Meestal worden tumoren onderzocht met behulp van weefselbiopten. Een klein monster wordt uit de tumor genomen en gegenotypeerd, of geanalyseerd op genetische make-up. Het probleem met deze benadering is dat biopsie-tumoren een uitdaging kunnen zijn. Bovendien levert een tumorbiopsie slechts een momentopname van de tumor op.
Schrijven in Discovery Medicine in 2015 zeggen Labgaa en co-auteurs het volgende over conventionele tumorbiopsieën:
Om voor de hand liggende redenen is het moeilijk om de evolutie van de tumor te volgen door sequentiële biopsieën. Ook weerspiegelt biopsie alleen een enkele plek van de tumor en daarom is het onwaarschijnlijk dat het het gehele spectrum van somatische mutaties in grote tumoren vertegenwoordigt. Een alternatief zou zijn om meerdere biopsieën voor dezelfde tumor te verkrijgen, maar deze optie lijkt niet realistisch noch nauwkeurig.
Vloeibare biopsie houdt de meting van circulerend DNA (ctDNA) en andere tumorbijproducten in bloedmonsters verkregen van patiënten met kanker in. Deze opkomende diagnostische aanpak belooft snel, niet-invasief en kosteneffectief te zijn.
Geschiedenis van vloeibare biopsie
In 1948 identificeerden een paar Franse onderzoekers Mandel en Métais voor het eerst ctDNA in het bloed van gezonde mensen. Deze ontdekking was zijn tijd ver vooruit en pas decennia later werd ctDNA verder onderzocht.
In 1977 identificeerden Leon en collega’s voor het eerst verhoogde hoeveelheden ctDNA in het bloed van kankerpatiënten.
Tegen 1989 identificeerden Stroun en collega’s neoplastische (d.w.z. kanker) eigenschappen in het bloed. Na deze ontdekkingen identificeerden verschillende andere groepen specifieke mutaties in tumorsuppressoren en oncogenen, instabiliteit van microsatelliet en DNA-methylatie, waaruit bleek dat ctDNA door tumoren in de bloedsomloop wordt vrijgegeven.
Hoewel we weten dat ct-DNA afgeleid van tumorcellen in het bloed circuleert, zijn de oorsprong, de snelheid van afgifte en het mechanisme van afgifte van dit DNA onduidelijk, met onderzoek dat tegenstrijdige resultaten oplevert. Sommige onderzoeken suggereren dat meer kwaadaardige tumoren meer dode kankercellen bevatten en meer ctDNA afgeven. Sommige onderzoeken suggereren echter dat alle cellen ctDNA afgeven. Desalniettemin lijkt het waarschijnlijk dat kankertumoren verhoogde spiegels van ctDNA in het bloed afgeven, waardoor ctDNA een goede biomerker voor kanker wordt.
Vanwege zware fragmentatie en lage concentraties in het bloed is ctDNA moeilijk te isoleren en te analyseren. Er is een discrepantie van ctDNA-concentraties tussen serum- en plasmamonsters. Het lijkt erop dat bloedserum in plaats van bloedplasma een betere bron van ctDNA is. In een onderzoek door Umetani en collega’s bleken de ctDNA-concentraties constant laag in het plasma te zijn in vergelijking met het serum als gevolg van mogelijk verlies van circulerend DNA tijdens de zuivering, omdat coagulatie en andere eiwitten tijdens de monsterbereiding worden geëlimineerd.
Volgens Heitzer en collega’s zijn hier enkele specifieke problemen die moeten worden opgelost om het diagnostische potentieel van ctDNA te benutten:
Ten eerste moeten preanalytische procedures worden gestandaardiseerd …. Selectie van een isolatiemethode die zorgt voor extractie van een voldoende hoeveelheid hoogwaardig DNA is van cruciaal belang en er is aangetoond dat preanalytische factoren van bloedafname en -verwerking de DNA-opbrengst sterk kunnen beïnvloeden …. Ten tweede, een van de belangrijkste kwesties is het gebrek aan harmonisatie van kwantificeringsmethoden. Verschillende kwantificatiemethoden, … produceren verschillende resultaten omdat deze metingen gericht zijn op totaal of alleen amplificeerbaar DNA …. Ten derde is minder bekend over de oorsprong en het gedetailleerde mechanisme van ctDNA-afgifte, en in de meeste studies die gebeurtenissen confronteren die ook kunnen bijdragen aan de afgifte van ctDNA.
Gerichte versus ongeplande benaderingen
Momenteel zijn er twee belangrijke benaderingen bij het analyseren van bloedplasma (of serum) voor ctDNA. De eerste benadering is gericht en zoekt naar specifieke genetische veranderingen die indicatief zijn voor tumoren. De tweede benadering is niet-gericht en omvat een genoom-brede analyse op zoek naar ctDNA dat een afspiegeling is van kanker. Als alternatief is exome-sequencing gebruikt als een meer kosteneffectieve, niet-gerichte benadering. Exomen zijn de delen van DNA die worden getranscribeerd om eiwitten te maken.
