Биомаркерите при диагностика и проследяване на ракови заболявания

Биомаркерите са жизненоважни в здравеопазването тъй като предоставят ценна информация за диагностиката на заболяването, прогнозата, отговора на лечението и персонализираната медицина. Те служат като обективни индикатори позволяващи ранно откриване и интервенция, водещи до подобрени резултати за пациентите.

Биомаркерите също насочват решенията за лечение като предсказват резултатите от заболяването и улесняват индивидуализираните планове за лечение. Те играят роля в наблюдението на прогресията на заболяването, коригирането на лечението и откриването на ранни признаци на рецидив. 

Освен това биомаркерите подобряват разработването на лекарства и клиничните изпитвания чрез идентифициране на подходящи пациенти и ускоряване на процеса на одобрение.

Биомаркерът е биологичен феномен, който може да бъде труден за намиране, но показва клинично значим изход или междинно последствие. Приложенията на биомаркери включват идентифициране, характеризиране и наблюдение на заболявания. Освен това могат да действат като прогностични индикатори, да информират за индивидуализирани планове за лечение и да предвиждат и управляват отрицателните лекарствени реакции. Разбирането на фундаменталната връзка между биомаркера и неговия клиничен резултат е от решаващо значение за адекватното оценяване на неговата роля.

Националният институт по рака, САЩ определя биомаркерите като биологични молекули в кръвта, телесните течности или тъканите, които разкриват дали даден процес, състояние или заболяване като рак е нормален или анормален. Те са от съществено значение за идентифициране на заболяване или липса на такова и промените в тях могат да бъдат приписани на генетични мутации, транскрипционни промени и пост-транслационни модификации.

Протеините, нуклеиновите киселини, антителата и пептидите са само малка част от многото молекули, които изграждат биомаркера. Моделите на генна експресия, протеомните профили и метаболомните сигнатури са само няколко примера за комбинациите от модификации, които могат да включват. 

За изследване на биомаркерите е необходима тъканна проба, взета чрез биопсия или образна диагностика или може да се идентифицира неинвазивно чрез кръв, урина, слюнка, пот, цереброспинална течност (CSF) или други телесни течности. Трябва обаче да се разбере контрастът между биомаркерите и целите за терапия тъй като те не са идентични.

Ракът   е сложно състояние, белязано от генетични и епигенетични промени, които нарушават баланса между клетъчното развитие и клетъчната смърт. Основен глобален здравен проблем, който убива много хора всяка година по света.

За растежа на рака са необходими значителни молекулярни и тъканни промени. Безценни клинични данни от анализ на биомаркери могат дават информация чрез анализиране на биомолекули като нуклеинови киселини, въглехидрати, протеини, липиди и метаболити свързани с развитието на рак. Ранното откриване играе решаваща роля за минимизиране на заболеваемостта и смъртността свързани с рака. 

Необходими са надеждни индикатори за рак. PSA, CEA и CA-125/MUC16 са често използвани индикатори за рак докато екзозомите, микроРНК и циркулиращите туморни клетки се развиват като нов източник на биомаркери.

Има няколко фактора, които трябва да се имат предвид и трудности, които трябва да се преодолеят при разработването и използването на биомаркери. Аналитичната валидност, клиничната валидност и клиничната полезност са сред етапите и елементите, които определят възможен биомаркер. 

Аналитичната валидност се отнася до преданалитичните и аналитичните аспекти на анализа на биомаркера, като работа с пробата и точност на анализа. 

Клиничната валидност тества колко добре биомаркерът може да идентифицира отделни популации в рамките на целевата популация и налага независимо валидиране. Като се има предвид ефективността на биомаркера и баланса между потенциалните предимства и рискове клиничната полезност предполага, че има убедителни доказателства, които да оправдаят използването при лечение на пациенти. 

Биомаркери при откриване,диагностика   и прогноза на рак

Генетичните промени, които насърчават клетъчното оцеляване и пролиферация са това, което произвежда неконтролирания клетъчен растеж, който определя рака. Чрез намеса в механизмите на клетъчна смърт и клетъчна пролиферация, промените в гените отговорни за потискането на тумора възстановяването на   ДНК   и протоонкогените подпомагат растежа на рака. Развитието на рак също се влияе от епигенетични промени като метилиране на ДНК (към ДНК се добавят молекули, активиращи или деактивиращи някои гени)  и променени хистонови модели. 

