Chipy DNA atakują raka

W ramach przygotowań do drobnej operacji John Leventhal potrzebował rutynowego prześwietlenia klatki piersiowej. Kiedy lekarz z New Haven w stanie CT dołączył do radiologa, który badał film, był zszokowany tym, co zobaczył: nieprzezroczystą plamę głęboko w płucach. Jako lekarz, mówi Leventhal, w szkole medycznej uczono cię, że kiedy widzisz taką masę, oznacza to raka płuc. Szkolenie medyczne Leventhala nauczyło go również, że aby potwierdzić diagnozę, jego lekarze będą musieli otworzyć mu klatkę piersiową, aby uzyskać fragment podejrzanej tkanki, który zostanie dokładnie zbadany przez patologa – niezwykle bolesna i niebezpieczna operacja. W weekend przed operacją Leventhal wyjechał na rodzinne wakacje na narty. Wspomina myślenie: To ostatni raz, kiedy będę jeździł na nartach przez długi, długi czas.

To było pięć lat temu. Dziś sposób radzenia sobie z rakiem w medycynie może się zmienić. Mniej więcej w tym samym czasie, w którym przeszedł Leventhal
chirurgii, naukowcy ze Stanford University i Santa Clara, start-up Affymetrix z siedzibą w Kalifornii, zaczęli budować pierwsze mikromacierze DNA. Bardziej znane jako chipy DNA, są to pokryte DNA wafle krzemowe, szklane lub plastikowe, które są w stanie analizować tysiące genów na raz, , na przykład zidentyfikuj te, które są aktywne w próbce komórek. Teraz te mikromacierze wydają się być gotowe do przyłączenia się do wojny z rakiem. Chipy DNA, przewiduje dyrektor National Cancer Institute Richard Klausner, będą miały ogromny wpływ na diagnostykę i leczenie choroby.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2001 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jednym z powodów ekscytacji jest to, że chipy DNA oferują zupełnie nowy i potencjalnie znacznie wcześniejszy, łatwiejszy i bardziej precyzyjny sposób wykrywania komórek rakowych. Większość form raka pozostaje niezauważona, aż do pojawienia się guzków, kaszlu lub bólu, kiedy to często jest już za późno. A nawet wtedy, gdy patolog wykona biopsję guza, odróżnienie jednej postaci raka od innej może być trudne lub nawet niemożliwe przy istniejących technikach, które polegają na obserwowaniu zniekształceń w architekturze komórek pod mikroskopem. Lepsze informacje diagnostyczne można wykorzystać do podejmowania lepszych decyzji dotyczących leczenia, być może odróżnienia życia od śmierci.

w ciągu najbliższych dwóch lat patolodzy spodziewają się, że zaczną używać narzędzi opartych na chipach DNA do wykrywania różnic genetycznych między komórkami; te charakterystyczne różnice można wykorzystać do wykrywania komórek rakowych na długo przed wystąpieniem objawów i do odróżniania jednego rodzaju raka od drugiego. Krótko mówiąc, chipy zapewnią profil genetyczny komórki rakowej, który można odczytać jak kartkę przestępcy. Lekarz będzie wiedział, skąd pochodzi komórka rakowa, jak daleko zaawansowała się i jakie terapie będą najskuteczniejsze, aby zatrzymać jej dalszy wzrost i rozprzestrzenianie się.

Leventhal miał szczęście. Jego biopsja płuca była negatywna i następnej zimy wrócił na stok. Ale powrót do zdrowia po biopsji zajęło mu miesiąc, a dziś ma gniewną bliznę na środku klatki piersiowej, która przypomina mu o męce. Jest prawdopodobne, że pod koniec dekady pacjent taki jak Leventhal będzie w stanie całkowicie pominąć inwazyjne procedury diagnostyczne. Urządzenie oparte na chipie DNA może być w stanie odczytać próbkę plwociny bezpośrednio w gabinecie lekarskim, sprawdzając zmiany genetyczne w komórkach płuc, które są naturalnie zrzucane do lepkiego płynu. Jeśli wiadomość jest zła, pacjent może mieć wiele nowych opcji leczenia. To dlatego, że chipy DNA przyspieszają również odkrywanie nowych i lepszych leków przeciwnowotworowych. Jesteśmy u progu nowej ery, mówi Klausner. Technologie takie jak chipy DNA powiedzą nam nie tylko, że coś może być nie tak, ale co to jest i co możemy z tym zrobić.

