Analiza całego genomu pomaga w walce z opornym na leczenie rakiem piersi

Dzięki analizie całego genomu można wykryć mutacje charakterystyczne dla potrójnie ujemnego raka piersi – choroby niezwykle trudnej w leczeniu. Tylko bardzo wczesna diagnoza daje szansę na podjęcie z nią walki. Wśród naukowców, którzy opracowali metodę jej wykrywania, jest Polak, a sprawie przyjrzała się dr Paula Dobosz, specjalistka w zakresie genetyki i genomiki nowotworów oraz immunoonkologii.

Na przykładzie badania potrójnie ujemnego raka piersi genetycy przekonują, że warto analizować cały genom i wprowadzić takie badanie jako standard w onkologii. W prestiżowym czasopiśmie „Nature Medicine” ukazał się ostatnio przełomowy artykuł naukowy dotyczący potrójnie ujemnego raka piersi. Jednym z głównych autorów pracy jest Polak, dr Dominik Głodzik zatrudniony w Memorial Sloan Kettering Cancer Center w Nowym Jorku. Opatrzona wieloma technicznymi terminami i schematami publikacja może być trudna do zrozumienia nawet dla fachowca, dlatego na blogu Crazy Nauka przyglądamy się jej dokładniej, bo wykonane badania to istotna cegiełka do zasobów naszej wiedzy w zakresie diagnostyki i doboru metody terapeutycznej w leczeniu agresywnych nowotworów.

Liczy się czas i poznanie mechanizmów choroby

Potrójnie ujemny rak piersi, którego dotyczą badania, stanowi 10-20% wszystkich diagnozowanych typów raka piersi na świecie [1],[3]. Jak zawsze w przypadku raków, tak i tutaj ogromne znaczenie ma natychmiastowe podjęcie leczenia, gdyż czasem liczy się każdy dzień. I tu pojawia się największy problem: jak wdrożyć natychmiast odpowiednie leczenie, dobrane do danego raka u danej pacjentki, jeśli wciąż tak mało wiemy o tej chorobie?

Aby dostępne metody leczenia były coraz skuteczniejsze, nie wspominając już o nowych lekach czy terapiach, niezbędne jest zrozumienie mechanizmu działania komórek raka, szczególnie tak agresywnego jak potrójnie negatywny rak piersi. Kluczowe są zatem badania naukowe, zwłaszcza genetyczne, oraz testy kliniczne nowych terapii. Dzięki dotychczas przeprowadzonym badaniom wiadomo już, że np. prawie 70% zdiagnozowanych kobiet z tym rodzajem raka ma mutację w jednym z genów BRCA, najczęściej w genie BRCA1 [1].

Badania genetyczne raka

Jak podkreślają autorzy pracy, sekwencjonowanie całego genomu (ang. whole genome sequencing, WGS) jest najlepszą dostępną obecnie metodą pozwalającą na szczegółowe zgłębienie zawiłości genetycznych raka. W końcu każdy rak jest nowotworem, a każdy nowotwór jest chorobą genetyczną. W przeprowadzonych przez naukowców badaniach wykonano jednak o wiele więcej analiz, niż tylko WGS, na przykład sekwencjonowanie RNA i analizę metylacji (zbadanie i dokładne przeanalizowanie ilości i rozmieszczenia grup metylowych – takich chemicznych modyfikacji DNA). Dokonano analizy 254 próbek potrójnie ujemnego raka piersi, pobranych od szwedzkich pacjentek pomiędzy 2010 a 2015 rokiem.

Badano nie tylko istniejące mutacje, sygnatury mutacji[6][7][8] czy ekspresję wybranych genów, ale sprawdzano również użyteczność stworzonego przez badaczy algorytmu bioinformatycznego o nazwie HRDetect w przewidywaniu przeżywalności pacjentek, a przede wszystkim w przewidywaniu ich odpowiedzi na dostępne metody leczenia. Badano również opcję doboru możliwie najlepszego schematu leczenia przy uwzględnieniu wielu czynników genetycznych i epigenetycznych.

