Грегори Пур был новичком в колледже, его в остальном здоровая бабушка была шокирована, узнав, что у нее поздняя стадия рака поджелудочной железы. Состояние было диагностировано в конце декабря. Она умерла в январе.
«У нее практически не было никаких признаков или симптомов», — сказал Пур. «Никто не мог сказать, почему ее рак не был обнаружен ранее или почему он был устойчив к лечению, которое они пытались».
Поскольку Пур начал учиться в своих исследованиях в колледже, рак традиционно считался болезнью человеческого генома — мутации в наших генах позволяют клеткам избегать смерти, размножаться и образовывать опухоли.
Но когда Пур увидел исследование в 2017 году в Наука это продемонстрировало, как микробы проникли в большинство раковых заболеваний поджелудочной железы и смогли разрушить основной химиотерапевтический препарат, назначаемый этим пациентам, он был заинтригован идеей, что бактерии и вирусы могут играть более важную роль в раке, чем кто-либо ранее считал.
Пур в настоящее время является MD / Ph.D. студент медицинского факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего, где он проводит дипломную работу в лаборатории Роба Найта, доктора философии, профессора и директора Центра инноваций в области микробиомов.
Вместе с междисциплинарной группой сотрудников, Пур и Найт разработали новый метод для определения, у кого есть рак, и часто какого типа, просто анализируя паттерны микробной ДНК — бактериальной и вирусной — присутствующей в их крови.
Исследование, опубликованное 11 марта 2020 г. в Природа, может изменить, как рак рассматривается и диагностируется.
«Почти все предыдущие исследования рака предполагали, что опухоли являются стерильной средой, и игнорировали сложное взаимодействие человеческих раковых клеток с бактериями, вирусами и другими микробами, которые живут в нашем организме и на нем», — сказал Найт.
«Количество микробных генов в нашем организме значительно превосходит количество человеческих генов, поэтому не удивительно, что они дают нам важные подсказки для нашего здоровья».
Связанные с раком микробные паттерны
Исследователи сначала изучили микробные данные, полученные из Атласа генома рака, базы данных Национального института рака, содержащей геномную и другую информацию о тысячах опухолей пациентов. Насколько известно команде, это было самое большое усилие, когда-либо предпринимаемое для выявления микробной ДНК в данных секвенирования человека.
Из 18 116 образцов опухолей, представляющих 10 481 пациентов с 33 различными типами рака, выявлены различные микробные признаки или паттерны, связанные с конкретными типами рака. Некоторые ожидали, например, связь между вирусом папилломы человека (ВПЧ) и раком шейки матки, головы и шеи, и связь между веретенообразные бактерии виды и желудочно-кишечный рак. Но команда также идентифицировала ранее неизвестные микробные сигнатуры, которые сильно различали типы рака. Например, наличие Faecalibacterium виды отличались раком толстой кишки от других видов рака.
Вооружившись профилями микробиомов тысяч образцов рака, исследователи затем обучили и протестировали сотни моделей машинного обучения, чтобы связать определенные паттерны микробов с наличием специфических видов рака. Модели машинного обучения были в состоянии идентифицировать тип рака пациента, используя только микробные данные из его или ее крови.
Затем исследователи удалили из набора данных раковые заболевания высокого уровня (стадии III и IV) и обнаружили, что многие типы рака все еще различимы на более ранних стадиях, полагаясь исключительно на полученные из крови микробные данные. Результаты сохранялись даже тогда, когда команда провела самую строгую дезинфекцию биоинформатики на образцах, которая удалила более 90 процентов микробных данных.
Применение теста микробной ДНК
Чтобы определить, могут ли эти микробные паттерны быть полезными в реальном мире, Найт, Пур и его команда проанализировали образцы плазмы крови 59 согласившихся пациентов с раком простаты, 25 с раком легкого и 16 с меланомой, предоставленные сотрудниками в онкологическом центре Мурса в UC Сан-Диего Здоровье. Используя новые инструменты, которые они разработали для минимизации загрязнения, исследователи разработали считывание микробных сигнатур для каждого образца ракового пациента и сравнили их друг с другом и с образцами плазмы от 69 здоровых, ВИЧ-негативных добровольцев, предоставленных Центром нейробиологических исследований ВИЧ в Калифорнии. Медицинская школа Сан-Диего.
Модели машинного обучения команды были в состоянии отличить большинство людей с раком от тех, у кого нет. Например, модели могут правильно идентифицировать человека с раком легких с чувствительностью 86 процентов и человека без заболевания легких со 100-процентной специфичностью. Они часто могли сказать, какие участники имели какой из трех типов рака. Например, модели могут правильно различать человека с раком простаты и человека с раком легких с чувствительностью 81%.
«Способность, в одной пробирке крови, иметь полный профиль ДНК опухоли (природы), а также ДНК микробиоты (питания) пациента, так сказать, является важным шагом вперед в лучшем понимании хозяина. взаимодействие окружающей среды при раке », — сказал соавтор Sandip Pravin Patel, доктор медицинских наук, медицинский онколог и один из руководителей экспериментальной терапии в онкологическом центре Moores в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
«При таком подходе есть потенциал для отслеживания этих изменений с течением времени не только в качестве диагностического, но и для долгосрочного терапевтического мониторинга. Это может иметь серьезные последствия для ухода за больными раком и для раннего выявления рака, если эти результаты продолжатся в дальнейшем тестировании ».