Szybkość zbierania

Według American Cancer Society, jeden na dwóch mężczyzn i jedna na trzy kobiety w Stanach Zjednoczonych prawdopodobnie zachoruje na raka w pewnym momencie swojego życia – a około 560 000 Amerykanów ma umrzeć z powodu tej choroby tylko w tym roku. postępy nie mogą nadejść wystarczająco szybko. Aż 500 laboratoriów badawczych w środowisku akademickim i przemysłowym już wykorzystuje chipy DNA do opracowywania nowych obrazów genetycznych różnych nowotworów. W 1999 r. sam National Cancer Institute przekazał 4,1 miliona dolarów 24 amerykańskim akademickim instytucjom onkologicznym na utworzenie lub modernizację centrów mikromacierzy. Tymczasem przemysł farmaceutyczny i biotechnologiczny czerpią z informacji zebranych z chipów DNA, aby opracowywać nowe, lepsze i bardziej skuteczne testy diagnostyczne leki przeciwnowotworowe o mniejszej liczbie skutków ubocznych. Rzeczywiście, wszystkie główne firmy farmaceutyczne i co najmniej tuzin firm biotechnologicznych już używa chipów DNA do walki z rakiem.

Jednocześnie duże firmy produkcyjne, takie jak Agilent Technologies, Corning i Motorola, dostrzegają potencjał chipów DNA. Wszyscy trzej sprzymierzyli się z akademickimi ośrodkami badawczymi, aby opracować chipy DNA, które będą analizować geny związane z określonymi nowotworami. I chociaż obecnie chipy DNA są zbyt drogie, aby konkurować z istniejącymi technologiami diagnostycznymi, zaangażowanie tych producentów i ich zakładów produkcyjnych może obniżyć ceny za chip nawet o 10 USD, gdy produkcja na dużą skalę zacznie się zwiększać.

Oczywiście, aby chipy DNA pomogły wygrać wojnę z rakiem, będzie to wymagało znacznego wysiłku i lat dalszego rozwoju. Po pierwsze, chipy DNA generują tony danych, a naukowcy będą musieli wzmocnić swoje możliwości obliczeniowe i ustalić standardy danych, aby to wszystko zrozumieć ( zobaczyć Generał Babel , TR kwiecień 2001 ). A wszelkie nowe leki lub urządzenia diagnostyczne będą musiały sprawdzić się w badaniach klinicznych. Jednak pierwsze owoce wysiłków zmierzających do zastosowania chipów DNA w nowotworach – nowe narzędzia diagnostyczne – mogą zacząć ratować życie już pod koniec przyszłego roku. Pierwsze leki przeciwnowotworowe opracowane przy użyciu chipów DNA wejdą w tym samym czasie do badań na ludziach, a dziesiątki kolejnych mają nastąpić. Przy tych wszystkich dostępnych nowych narzędziach, obecnie nieuleczalne formy raka mogą pewnego dnia nie oznaczać już wyroków śmierci.

Profile w raku

Pierwszym krokiem w kierunku tej wielkiej wizji jest wygenerowanie profilu genów, które są aktywowane lub wyłączane, gdy normalna komórka staje się rakowa. Podczas gdy większość genów w każdej komórce jest wyciszona w danym momencie, te, które są aktywne lub ulegają ekspresji, dużo powiedzieć o zdrowiu tej komórki. I chociaż wielu z nas myśli, że choroby są powodowane przez określone geny – powiedzmy gen choroby Huntingtona lub mukowiscydozy – większość chorób w rzeczywistości wiąże się ze skomplikowanymi interakcjami między dużym zestawem różnych genów. Jednak tak jak odciski palców danej osoby można odróżnić od praktycznie wszystkich innych jedynie niewielką liczbą różnic, rodzaj genetycznego odcisku palca, być może obejmującego setkę aktywnych genów lub nawet mniej, może odróżnić komórki wykazujące nawet najwcześniejsze oznaki raka.