Na tej podstawie wyróżniono 3 grupy pacjentek: te, które miały wysokie wyniki (oznaczone jako HRDetect-high), pośrednie (HRDetect-intermediate) i niskie (HRDetect-low). Sprawdzano, czy dana grupa pacjentek ma jakieś łączące je cechy wspólne (takie jak mutacje w konkretnych genach) oraz czy ich profil genetyczny można powiązać z odpowiedzią lub brakiem odpowiedzi na zastosowane metody leczenia. Na takie szczegółowe dane kliniczne nakładano następnie informacje uzyskane z przeprowadzonych badań genetycznych i dokładnie analizowano otrzymane wyniki.

Dlaczego badano akurat potrójnie ujemnego raka piersi?

Potrójnie ujemny rak piersi (zwany czasem potrójnie negatywnym, bo w literaturze anglojęzycznej figuruje jako triple negative breast cancer) to rodzaj agresywnego raka piersi, którego komórki nie posiadają receptorów dla dwóch istotnych hormonów steroidowych: progesteronu i estrogenu (co ma duże znaczenie dla możliwych opcji terapeutycznych), a dodatkowo nie wykazują nadekspresji receptora HER2 (human epidermal receptor growth factor 2, znany również jako ERBB2), jednego z ważnych białek powierzchniowych naszych komórek (również ważnego z punktu widzenia klinicznego, ponieważ istnieją terapie celowane dla mutacji w tym genie) [1],[2],[3],[4].

Potrójnie ujemny rak piersi bardzo szybko daje przerzuty i ma tendencję do pojawiania się ponownie, nawet jeśli podjęte leczenie początkowo działało dobrze[1]. Te wszystkie elementy sprawiają, że rak ten jest wciąż uważany za wyjątkowo trudny do leczenia, a rokowania są niepomyślne, zwłaszcza, jeśli wystąpił u młodej kobiety (co niestety zdarza się w ponad 50% przypadków)[1],[5]. Wymienione czynniki sprawiają również, że istnieje o wiele mniej opcji terapeutycznych, w porównaniu z innymi nowotworami piersi [1].

Wyniki badań

Wróćmy zatem do przeprowadzonego badania. W 59% przypadkach zastosowany do analizy danych algorytm komputerowy HRDetect wykazał wysokie wartości. Wskazuje to na obecność zjawiska zwanego defektem systemu naprawy DNA na drodze rekombinacji homologicznej (ang. homologous-recombination-repair deficiency). Brzmi to w skomplikowany sposób, ale w skrócie to po prostu jeden z mechanizmów istniejących w naszych komórkach, który służy naprawie DNA w przypadku jego uszkodzenia.

Aby mechanizm ten mógł działać, wymagana jest współpraca wielu białek, które są kodowane przez równie wiele genów. Najbardziej znanymi spośród nich są geny BRCA1 i BRCA2: ich białkowe produkty biorą udział w naprawie DNA naszych komórek. Aż 67% raków w tej grupie (oznaczonej jako HRDetect-high) miało mutacje lub hipermetylację* promotorów genów odpowiadających za naprawę DNA, takich jak BRCA1, BRCA2, PALB2 lub/oraz hipermetylację* genu RAD51C.

*Metylacja to jedna z wielu możliwych modyfikacji chemicznych DNA – jeśli jest jej za wiele w rejonie promotora genu, gen staje się nieaktywny.

W grupie z wysokim wynikiem HRDetect pacjentki otrzymujące standardową chemioterapię przeżywały znacznie dłużej bez nawrotu choroby w porównaniu do pacjentek z niskimi wynikami, co oznacza w przypadku tych pierwszych lepszą reakcję na zastosowaną chemioterapię. Innymi słowy – leczenie u nich działało.

Dlaczego badanie całego genomu (WGS) może być ważne w walce z rakiem?

Kiedy myślimy o raku piersi, nasze skojarzenia biegną szybko ku znanym szeroko mutacjom w genach BRCA1 i BRCA2, których wykrycie jest równoznaczne z wysokim ryzykiem zachorowania na tę chorobę. Jednak podczas analizy związanej z potrójnie ujemnym rakiem piersi okazało się, że nawet osoby, u których nie wykryto mutacji w genach BRCA1 czy BRCA2, mogły zostać prawidłowo zakwalifikowane do grupy dobrze odpowiadającej na leczenie. Było to możliwe właśnie dzięki badaniu całego genomu, w ramach którego wzięto pod uwagę również inne czynniki genetyczne, takie jak sygnatury mutacji czy epigenetyka.