Сравнение с современной диагностикой рака
По словам Пателя, диагностика большинства видов рака в настоящее время требует хирургической биопсии или удаления образца из предполагаемого места рака и анализа образца экспертами, которые ищут молекулярные маркеры, связанные с определенными видами рака. Этот подход может быть инвазивным, трудоемким и дорогостоящим.
Несколько компаний в настоящее время разрабатывают «жидкие биопсии» — методы быстрой диагностики определенных видов рака с использованием простого забора крови и технологий, которые позволяют им обнаруживать специфичные для рака мутации генов человека в циркулирующей ДНК, выделяемой опухолями. Этот подход уже может использоваться для мониторинга прогрессирования опухолей для некоторых типов уже диагностированных раковых заболеваний, но еще не одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для диагностического использования.
«Несмотря на то, что был достигнут удивительный прогресс в области жидкой биопсии и раннего выявления рака, текущие жидкие биопсии еще не в состоянии надежно отличить нормальные генетические изменения от истинно раннего рака, и они не могут выявлять раки, где есть изменения в геноме человека. Не известно или не может быть обнаружено », — сказал Патель, который также является заместителем директора Центра точной иммунотерапии в Сан-Диего.
Вот почему часто существует риск, что текущие жидкие биопсии дадут ложноотрицательные результаты в условиях низкого бремени болезней. «Трудно найти одну очень редкую человеческую мутацию гена в редкой клетке, выделенной из опухоли», — сказал Патель. «Их легко не заметить, и вам, возможно, скажут, что у вас нет рака, когда вы действительно это делаете».
По словам исследователей, одним из преимуществ обнаружения рака на основе микробной ДНК по сравнению с циркулирующей ДНК опухоли человека является ее разнообразие между различными участками тела. Человеческая ДНК, напротив, по существу одинакова по всему организму. Не полагаясь на редкие изменения ДНК человека, исследование предполагает, что показания микробной ДНК на основе крови могут быть в состоянии точно определить наличие и тип раковых заболеваний на более ранних стадиях, чем текущие тесты на жидкую биопсию, а также для злокачественных опухолей, у которых отсутствуют обнаруживаемые генетические мутации этими платформами.
Ограничения и предостережения
Исследователи быстро указывают, что все еще существует вероятность того, что показания микробной ДНК на основе крови могут пропустить признаки рака и привести к ложноотрицательному результату. Но они ожидают, что их новый подход станет более точным, поскольку они улучшают свои модели машинного обучения с большим количеством данных.
И хотя ложные негативы могут встречаться реже при использовании метода микробной ДНК, ложные срабатывания — слышать, что у вас рак, а не — все еще представляют риск.
Патель сказал, что если рак обнаружен на ранней стадии, это не значит, что он всегда требует немедленного лечения. Некоторые изменения ДНК не являются злокачественными, изменения, связанные со старением, безвредны или разрешаются самостоятельно. Вы никогда не узнаете о них без теста. Вот почему проведение дополнительного скрининга и диагностика рака не всегда могут быть полезными, сказал Патель, и это должны определить опытные врачи.
Команда также предупредила, что даже если показания микробов указывают на рак, пациенту, вероятно, потребуются дополнительные тесты для подтверждения диагноза, определения стадии опухоли и определения ее точного местоположения.
Заглядывая вперед
Найт сказал, что многие проблемы еще предстоит решить, поскольку его команда далее развивает эти первоначальные наблюдения в одобренный FDA диагностический тест на рак. Прежде всего, они должны подтвердить свои выводы в гораздо большей и более разнообразной популяции пациентов, что является дорогостоящим мероприятием. Они должны определить, как может выглядеть «здоровое» микробное считывание на основе крови среди множества людей. Они также хотели бы определить, происходят ли микробные сигнатуры, которые они могут обнаружить в крови человека, от живых микробов, мертвых микробов или мертвых микробов, которые взорвались, рассеивая их содержимое — понимание, которое могло бы помочь им усовершенствовать и улучшить свой подход.
Чтобы ускорить считывание микробной ДНК на основе крови с помощью следующих шагов, направленных на одобрение регулирующих органов, коммерциализацию и клиническое применение диагностического теста, Найт и Пур подали патентные заявки, и они основали разветвленную компанию под названием Микронома с соавтором Сандрин Миллер-Монтгомери, Доктор философии, профессор практики в Школе инженерии Джейкобса и исполнительный директор Центра инноваций в области микробиом в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
По словам Пура, последнее исследование может спровоцировать важные сдвиги в области биологии рака.
«Например, для микробиологов является обычной практикой использование многих контролей загрязнения в своих экспериментах, но исторически они редко использовались в исследованиях рака», — сказал он. «Мы надеемся, что это исследование поможет будущим исследователям рака быть« микробно сознательными ».»
Исследователи также предполагают, что диагностика рака может быть только началом для недавно обнаруженного связанного с раком микробиома крови.
«Это новое понимание того, как микробные популяции перемещаются вместе с раком, может открыть совершенно новый терапевтический путь», — сказал Миллер-Монтгомери. «Теперь мы знаем, что микробы есть, но что они делают? И можем ли мы манипулировать или подражать этим микробам для лечения рака?»