Piękno korzystania z technologii, takiej jak chipy DNA, do znajdowania tych odcisków palców, mówi Klausner, polega na tym, że nie jesteśmy ograniczeni z góry przyjętą wiedzą lub pojęciami. Innymi słowy, badacze raka nie muszą już stronniczyć w swoich eksperymentach, patrząc indywidualnie na geny, które podejrzewają, że mogą być związane z konkretnym rakiem. Zamiast skupiać się na jednym genie, wyjaśnia badacz z National Cancer Institute Louis Staudt, dzięki mikromacierzom możemy przyjrzeć się całemu genomowi i pozwolić komórce rakowej powiedzieć nam, jakie są ważne geny.

Okrętem flagowym w wysiłkach National Cancer Institute w celu wykazania słuszności podejścia opartego na chipach DNA jest tak zwany projekt profilowania molekularnego chłoniaka/białaczki, którym kieruje Staudt. Badanie dotyczy chłoniaka rozlanego z dużych komórek B, stosunkowo częstego raka białych krwinek, który każdego roku dotyka ponad 15 000 osób w Stanach Zjednoczonych. Kiedy onkolodzy podają tym pacjentom standardową chemioterapię, około 40 procent reaguje szybko. Ich rak topi się, a większość wciąż żyje pięć lat po diagnozie. Ale z pozostałych 60 procent większość nie ma tyle szczęścia. Rak może na krótko przejść w remisję, ale kiedy wróci, wraca z zemstą. Kilku pacjentów w tym momencie odnosi korzyści z radioterapii i przeszczepów szpiku kostnego, ale dla większości jest już za późno, aby powstrzymać rozprzestrzenianie się choroby. Oczywiście jest coś innego w tych dwóch grupach, ale pod mikroskopem patologa ich komórki rakowe wyglądają identycznie.

Zaskakującą odpowiedzią jest to, że ci pacjenci inaczej reagują na leczenie, ponieważ w rzeczywistości cierpią na zupełnie inne rodzaje chłoniaków. Używając tego, co nazwali Lymphochip, dostosowanym chipem DNA Affymetrix, Staudt i grupa ze Stanford kierowana przez genetyka Davida Botsteina odkryli charakterystyczne różnice genetyczne między nowotworami u pacjentów z dużym chłoniakiem z komórek B, którzy zmarli, a tymi, którzy przeżyli. Byłem zachwycony tym, co znaleźliśmy, mówi Botstein. W rzeczywistości przyglądali się dwóm różnym chorobom. To niezwykłe, mówi Staudt. Znaleźliśmy w tej chorobie coś, czego brakowało przez te wszystkie lata, kiedy patolodzy na nią patrzyli.

Obecnie prowadzone są podobne projekty profilowania różnych form raka, od różnych typów czerniaka po raka okrężnicy. Większość innych nowotworów przedstawia obraz podobny do chłoniaka: u niektórych pacjentów dochodzi do poprawy, u innych nie, ale przewidzenie, kto zareaguje na terapię, jest niemożliwe. Gdyby istniał sposób na zidentyfikowanie pacjentów, którzy nie zareagują na standardową chemioterapię, lekarze mogliby natychmiast zwrócić się do alternatywnych metod leczenia – i ratować życie. Rzeczywiście, mówi Pat Brown, genetyk ze Stanford University School of Medicine, który pomógł w wynalezieniu jednego z dwóch głównych typów chipów DNA. Ta sama historia wyjdzie na jaw w przypadku kilku nowotworów, którym się przyglądamy – nowotwory o różnych wynikach klinicznych mają różne podtypy molekularne . Znajomość dokładnego podtypu raka, który dotyka pacjenta, może pomóc lekarzom w doborze właściwego leczenia od samego początku.

Wykrywanie doskonalenia

Gdy naukowcy poznają odciski palców różnych nowotworów, będą mogli stworzyć spersonalizowane chipy DNA, które lekarze mogą wykorzystać do diagnozowania pacjentów z wcześniej niespotykaną dokładnością. Mówi Staudt: Podręczniki diagnostyki raka zostaną napisane na nowo w ciągu najbliższych trzech do czterech lat. [Diagnostyka oparta na chipach DNA] wkrótce stanie się rutynową technologią.

Ale umiejętność odczytywania subtelnych zmian genetycznych może pozwolić lekarzom zrobić coś więcej niż tylko określić dokładną tożsamość raka; może również pomóc im w odczytywaniu wczesnych sygnałów ostrzegawczych, że normalne komórki wkrótce zmienią się w rakowe, na długo zanim takie zmiany staną się oczywiste dla patologa. Tak przynajmniej ma nadzieję, genetyk raka z Uniwersytetu Południowej Florydy, Melvyn Tockman. Wraz z kolegami pracuje nad metodą wczesnego wykrywania raka płuc – metodą, która może sprawić, że blizna Johna Leventhala stanie się reliktem ciemnego wieku medycyny.

Naukowcy pobierają próbki plwociny od byłych palaczy i wykorzystują chipy DNA do analizy, które geny są aktywne w komórkach płuc. Porównując profil genetyczny tych uszkodzonych komórek z profilami zarówno zdrowych, jak i rakowych komórek płuc, Tockman ma nadzieję znaleźć odcisk palca wskazujący, że wkrótce powstanie rak. W przyszłości pacjent zagrożony rakiem płuc może wykonać proste badanie oparte na chipach DNA w celu wykrycia genetycznego odcisku palca za każdym razem, gdy będzie chodził na regularne badania kontrolne.

To kilka lat w przyszłości, ale początkowa wypłata chipów DNA w wykrywaniu raka może nastąpić jeszcze wcześniej. Naukowcy już wykorzystują chipy do identyfikacji charakterystycznych białek, które można wykryć za pomocą konwencjonalnych narzędzi do badań przesiewowych raka. Jeśli rak ma sto genów o niepowtarzalnej ekspresji, wyjaśnia Mohan Iyer, wiceprezes ds. rozwoju biznesu w firmie diaDexus z Santa Clara w Kalifornii, hitem jest znalezienie jednego [z białek, które kodują te geny], które można wykorzystać w proste badanie krwi w celu zbadania osób pod kątem raka. Jeśli okaże się, że białko jest unikalne dla określonego raka, mówi Iyer, standardowy sprzęt szpitalny mógłby łatwo wykryć je w próbce krwi.

Incyte Genomics, Corning i kilka innych firm opracowują nowe, oparte na białkach metody badań przesiewowych do diagnozowania chorób, dzięki narzędziom wykorzystującym chipy DNA, które pomagają obecnie w identyfikacji białek związanych z rakiem piersi, płuc, okrężnicy i jajnika. . Te nowe testy powinny zacząć docierać do laboratoriów diagnostycznych w ciągu najbliższych dwóch lat.

Środki zaradcze, szybko

Ale lepsza diagnostyka zacznie robić rzeczywistą różnicę tylko wtedy, gdy zostanie połączona z bardziej skutecznymi terapiami, terapiami, które są precyzyjnie dostrojone do zwalczania określonych rodzajów raka. Nawet jeśli można rozróżnić 50 różnych chłoniaków, mówi patolog Michael Kashgarian Uniwersytetu Yale, jakie znaczenie ma to, czy jest to typ A, czy typ Z, jeśli terapia jest taka sama?

W tym obszarze odkrywania leków przeciwnowotworowych kluczową rolę odgrywają również chipy DNA. Tak jak szybka analiza dużej liczby genów pomaga w profilowaniu raka pod kątem lepszej diagnostyki, dostarcza również cennych wskazówek, jak atakować komórki rakowe.

Naukowcy od dawna wierzyli, że opracowywanie nowych terapii rozpocznie się od znalezienia genów związanych z rakiem, ale ostatnie dwie dekady były pełne rozczarowań. Stephen Friend, niegdyś badacz onkologii w Whitehead Institute for Biomedical Research w Cambridge, MA, a teraz dyrektor generalny Rosetta Inpharmatics w Seattle, obwinia to, co nazywa podejściem mojego ulubionego genu. Badacze biomedyczni spędziliby lata na tropieniu jednego genu związanego z konkretnym nowotworem, a następnie przyjęliby założenie, że ten gen lub kodowane przez niego białko będzie doskonałym celem dla nowych leków. Ale, jak mówi Przyjaciel, w 999 na 1000 przypadków istniały szanse, że się mylisz. Bardzo niewiele genów działa samotnie i w tak prostych i bezpośrednich relacjach z ciałem, aby wywoływać chorobę. Boże, byliśmy głupi! on mówi.

Friend jest teraz przekonany, że najlepszym rozwiązaniem są technologie, takie jak chipy DNA, które pozwalają naukowcom znaleźć wszystkie geny zaangażowane w chorobę. (Rosetta odgrywa rolę w takich badaniach, sprzedając oprogramowanie i inne usługi do odczytu mikromacierzy). Chipy DNA mogą nie tylko pomóc zidentyfikować wszystkie potencjalne cele leków dla danego typu nowotworu, ale mogą również pomóc w wykluczeniu genów, które są aktywne w zdrowe tkanki. W ten sposób producenci leków mogą opracować precyzyjnie ukierunkowane terapie, które zabijają komórki rakowe bez uszkadzania innych części ciała. nie odbieraj niepożądanych efektów ubocznych.

Eos Biotechnology, firma z South San Francisco, która opracowuje nowe terapie przeciwnowotworowe z wykorzystaniem chipów DNA od swojego partnera Affymetrix, obstawia, że ​​ma rację. W laboratoriach firmy wiceprezes ds. badań genomicznych David Mack trzyma jeden z tych chipów, który zawiera praktycznie cały zestaw ludzkich genów. Mówi, że zdolność do generowania ludzkiego genomu na chipie jest dziś niesamowita. Eos wykorzystuje chipy jako platformę do porównywania aktywności genetycznej w normalnych ludzkich komórkach i, powiedzmy, komórce raka piersi. Komputery mogą następnie sortować geny, które są aktywne tylko w chorej komórce. Co więcej, mogą wybrać tylko te geny, które stanowią najlepsze cele dla leków.

Zgodnie z tradycyjnym paradygmatem opracowywania leków, gdy badacze zidentyfikują zestaw potencjalnych celów, zaczynają potykać się o próby na zwierzętach i ludziach, z wykształconymi domysłami na temat tego, które potencjalne leki mogą być skuteczne przeciwko danemu celowi i który z tych kandydatów na leki może mają toksyczne skutki uboczne. Bardzo często problemy kandydata stają się widoczne dopiero na znacznie późniejszym etapie, co wiąże się z ogromnym kosztem czasu i pieniędzy.

W przeciwieństwie do tego, Eos nadal wykorzystuje mikromacierze i inne techniki genomiczne o dużej objętości do testowania leków, lepiej przewidując, które będą najbardziej skuteczne i najmniej toksyczne, zanim nawet rozpoczną się bardziej kosztowne testy. teraz nauka, która nie była poprzednim paradygmatem. Częściowo dzięki wykorzystaniu chipów DNA, firma planuje w nadchodzącym roku rozpocząć testy kliniczne swojego pierwszego leku, który atakuje zdolność guza do wytwarzania własnego, podtrzymującego życie dopływu krwi - z więcej niż tuzinem innych leków przeciwnowotworowych, które mają się szybko pojawić. Obietnica, że ​​te technologie wywrą wpływ na pacjentów – wreszcie – mówi.

Chociaż chipy DNA istnieją dopiero od około pięciu lat, pomogły już wprowadzić wiele nowych leków do rurociągów firm farmaceutycznych oraz zidentyfikować wiele potencjalnych nowych celów leków i źródeł wcześniejszej diagnozy. prawdopodobnie terapia nowotworowa stanie się zarówno bardziej złożona, jak i skuteczniejsza w ciągu następnej dekady. Ostatecznie na odcisk palca każdego pacjenta zostanie spełniony odpowiedni koktajl leków lub kombinacja terapii. Lekarze będą mieli nowe narzędzia do diagnozowania i leczenia nowotworów znacznie wcześniej – gdy szanse na wyleczenie są znacznie większe – oraz do monitorowania postępów pacjenta, upewniając się, że nowotwory nie rozwiną oporności na leczenie.

Może minąć ponad dekadę, zanim takie praktyki staną się normą, ale jeśli i kiedy już, zmienią wszystko dla ludzi takich jak John Leventhal. Jego (błędna) diagnoza raka płuc pojawiła się, gdy był w wieku, w którym jego ojciec otrzymał wiadomość o raku, który w końcu go zabił – fakt, który wzmógł przerażenie Leventhala, gdy dowiedział się, że może mieć raka. Ale gdyby jego dzieci kiedykolwiek znalazły się w tych samych sytuacjach, być może nie będą się musiały obawiać aż tak bardzo.

ukryć