To pokazuje, że część pacjentek, które obecnie nie kwalifikują się do leczenia np. za pomocą inhibitorów PARP (ang. poly(ADP-ribose) polymerase), może odnosić korzyść z zastosowania u nich tych nowoczesnych terapii, pomimo braku mutacji w genach BRCA1 czy BRCA2. To niezwykle istotna informacja, ponieważ warunkiem zakwalifikowania pacjentki do leczenia tego typu terapeutykami jest obecnie wykrycie mutacji w wyżej wymienionych genach. Okazuje się jednak, że może istnieć jeszcze coś innego, co sprawi, że pacjentki pozytywnie odpowiedzą na ten rodzaj terapii.

Autorzy podkreślają zatem, że zastosowanie analizy całego genomu w diagnostyce i leczeniu nowotworów, szczególnie tych agresywnych, jest bardzo istotne, ponieważ przy klasycznej diagnostyce istnieje ryzyko niewłaściwego zaklasyfikowania pacjentek do terapii. Osoby, które potencjalnie mogłyby odnieść korzyści z leczenia, nie otrzymują go, bo stosowane obecnie wybiórcze testy i wytyczne nie pozwalają na ich zakwalifikowanie na przykład do terapii z użyciem inhibitorów PARP*.

*Inhibitory PARP (ang. poly(ADP-ribose) polymerase) to substancje chemiczne blokujące działanie enzymu PARP, który jest niezbędny dla prawidłowej naprawy DNA. Nie zagłębiając się w szczegóły molekularne, w efekcie zastosowania takich leków doprowadzamy do śmierci komórki – co jest korzystne dla organizmu, bo mówimy tutaj o komórkach nowotworowych, posiadających liczne mutacje, w tym również te w genach BRCA1 czy BRCA2 [10].

Autorzy przestrzegają też przed podejmowania decyzji klasyfikujących pacjentów do udziału w badaniach klinicznych nowych leków w oparciu wyłącznie o brak/obecność mutacji jedynie w wybranych genach. Potwierdza to konieczność wdrożenia sekwencjonowania całego genomu jako standardu w leczeniu nowotworów.

Niespodzianka w wynikach

Zupełnie dodatkowo, jakby przy okazji, bo nie było to celem pracy, badacze odkryli nowy mechanizm inaktywacji genu BRCA1. Winowajcą okazał się mały element Alu (SINE-VNTR-Alu), czyli retrotranspozon. Oczywiście samo istnienie retrotranspozycji* nie jest niczym nowym, jednak w przypadku genu BRCA1 zjawisko to nie było dotąd zbyt szeroko opisywane w literaturze, a co za tym idzie – nie było brane pod uwagę w diagnostyce.

*Opisanie procesu transpozycji zdecydowanie wykracza poza ramy tego artykułu, ale wspomnijmy o niej dla lepszego zrozumienia zagadnienia: transpozonem nazywamy niewielką sekwencję DNA, mającą zdolność przemieszczania się w inne miejsce w genomie, w obrębie tej samej komórki, w procesie zwanym transpozycją. Ten proces często powoduje mutacje. Transpozony bywają też nazywane “wędrującymi genami” lub “skaczącymi genami” (jumping genes) albo “mobilnymi elementami genetycznymi” (mobile genetic elements)[11].

I co dalej?

Badanie, którego współautorem był dr Dominik Głodzik, ugruntowuje pozycję analizy całego genomu jako metody diagnostycznej w przypadku nowotworów. Na przykładzie potrójnie ujemnego raka piersi dzięki algorytmowi bioinformatycznemu HRDetect udało się określić lepszą predykcję i wybór odpowiedniej metody terapeutycznej.