Met gerichte benaderingen wordt serum geanalyseerd op bekende genetische mutaties in een kleine set van driver-mutaties.
Driver-mutaties verwijzen naar mutaties in het genoom die de groei van kankercellen bevorderen of "aandrijven". Deze mutaties omvatten KRAS of EGFR.
Vanwege de technologische vooruitgang van de afgelopen jaren zijn gerichte benaderingen van de analyse van het genoom voor kleine hoeveelheden ctDNA haalbaar. Deze technologieën omvatten ARMS (amplificatie-refractair mutatiesysteem); digitale PCR (dPCR); parels, emulsies, amplificatie en magnetisme (BEAMing); en deep-sequencing (CAPP-Seq).
Hoewel er technologische vooruitgang is geboekt die de gerichte aanpak mogelijk maakt, richt de gerichte benadering zich slechts op enkele posities van mutaties (hotspots) en mist een groot aantal mutaties van de bestuurder, zoals tumoronderdrukkers.
Het belangrijkste voordeel van niet-gerichte benaderingen van vloeibare biopsie is dat ze bij alle patiënten kunnen worden gebruikt vanwege het feit dat de test niet afhankelijk is van terugkerende genetische veranderingen. Herhaalde genetische veranderingen zijn niet van toepassing op alle kankers en zijn geen specifieke kankersignaturen. Desalniettemin mist deze benadering analytische gevoeligheid en is een uitgebreide analyse van tumorgenomen nog niet mogelijk.
Merk op dat de prijs van het sequencen van een volledig genoom aanzienlijk is gedaald. In 2006 bedroeg de prijs van het sequencen van het hele genoom ongeveer $ 300.000 (USD). Tegen 2017 waren de kosten gedaald tot ongeveer $ 1.000 (USD) per genoom, inclusief reagentia en de afschrijving van sequencingmachines.
Klinisch nut van vloeibare biopsie
De eerste inspanningen om ctDNA te gebruiken waren diagnostische en vergeleken niveaus bij gezonde patiënten met die van kankerpatiënten of patiënten met een goedaardige ziekte. De resultaten van deze inspanningen waren gemengd, waarbij slechts enkele onderzoeken significante verschillen vertoonden die duidden op kanker, ziektevrije status of terugval.
De reden waarom ctDNA slechts een deel van de tijd kan worden gebruikt om kanker te diagnosticeren, is omdat variabele hoeveelheden ctDNA worden afgeleid van tumoren. Niet alle tumoren "werpen" DNA in dezelfde hoeveelheid. In het algemeen werpen meer geavanceerde, wijdverspreide tumoren meer DNA in de bloedsomloop dan vroege, gelokaliseerde tumoren. Bovendien werpen verschillende tumortypen verschillende hoeveelheden DNA in de bloedsomloop. De fractie circulerend DNA die is afgeleid van een tumor is sterk variabel tussen studies en kankertypen, variërend van 0,01% tot 93%. Het is belangrijk op te merken dat in het algemeen slechts een minderheid van ctDNA is afgeleid van de tumor, de rest komt van normale weefsels.
Circulerend DNA kan worden gebruikt als een prognostische marker voor ziekten. Doorlopend DNA kan worden gebruikt om veranderingen in kanker in de tijd te volgen. Een onderzoek toonde bijvoorbeeld aan dat de overlevingskans van twee jaar bij patiënten met colorectale kanker (dwz het aantal patiënten dat nog minstens twee jaar in leven was na de diagnose met colorectale kanker) en de KRAS hotspot-mutaties 100 procent was in die zonder bewijs van corresponderend circulerend DNA. Bovendien is het mogelijk dat in de nabije toekomst circulerend DNA kan worden gebruikt om precancereuze laesies te volgen.
Circulerend DNA kan ook worden gebruikt om de respons op therapie te volgen. Omdat circulerend DNA een beter algemeen beeld geeft van de genetische samenstelling van tumoren, bevat dit DNA waarschijnlijk diagnostisch DNA, dat kan worden gebruikt in plaats van diagnostisch DNA dat wordt verkregen uit tumoren zelf.
Laten we nu eens kijken naar enkele specifieke voorbeelden van vloeibare biopsie.
Guardant360
Guardant Health ontwikkelde een test die sequentiëring van de volgende generatie gebruikt voor het profileren van circulerend DNA voor mutaties en chromosomale herschikkingen voor 73 kanker-gerelateerde genen. Guardant Health publiceerde een onderzoek dat de bruikbaarheid van vloeibare biopsie in de oncologie rapporteerde. De studie gebruikte bloedmonsters van 15.000 patiënten met een gecombineerde 50 tumortypen.
Grotendeels, de resultaten van de vloeibare biopsietest in lijn met genveranderingen die zijn waargenomen in tumorbiopten.
Volgens de NIH:
Guardant360 identificeerde dezelfde kritieke mutaties in belangrijke kankergerelateerde genen zoals EGFR, BRAF, KRASen PIK3CA bij frequenties die sterk lijken op wat eerder was vastgesteld in tumorbiopsiemonsters, statistisch gecorreleerd met 94% tot 99%.
Verder rapporteerden de onderzoekers volgens de NIH het volgende:
In een tweede onderdeel van de studie evalueerden de onderzoekers bijna 400 patiënten – van wie de meesten long- of colorectale kanker hadden – die zowel bloed-ctDNA- als tumorweefsel-DNA-resultaten beschikbaar hadden en vergeleken de patronen van genomische veranderingen. De algehele nauwkeurigheid van de vloeibare biopsie in vergelijking met de resultaten van de tumorbiopsieanalyses was 87%. De nauwkeurigheid nam toe tot 98% wanneer de bloed- en tumormonsters binnen 6 maanden na elkaar werden verzameld.
Guardant360 was accuraat, hoewel de niveaus van circulerend DNA in het bloed laag waren. Vaak vormde het circulerende tumor-DNA slechts 0,4 procent van het DNA in het bloed.
Over het algemeen konden de onderzoekers van Guardant met behulp van vloeibare biopsie tumormarkers identificeren die bij 67 procent van de patiënten door artsen konden worden behandeld. Deze patiënten kwamen in aanmerking voor FDA-goedgekeurde behandelingen en voor onderzoekstherapieën.
ctDNA en longkanker
In 2016 heeft de FDA de cobas EGFR-mutatietest goedgekeurd voor de detectie vanEGFR-mutaties in het circulerende DNA van patiënten met longkanker. Deze test was de eerste door de FDA goedgekeurde vloeibare biopsie en identificeerde patiënten die mogelijk kandidaten zijn voor behandeling met gerichte therapieën met erlotinib (Tarceva), afatinib (Gilotrif) en gefitinib (Iressa) als eerstelijnsbehandeling en osimeritinib (Tagrisso) als tweedelijnsbehandeling. Deze gerichte therapieën vallen kankercellen aan met specifieke EGFR -mutaties.
Belangrijk is dat vanwege het hoge aantal foutnegatieve resultaten de FDA aanbeveelt om ook een weefselbiopsiemonster te nemen van een patiënt met een negatieve vloeibare biopsie.
ctDNA en leverkanker
Het aantal mensen dat sterft aan leverkanker is de afgelopen 20 jaar toegenomen. Momenteel is leverkanker de tweede belangrijkste oorzaak van de dood van kanker in de wereld. Er zijn geen goede biomarkers beschikbaar om lever- of hepatocellulaire (HCC) kanker te detecteren en te analyseren. Circulerend DNA zou een goede biomerker voor leverkanker kunnen zijn.
Beschouw het volgende citaat van Lagbaa en co-auteurs over het gebruik van circulerend DNA om leverkanker te diagnosticeren:
Hypermethylering van RASSF1A, p15 en p16 zijn gesuggereerd als vroege diagnostische hulpmiddelen in een retrospectief onderzoek met 50 HCC-patiënten. Een handtekening van vier afwijkende gemethyleerde genen (APC, GSTP1, RASSF1A en SFRP1) werd ook getest op diagnostische nauwkeurigheid, terwijl methylatie van RASSF1A werd gerapporteerd als een prognostische biomarker. Daaropvolgende studies analyseerden ctDNA bij HCC-patiënten met behulp van deep sequencing-technologieën … Opvallend was dat afwijkende DNA-kopieaantallen werden gedetecteerd bij twee HBV-dragers zonder voorgeschiedenis van HCC op het moment van bloedafname, maar bij wie tijdens de follow-up HCC werd ontwikkeld. Deze bevinding opende de deur om de variatie in kopie-aantallen in ctDNA te evalueren als een screeningtool voor vroege HCC-detectie.
Een woord van heel dichtbij
Vloeibare biopsieën zijn een opwindende nieuwe benadering van genomische diagnose. Momenteel zijn bepaalde vloeibare biopten, die uitgebreide moleculaire profilering bieden, beschikbaar voor artsen om genetische informatie verkregen uit weefselbiopsie aan te vullen. Er zijn ook bepaalde vloeibare biopsieën die kunnen worden gebruikt in plaats van weefselbiopsie – wanneer weefselbiopten niet beschikbaar zijn.
Het is belangrijk om in gedachten te houden dat veel vloeibare biopsieonderzoeken momenteel gaande zijn en dat er meer onderzoek moet worden gedaan om de therapeutische bruikbaarheid van deze interventie uit te werken.