3.1. Биофлуидни биомаркери

Биофлуидите предоставят начин за бърза оценка и проследяване на заболявания. Урината, слюнката, кръвта и потта са примери за биофлуиди, които съдържат важни данни относно изследваното заболяване. Тези биофлуидни проби могат лесно да бъдат събрани неинвазивно и са подходящи за клинични изследвания. 

Всеки биофлуид има уникални предимства и предизвикателства. Слюнката е лесно достъпна и включва електролити като натрий, калий, калций, магнезий, бикарбонат и фосфати, докато урината съдържа урея, хлорид, натрий и калиеви соли. Потта съдържа главно натрий, хлорид, минерали, млечна киселина и урея.

Откриването и проследяването на рак използва различни биофлуиди като урина, слюнка, кръв и цереброспинална течност (CSF). Проучванията идентифицират KRAS, MBD3L2, ACRV1 и DPM1 като биомаркери в иРНК на слюнката за откриване на рак на панкреаса с висока специфичност. 

Слюнчените протеини с висока специфичност и чувствителност за идентифициране на рак на белия дроб включват калпротектин, AZGP1 и HP. Слюнчената ДНК може също да открие мутации в гените PI3K, CDKN2A, FBXW7, HRAS и KRAS в тумори на устата и гърлото.

Има различни техники за откриване на геномика (qPCR, РНК и ДНК секвениране), протеомика (масспектрометрия, ELISA и Western blotting) и липидомика (масспектрометрия) за намиране на ракови биомаркери в биофлуиди. За екстракция и разделяне на протеини се използват няколко метода включително повърхностно подобрена лазерна десорбция/йонизация (SELDI), двуизмерна гел електрофореза (2-DE), диференциална гел електрофореза (2D-DIGE) и течен чип. 

Използват се масспектрометрия и биоинформатика за идентифициране на протеини, като Western blot и ELISA се използват за потвърждаване на резултатите. Променливостта на пробата, междулабораторната аналитична променливост и изборът на тип проба са трудности при откриването на биомаркери. 

Много проучвания са изследвали намирането на свързани с рак хиперметилирани ДНК фрагменти в циркулираща свободна ДНК (cfDNA) на пациенти с рак особено в случаи на рак на стомаха (GC). Редица хиперметилирани гени включително RPRM, XAF1 и комбинация от KCNA4 и CYP26B1 демонстрират висока диагностична стойност за откриване на GC.

Преди тези анализи да могат да се използват в клинични условия трябва да бъдат разрешени няколко технически проблема. По-голямата част от проучванията използват лечение с натриев бисулфит последвано от специфична за метилиране PCR (MSP) или секвениране на ДНК, но тези методи могат да доведат до фалшиво положителни резултати тъй като неметилираните цитозинови остатъци не са напълно преобразувани.

3.2. Биомаркери и   образна диагностика

Стадирането на тумор, възел, метастази (TNM) само някои от образните биомаркери (IBs), които са критични за клиничната онкология. Изследванията на рака често използват техники за изобразяване като компютърна томография (КT), ядрено-магнитен резонанс (ЯМР), позитронно-емисионна томография (PET) и ултразвук. 

Новите IBs трябва да бъдат валидирани и квалифицирани, за да се запълнят пропуските в транслацията. Общо 14 важни препоръки са направени от Cancer Research UK (CRUK) и Европейската организация за изследване и лечение на рак (EORTC) за ускоряване на клиничния превод на IBs.

IBs се извличат от медицински изображения. Те предлагат неинвазивен, рентабилен скрининг, откриване на тумори, напредък на пациента и инструменти за наблюдение на терапевтичния отговор. 

Системите за стадиране документират наличието, размерите и количеството на аномалии в тумора, лимфните възли и допълнителни метастатични места, за да установят структуриран категоричен индикатор за тежестта на заболяването на пациента. IBs имат способността да картографират хетерогенността на тумора, да наблюдават промените в туморите с течение на времето и да оценяват множеството лезии.

Оценката на лезиите на туморни, нодални и метастатични места с помощта на системи за стадиране е от решаващо значение за диагностицирането и прогнозата на рака. Американският съвместен комитет по рака (AJCC) предлага препоръки за точно и последователно докладване в радиологията. TNM стадирането се използва често и има прогностична стойност за различни видове рак. Базира се на образни методи като КT, ЯМР, SPECT и PET. 