Badania całogenomowe są technicznie wykonalne na skalę całego kraju takiego jak Polska. Nasz eksperyment opisany w artykule to niezależne potwierdzenie użycia całych genomów do charakteryzacji nieprawidłowego DNA w guzach nosicielek mutacji BRCA. Sygnatury nieprawidłowej naprawy DNA występują u ponad połowy pacjentek z potrójnie ujemnym rakiem piersi. Te informacje w przyszłości powinny mieć wpływ na leczenie pacjentek.

– mówi dr Dominik Głodzik, współautor omawianego badania.

Nowotwór wciąż pozostaje chorobą bardzo zróżnicowaną i nie jest nowością stwierdzenie, iż nie ma i nigdy nie będzie jednego, uniwersalnego „leku na raka”. Jedyną drogą jest wysoce zindywidualizowana terapia, dobrana do danego pacjenta i specyfiki genetycznej jego nowotworu. Choć wielu rzeczy wciąż nie wiemy lub nie jesteśmy pewni, jeśli chodzi o przegląd danych uzyskanych dzięki analizie całego genomu, to lepszej metody po prostu nie ma. Nie oznacza to oczywiście, że inne są złe – dają szybszą odpowiedź i są tańsze, ale są mniej dokładne. W przypadku raka stawką jest życie, zatem droga na skróty może nie być tą właściwą.

Bibliografia:

1. breastcancer.org. Triple-Negative Breast Cancer [Internet]. (2019). Available from: https://www.breastcancer.org/symptoms/diagnosis/trip_neg .
2. CDC. Triple-Negative breast cancer [Internet]. (2018). Available from: https://www.cdc.gov/cancer/breast/triple-negative.htm.
3. Cancer Research UK. Triple negative breast cancer [Internet]. (2019). Available from: https://www.cancerresearchuk.org/about-cancer/breast-cancer/stages-types-grades/types/triple-negative-breast-cancer.
4. Staaf J, Glodzik D, Bosch A, et al. Whole-genome sequencing of triple-negative breast cancers in a population-based clinical study. Nat. Med. [Internet]. 25(10), 1526–1533 (2019). Available from: http://www.nature.com/articles/s41591-019-0582-4.
5. Haffty BG, Yang Q, Reiss M, et al. Locoregional Relapse and Distant Metastasis in Conservatively Managed Triple Negative Early-Stage Breast Cancer. J. Clin. Oncol. [Internet]. 24(36), 5652–5657 (2006). Available from: http://ascopubs.org/doi/10.1200/JCO.2006.06.5664.
6. Nik-Zainal S, Morganella S. Mutational Signatures in Breast Cancer: The Problem at the DNA Level. Clin. Cancer Res. [Internet]. 23(11), 2617–2629 (2017). Available from: http://clincancerres.aacrjournals.org/lookup/doi/10.1158/1078-0432.CCR-16-2810.
7. Alexandrov LB, Nik-Zainal S, Wedge DC, et al. Signatures of mutational processes in human cancer. Nature [Internet]. 500(7463), 415–421 (2013). Available from: http://www.nature.com/articles/nature12477.
8. Alexandrov LB, Jones PH, Wedge DC, et al. Clock-like mutational processes in human somatic cells. Nat. Genet. [Internet]. 47(12), 1402–1407 (2015). Available from: http://www.nature.com/articles/ng.3441.
9. Davies H, Glodzik D, Morganella S, et al. HRDetect is a predictor of BRCA1 and BRCA2 deficiency based on mutational signatures. Nat. Med. [Internet]. 23(4), 517–525 (2017). Available from: http://www.nature.com/articles/nm.4292.
10. Cancer Research UK. PARP inhibitors [Internet]. (2019). Available from: https://www.cancerresearchuk.org/about-cancer/cancer-in-general/treatment/targeted-cancer-drugs/types/PARP-inhibitors.
11. Jiang Y, Zong W, Ju S, Jing R, Cui M. Promising member of the short interspersed nuclear elements ( Alu elements): mechanisms and clinical applications in human cancers. J. Med. Genet. [Internet]. 56(10), 639–645 (2019). Available from: http://jmg.bmj.com/lookup/doi/10.1136/jmedgenet-2018-105761.