Rak se najviše može lečiti u ranim fazama, tako da je pronalaženje inovativnih i neinvazivnih metoda za rano dijagnostikovanje raka ključno za borbu protiv bolesti. Tečne biopsije, koje zahtevaju samo jednostavno vađenje krvi, predstavljaju novu tehnologiju za neinvazivno testiranje na rak pomoću DNK ili RNK sekvenciranja krvi pacijenta.
Docent za biomolekularno inženjerstvo Danijel Kim i njegova laboratorija razvijaju preciznije i moćnije tehnologije tečne biopsije koje koriste signale iz RNK „tamne materije“, nedovoljno proučavane oblasti genoma. Kimovo novo istraživanje pokazuje da je ovaj genetski materijal prisutan u krvi ljudi sa rakom i da se može identifikovati da bi se dijagnostikovali specifični tipovi karcinoma kao što su pankreas, pluća, jednjak i drugi rano u toku bolesti.
Kimova laboratorija razvila je platformu za tečnu biopsiju RNK koja detektuje i RNK koja kodira protein i RNK tamnu materiju u krvi, i pokazala je da ovaj novi pristup značajno poboljšava performanse tečne biopsije za dijagnozu raka. Ovo istraživanje objavljeno je danas u časopisu Nature Biomedical Engineering.
Dok većina istraživača i kompanija sprovodi tečnu biopsiju zasnovanu na DNK za dijagnozu raka, Kimov pristup je jedinstven po svom fokusu na RNK „tamnu materiju“, posebno nekodirajuću i repetitivnu RNK.
Većina od tri milijarde baznih parova DNK koji čine ljudski genom se transkribuju u RNK, a sva RNK je zajedno poznata kao transkriptom. Najčešće prepoznata funkcija RNK je da kodira proteine u telu, ali 75% ljudskog genoma generiše nekodirajuću RNK koja ne kodira proteine.
Značajan deo ovih nekodirajućih RNK potiče od elemenata koji se ponavljaju, a ove RNK mogu da putuju iz ćelije iz koje potiču u krvotok. Krv zdrave osobe obično bi imala vrlo malo ovih ponavljajućih nekodirajućih RNK. Međutim, Kimovo istraživanje je pokazalo da se čak i u najranijim stadijumima raka, mnoge od ovih ponavljajućih RNK izlučuju iz ćelija raka, što ih čini moćnim biomarkerima bolesti u ranoj fazi.
Tehnologija tečne biopsije RNK koju je razvila laboratorija Kim ima za cilj da otkrije rak sekvenciranjem „RNK bez ćelija“ u krvi pacijenta kako bi se testiralo prisustvo RNK koje kodira protein i repetitivne nekodirajuće RNK.
Kimova laboratorija je kreirala platformu za sekvenciranje i analizu RNK bez ćelija pod nazivom COMPLETE-sek da identifikuje ponavljajuće nekodirajuće RNK koje se obično zanemaruju. Nakon što se pacijentu vadi krv, ovaj sveobuhvatni pristup analizira uzorak za sva obeležena područja transkriptoma – desetine hiljada RNK koje su već dobro dokumentovane – plus svih pet miliona nekodirajućih repetitivnih elemenata koje takođe Kimova laboratorija fokusira na.
„Ako pogledate ove različite vrste raka, svaki ima svoj karakterističan RNK profil bez ćelija, ali mnoge od ovih RNK potiču od miliona ponovljenih elemenata koji se nalaze u čitavom genomu“, rekao je Kim.
„Ono što smo otkrili je da kada smo obučili modele mašinskog učenja za klasifikaciju raka, modeli rade bolje kada uvedete ove repetitivne RNK bez ćelija kao dodatne karakteristike. Vidimo veću osetljivost u smislu otkrivanja raka, tako da mislimo da se ovi elementi ponavljaju zapravo pružaju mnogo bogatih RNK informacija bez ćelija koje ljudi ranije nisu tražili.“
Drugi postojeći testovi tečne biopsije nisu bili veoma osetljivi na rak u ranom stadijumu, pri čemu nekim testovima nedostaje do 75% karcinoma stadijuma I, kada je biološki signal nizak zbog male veličine tumora. Kimov rad pokazuje da uključivanje repetitivne RNK u njihovu platformu za tečnu biopsiju uveliko povećava biološki signal i poboljšava performanse modela mašinskog učenja koji imaju zadatak da identifikuju rak. Kao primer, korišćenje COMPLETE-sek poboljšalo je performanse na 91% osetljivosti za identifikaciju kolorektalnog karcinoma.
„Vrednost naše studije je u tome što smo sada pokazali potencijal ovih ponavljajućih elemenata za dijagnostikovanje bolesti, tako da se nadamo da će biti veliko interesovanje za korišćenje repetitivnih RNK kako bi se povećala osetljivost ovih testova za rano otkrivanje višestrukih karcinoma, “, rekla je Kim.
Nalazi istraživanja pokazuju da se ova tehnologija može koristiti za identifikaciju različitih tipova raka. Laboratorija se u početku fokusirala na rak pankreasa za ovu studiju, jer postoji hitna klinička potreba za ranim otkrivanjem raka pankreasa, jer kasno otkrivanje dovodi do lošijih ishoda za pacijente. Poznato je i da je rak pankreasa izazvan mutacijama u KRAS genu, koji je takođe fokus Kimove laboratorije.
Nakon provere nalaza u raku pankreasa, istraživači su takođe pogledali niz drugih karcinoma i planiraju da pogledaju mnogo više tipova raka sa dodatnim uzorcima u progresivnim stadijumima raka. Tim je zainteresovan za saradnju sa kliničarima i kompanijama da bi to uradili.
Kimov cilj je da razvije test RNK tečne biopsije za rano otkrivanje više karcinoma, koristeći bogate informacije iz repetitivnih RNK za identifikaciju i dijagnozu bolesti sa visokom osetljivošću i specifičnošću. Kim se nada da njegova platforma neće samo dijagnostikovati rak u najranijim fazama, već će takođe pomoći u vođenju individualizovanih, preciznih strategija lečenja kada je rak lakše izlečiv.
Štaviše, njegov test bi mogao da pomogne da se identifikuje recidiv raka, a takođe može da se koristi za proučavanje starenja i za dijagnostiku drugih vrsta bolesti koje menjaju repetitivni RNK pejzaž, kao što je Alchajmerova bolest. Nedavno je održao UCSC Krav predavanje na temu „Precizno zdravlje za sve kroz RNK“ koje je izložilo njegovu viziju za rano otkrivanje i precizno lečenje bolesti korišćenjem RNK. Zasluge: Univerzitet Kalifornije – Santa Kruz
Istraživači su takođe koristili sekvenciranje nanopora za čitanje RNK bez ćelija koje plutaju u krvi, što im je omogućilo da generišu dugo čitanje i odrede pravu dužinu ovih RNK bez ćelija. Kim veruje da je njegova laboratorija prva koja koristi sekvenciranje nanopora, tehniku uvedenu u UC Santa Cruz, za tečne biopsije RNK za dijagnozu raka i određivanje pune dužine ovih RNK bez ćelija.
Sekvenciranje nanopora se može izvršiti na ručnom uređaju koji je razvio Okford Nanopore Technologies pod nazivom MinION. Ovo obećava za sprovođenje skrininga raka u udaljenim okruženjima ili okruženjima sa siromašnim resursima gde veći, skuplji sekvenceri nisu lako dostupni.
„Ova studija ne bi bila moguća bez snažne podrške Američkog društva za borbu protiv raka i svih njegovih velikodušnih donatora, rukovodstva, osoblja i volontera, kao i celog napornog rada mog doktorskog studenta Romana Reggiarda ( Član NIH F99/K00 sada u laboratoriji HHMI istražitelja Hauarda Čanga na Univerzitetu Stanford) i svi naši članovi i saradnici Kim laboratorije“, rekla je Kim.
Pored svoje uloge docenta na Baskin školi inženjeringa povezanoj sa Institutom za biologiju matičnih ćelija, Genomičnim institutom i Centrom za molekularnu biologiju RNK na UC Santa Cruz, Kim je takođe pridruženi član Canari Center na Stanfordu za rano otkrivanje raka i naučni saradnik Američkog društva za rak.