TNM стадирането може понякога да се използва за прогнозиране на резултатите от лечението. Например клиничният TNM стадий при рак на простатата служи като предсказващ биомаркер за ефикасността на монотерапията с бикалутамид чрез разграничаване между локализирани и локално напреднали заболявания.

Солидните тумори се оценяват с помощта на критерии за отговор като RECIST 1.0 и 1.1, WHO и RECIST 1.0. 

Популярен биомаркер наречен обективен отговор е преведен и използван в клинични процедури и процедури за одобрение на лекарства. За конкретни комбинации от тумор-терапия, изследователските проучвания се стремят да оптимизират определението за обективен отговор. За да се оцени предсказващата сила на различни итерации на биомаркери за важни клинични крайни точки могат да се направят сравнения между тях. IBs имат голям потенциал за изследване на рака и онкологична практика, но за да реализират напълно този потенциал, те трябва да преминат през процеси на валидиране и квалификация.

3.3. Иглена биопсия

Образните тестове са от съществено значение за идентифициране и проследяване на рак. Тези изследвания използват различни форми на енергия като рентгенови лъчи, звукови вълни, радиоактивни частици или магнитни полета, за да създадат фини детайлни изображения, които разкриват важни подробности за структурата и местоположението на тумора. Образните тестове имат своите ограничения. Те не могат да идентифицират конкретни ракови клетки и техните резултати са неубедителни. Образните тестове обикновено се валидират чрез биопсия.

Биопсия при рак е тест за диагностика използван за идентифициране на вида и свойствата на туморните клетки и за потвърждаване или отхвърляне на съществуването на рак. Констатациите са от решаващо значение за вземане на допълнителен медицински избор (класификация на тумора; химиотерапия срещу лъчетерапия срещу имунотерапия). В съответствие с точното място и достъпността на подозрителната област биопсиите могат да бъдат извършени с помощта на различни подходи включително хирургични биопсии, ендоскопски биопсии и иглени биопсии. 

Иглената биопсия може да използва по-голяма игла за събиране на големи тъканни проби или аспирация с фина игла за събиране на малка проба от клетки и течност. Специална игла със засмукващ механизъм се използва при биопсия с помощта на вакуум за вземане на тъканни проби. Тези методи осигуряват гъвкавост при събирането на подходящи проби за анализ. 

За събиране на тъканни проби за оценка се използва нехирургична процедура наречена биопсия с основна игла. Подходи за биопсия с ултразвук или вакуум могат да се използват на труднодостъпни места.

3.4. Тъканни изображения

Имунохистохимията (IHC) е подход използван за обработка на тъканни изображения. Позволява на изследователите да анализират определени протеини или антигени в тъканни проби. В тази процедура се използват антитела предназначени да се свързват със специфични протеинови мишени в тъканни срезове. 

Вторично антитяло се свързва с разпознаваща молекула след като първичното антитяло се свърже с неговата мишена. Резултатите се визуализират под микроскоп. Обикновено са под формата на промяна в цвета или флуоресценцията, което показва съществуването и местоположението на целевия протеин. IHC е широко използван метод в патологични изследвания и диагностика, който може да разкрие важни подробности за подредбата, нивата на експресия и локализацията на определени протеини в тъканни проби.

Нараства необходимостта от диагностични методи, които могат да идентифицират рака рано като използват функционални и морфологични данни. Терахерц (THz) и методите за изобразяване базирани на инфрачервено лъчение (FTIR и Raman) са два примера за съвременни медицински системи за изобразяване, които в момента се изследват и валидират. 

Нейонизиращо, неинвазивно откриване на рак  е възможно с THz изображения. THz и други спектроскопски базирани изображения се провеждат за идентифициране на границите на рак по време на операции. THz вълните са силно чувствителни към промени в съдържанието на вода в тъканите, което прави възможно наблюдението на нивата на хидратация. THz технологията може да проследи молекулярния резонанс на ДНК предоставяйки възможност да се разгледа метилирането на ДНК като потенциален биомаркер за рак. За използване при клинична и транслационна диагностика на рак контрастните агенти могат също да подобрят THz изображения.

Различни видове спектроскопия също се използват за изобразяване на тумори и откриване на рак. Тъй като ракът на шийката на матката е често срещано състояние с постепенно начало ранната и точна идентификация е от съществено значение за по-добрите резултати за пациентите.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov