Personlig onco-genomics
Personalized onco-genomics ( POG ) är området för onkologi och genomik som är fokuserat på att använda helgenomanalys för att fatta personliga kliniska behandlingsbeslut. Programmet togs fram av British Columbias BC Cancer Agency och leds för närvarande av Marco Marra och Janessa Laskin. Genominstabilitet har identifierats som ett av de underliggande kännetecknen för cancer. Den genetiska mångfalden av cancerceller främjar flera andra cancerkännetecknande funktioner som hjälper dem att överleva i sin mikromiljö och så småningom metastasera. Den uttalade genomiska heterogeniteten hos tumörer har fått forskare att utveckla ett tillvägagångssätt som bedömer varje individs cancer för att identifiera riktade terapier som kan stoppa cancertillväxt. Identifiering av dessa "förare" och motsvarande mediciner som används för att eventuellt stoppa dessa vägar är viktiga vid cancerbehandling.
Med de onkogenomiska databaserna som för närvarande känner igen mutationer och abnormiteter i cancercellers genomstruktur, kan DNA-, RNA- och proteinanalys användas för att bedöma dessa förändringar och identifiera drivkrafter för cancertillväxt. Genom att avkoda den genetiska informationen inuti cancerceller samlar forskare information som kan hjälpa till att förstå faktorer som främjar tumörtillväxt och utveckla strategier för att stoppa den. Helst kommer en katalog över alla somatiska cancermutationer att skapas i framtiden som kan ge insikt i cancercellernas onormala cellvägar och de genetiska mönster som driver specifika cancerfenotyper. Denna information kan hjälpa till att utveckla effektiva personliga behandlingsalternativ för patienter med resistenta cancerformer och helst förhindra toxicitet relaterade till konventionell kemoterapeutika.
Historia
Det nya tillvägagångssättet att jämföra en patients tumör mot normal vävnad identifierades först 2010 när man bedömde den genetiska utvecklingen av adenokarcinom i tungan före och efter behandling. Denna studie presenterade bevis för att den genetiska informationen från dessa tumörer har potential att påverka behandlingsalternativen för cancer. Efter att ha identifierat drivrutinerna för tumören var RET-onkogenen, administrerades patienten med en RET-hämmare (sunitinib), som stabiliserade sjukdomen i 4 månader. En andra omgång av RET-hämmare (sorafenib och sulindac) administrering gav ytterligare 3 månaders sjukdomsstabilisering innan cancern fortsatte igen. De observerade mutationerna och amplifieringen i den återkommande metastasen identifierades vara förenlig med resistens mot RET-hämmarna. Utvecklingen av adenokarcinom efter behandling med RET-hämmare visades med möjlighet till personlig cancerterapi. Detta tillvägagångssätt replikerades sedan framgångsrikt i andra cancertyper och resulterade i bildandet av Personalized Onco-Genomics Program vid BC Cancer Agency. Detta program har nu analyserat över 570 vuxna cancerpatienter med obotlig sjukdom, som publicerades i en landmärkestudie 2020.
Datatillgänglighet
Genomiska och transkriptomiska sekvensdataset från 2020 Nature-publikationen som omfattar de första 570 "POG"-patienterna har deponerats på European Genome-phenome Archive (EGA, http://www.ebi.ac.uk/ega/ ) som en del av studera EGAS00001001159. Data om mutationer, kopieförändringar och uttryck från tumörprover i POG-programmet organiserat av OncoTree-klassificering ( http://oncotree.mskcc.org ) är också tillgängligt från https://www.personalizedoncogenomics.org/cbioportal/ . Den kompletta katalogen för små mutationer och genuttrycks-TPM finns att ladda ner från http://bcgsc.ca/downloads/POG570/ .
Logisk grund
OMICS-teknologier är metoder med hög genomströmning som hjälper till att utvärdera och opartisk undersöka egenskaper hos genomet, epigenomet, transkriptomet, proteomet och metabolomen.
Ett genom är den kompletta samlingen av en organisms DNA-sekvenser, som innehåller instruktioner för cellulära processer. I humana diploida celler kan 6 miljarder DNA-baspar av genomet hittas i kärnan. Utvecklingen av alla cancerformer börjar med att en enda cell ackumulerar tillräckligt med skadliga förändringar i DNA-sekvensen som gör att den kan föröka sig okontrollerat. Därefter invaderar ursprungscellens snabbväxande avkomma omgivande vävnader, migrerar till andra vävnader.
I en typisk tumör kan flera dussintals somatiska mutationer störa proteinernas normala funktion. Majoriteten av somatiska mutationer är bara biprodukter av det instabila cancergenomet och förstärker inte tumörcelltillväxten. Vanligtvis finns mellan två och åtta förarmutationer, mutationer som ger cancerceller tillväxtfördelar, bland alla somatiska mutationer i ett tumörprov. Drivrutinsmutationer kan vara användbara eftersom de fungerar som diagnostiska och prognostiska biomarkörer för cancer och kan ha terapeutiska konsekvenser. Till exempel kinashämmare behandla tumörer associerade med förarmutationer i kinaser. Axitinib , gefitinib och dabrafenib används för att behandla akut lymfoblastisk leukemi hos vuxna , icke-småcellig lungcancer respektive melanom .
Eftersom cancer kan uppstå från otaliga olika genetiska mutationer och en kombination av mutationer, är det utmanande att utveckla ett botemedel som är lämpligt för alla cancerformer, med tanke på den genetiska mångfalden hos den mänskliga befolkningen. För att tillhandahålla och utveckla den mest lämpliga genetiska terapin för ens cancer har personlig onkogenomik utvecklats. Genom att sekvensera en cancerpatients arvsmassa kan en klinisk forskare bättre förstå vilka gener/del av arvsmassan som har muterats specifikt hos den patienten och en personlig behandlingsplan kan potentiellt implementeras.
Metoder
Helgenomanalys
Med tillkomsten av nästa generations sekvensering har de genomomfattande sekvenseringsanalyserna gjorts mer tillgängliga för att grundligt förstå genetiken för varje patients cancer. Genetiskt material från tumörbiopsier kan analyseras genom två genomomfattande tillvägagångssätt: hel exomsekvensering (WES) och helgenomsekvensering (WGS). Genom att utveckla verktyg för att analysera dessa omfattande sekvensdata har forskare börjat förstå hur sjukdomar, inklusive cancer, kan tillskrivas gener och intergena varianter som singelnukleotidpolymorfismer (SNP) och kopienummervarianter (CNV).
Även om det är dyrare än WES, tillåter sekvensering av hela genomet kliniska forskare att förstå hur cancer kan orsakas av förändringar i ett genom inklusive singelnukleotidvarianter (SNV), SNP och CNV. Eftersom WES endast tar exom (samlingen av kända kodande regioner av genomet) kommer förändringar i den icke-kodande regionen av genomet inte att detekteras av WES. Icke-kodande regioner, inklusive oöversatta regioner , introner , promotorer , regulatoriska element , icke-kodande funktionellt RNA, repetitiva regioner och mitokondriella genom , utgör 98% av det mänskliga genomet, funktionen för de flesta regioner förblir outforskad. Även om dessa metoder är användbara för att hitta kortare varianter, begränsas de av läslängder av sekvenseringsteknologi och kan inte upptäcka stora indelar och strukturella varianter.
Även om varianter i en icke-kodande region inte avslöjas av WES, identifierar båda metoderna alla mutationer som är kända för att orsaka cancer hos en given patient och har varit till hjälp för att identifiera lågfrekventa och sällsynta patogena (sjukdomsframkallande) varianter. Utmaningen kvarstår dock i att analysera alla genetiska variationer i ett genom för den kliniska betydelsen (om en mutation är sjukdomsframkallande eftersom inte alla mutationer är skadliga) eftersom mycket av arvsmassan inte är helt förstått och nya varianter fortfarande upptäcks .
För att bättre förstå patogeniciteten hos alla möjliga genomiska varianter för att tolka WES/WGS-data, studerar forskare systematiskt genomomfattande sekvenseringsdata över många tumörgenom. Hela exomsekvensering har varit de konventionella data som används av internationella cancergenomforskningsprogram som The Cancer Genome Atlas (TCGA) och The International Cancer Genome Consortium (ICGC). Dessa studier har samlat in WES-data för alla typer av mänskliga tumörer och har varit en öppen resurs för kliniska forskare. Att systematiskt analysera mer än 50 000 tumörgenom har klarlagt nya cancergener och vägar, vilket öppnar upp för nya sysselsättningar för läkemedelsföretag. Forskare har också upptäckt generella trender om olika typer av cancer som kan informera allmänheten om proaktiva förebyggande åtgärder. Till exempel finns fler somatiska mutationer i kodande regioner i cancerframkallande cancerformer än i pediatriska tumörer och leukemi. Även om dessa systematiska studier ger omfattande mutationsdata om kodande regioner, är informationen begränsad om somatiska mutationer i icke-kodande regioner. Forskare har först nyligen börjat bli belysta om hur cancer kan orsakas av varianter i de icke-kodande områdena i genomet. Under 2018 analyserade Zhang och kollegor 930 tumörhela genom med tillhörande transkriptom (samling av mRNA-transkript) för att visa mutationer i 193 icke-kodande sekvenser stör normalt genuttryck. Noterbart hittade de upprepade gånger icke-kodande mutationer påverkade DAAM1-, MTG2- och HYI-transkription där DAAM1-uttryck initierar invasiv cellmigrering i tumören. Eftersom det centrala somatiska genuttrycksnätverket är defekt i 88% tumörer, Zhang et al. föreslog att icke-kodande mutation kan ha en utbredd inverkan på cancer. Eftersom kostnaden för sekvensering minskar och sekvensanalytisk pipeline optimerar, söker forskare utöka cancergenomisk kunskap med WGS. Icke desto mindre kan WES förbli effektivt för klinisk diagnos under de närmaste åren eftersom WES-resultat erhålls snabbare.
Ansökan
Behandlingsalternativ för aggressiv metastaserande cancer har vanligtvis en dålig svarsfrekvens på konventionella behandlingar. Genom detta nya tillvägagångssätt görs analys av onkogena faktorer för att identifiera de unika molekylära signaturerna hos individens tumör. I de flesta cancerformer finns det flera vägar som förändras och leder till sjukdomstillväxt och progression. Vägarna kan variera från person till person, och även mellan olika sjukdomsställen hos en enda person. Dessa vägar har också förmågan att utvecklas beroende på de olika behandlingsalternativ som försökt stoppa utvecklingen.
POGs-programmet tar biopsier från metastaserande tumörer från patienter, sekvenserar både DNA och RNA och undersöker sedan vad som driver personens cancer i ett försök att välja rätt läkemedel för rätt person vid rätt tidpunkt. Erkännande av specifika genetiska avvikelser som främjar cancerprogression kan hjälpa till att välja icke-konventionella behandlingsalternativ för att rikta in sig på dessa avvikelser. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för flera läkare att arbeta tillsammans på ett samarbetssätt för att tackla en aggressiv sjukdom. Den genetiska informationen som samlas in från tumören hjälper vårdpersonal att fatta rationella kliniska beslut angående behandlingsstrategier. Dessa strategier kan användas för att rikta in sig på tillväxten av tumören, identifiera potentiella kliniska prövningar som patienter kan anmäla sig till och hitta effektivare och mindre toxiska läkemedelsalternativ.
Detta tillvägagångssätt har varit framgångsrikt för att behandla små undergrupper av cancer med medicin som vanligtvis används för att behandla kronisk myeloid leukemi (KML) . Imatinib riktar sig mot en BCR-ABL- translokation som uppträder i mer än 95 % av KML-fallen. Framgången för detta läkemedel vid behandling av KML har belyst vikten av personliga behandlingsalternativ och identifiering av molekylära vägar som ska målinriktas. Imatinib används nu även för att behandla vissa magcancer efter att ha identifierat de genetiska förändringarna i denna cancertyp. Återanvända nuvarande behandlingsalternativ som används för andra behandlingar och kan stoppa cancerutvecklingen på grund av likheter i egenskaper.
Framgången för POGs-programmet framhävs av identifieringen av en ny genetisk mutation hos en 35-årig återkommande bröstcancerpatient. Zuri Scrivens var inskriven i POGs-programmet vid BC Cancer-byrån för att hjälpa till att utforma en personlig ny terapi baserad på hennes tumörmutationer. Från resultaten av hennes tumörgenomsekvensanalys valdes ett läkemedel som oftast används vid behandling av typ 2-diabetes ut för att behandla hennes återfall tillsammans med en vanlig kemoterapimedicin. Med kombinationen av dessa mediciner återgick Zuris cancer snabbt i remission.
I framtiden kan användningen av denna personliga onco-genomics-metod vara det första steget för behandlingen av varje persons cancer. Det finns ett stort djup av genetisk information som kan utvinnas från varje individs cancer. Genomisk data kan ge värdefull information om varje individs cancer och vägleda kliniskt beslutsfattande från vårdpersonal.
Utmaningar
Det finns flera utmaningar som hindrar antagandet av POGs. Den största utmaningen är identifieringen av genetiska faktorer som främjar cancertillväxt. Dessa "förare" måste förstås innan några åtgärder kan vidtas mot dem. Även om kostnaderna för genetiska tester har minskat avsevärt, kan resultaten ge en enorm mängd genetisk information som forskarna inte riktigt har förstått ännu. Genom förståelsen för dessa "drivkrafter" för cancertillväxten kan lämpliga läkemedelsval göras för att rikta in dem. Endast en bråkdel av dessa förare har identifierats fram till nu och mer forskning krävs för att avslöja många av cancerns egenskaper.
Cancerceller är kända för de tusentals genetiska förändringar som sker inom en enda cell. Att rikta in sig på dessa genetiska förändringar kräver en betydande mängd forskning för att identifiera vilka förändringar som är förare och vilka som är "passagerare". Dessa passagerare inte direkt till cancer tillväxt. Tyvärr är medicin för närvarande inte tillgänglig för varje genetisk förändring som kan inträffa inom en cancercell och driva tillväxten. Med ytterligare forskning kommer fler mediciner att göras och identifieras för att rikta in sig på dessa genetiska förändringar.
En annan utmaning med POGs är att identifiera nya metoder för att övervinna resistens från läkemedelsbehandling. Vissa mediciner som används för att rikta in sig på cancer som innehåller genetiska förändringar kan inte ge varaktiga fördelar. Patienter kan uppleva antingen kortlivade eller långvariga fördelar av medicinen, men eftersom cancern ständigt utvecklas utvecklar den ofta ännu fler genetiska förändringar som gör att den kan anpassa sig och överleva mot drogen. Denna läkemedelsresistens gör att cancerformerna kan växa tillbaka trots tidigare effektiv behandling. Detta har blivit en stor utmaning vid behandling av cancer.
POGs och andra nya cancerbehandlingar testas i allmänhet på patienter med avancerad cancer som har misslyckats med tidigare läkemedelsbehandling. Med tiden fortskrider och utvecklas cancer baserat på de tidigare behandlingar som individen har fått. Dessa cancerformer är otroligt svåra att behandla på grund av deras läkemedelsresistensmekanismer. Det finns en växande acceptans för att dessa nya mediciner måste testas på individer mycket tidigare så att cancer inte hinner utvecklas med resistens. Som nämnts ovan hjälper utvecklingen av flytande biopsier till att ge patienterna rätt läkemedel vid rätt tidpunkt. En icke-invasiv metod för att hjälpa kliniker att påverka det kliniska beslutsfattandet kan bli grunden för nya kliniska prövningar i framtiden.
Möjligheten att genomföra detta tillvägagångssätt i alla cancercentra är fortfarande en av de största utmaningarna för alla personliga program. Tills det är möjligt för varje sjukhus och cancercentrum att ha den teknologi som krävs för att studera genomik hos varje individ, är det osannolikt att detta tillvägagångssätt kommer att antas. Innan många av de ovan beskrivna testerna blir allmänt använda måste forskare också visa att dessa test kan ge fördelar när de vägleder behandlingsalternativ, och om detta tillvägagångssätt i slutändan ökar överlevnaden och förhindrar återfall av cancer hos patienter.