Epidemiologia molekularna Biomarkery ekspozycji Biomarkery

Katedra i Klinika
Chirurgii Onkologicznej
AMG
MARKERY NOWOTWOROWE
Epidemiologia molekularna
Jest uzupełnieniem epidemiologii tradycyjnej,
która bada powiązanie między czynnikami
ekspozycji (na przykład położenie geograficzne,
dieta, ekspozycja na określone czynniki
chemiczne, fizyczne, biologiczne) a
zachorowalnością na nowotwory; zajmuje się
analizą czynników znajdujących się w szerokiej
niszy między dwoma wyżej wymienionymi
(poziom kancerogenu, jego metabolitów czy
adduktów z DNA, mutacje, aktywacje i
deaktywacje genów i wreszcie poziom stymulacji
proliferacji komórek – neoplazji.
Epidemiologia molekularna c.d.
Jest aktualnie ukierunkowana na poszukiwanie
markerów biomedycznych, które sygnalizują nie
tylko wczesne stadium choroby nowotworowej,
często nie wykrywalne w dostępnych metodach
obrazowania, ale również wskazują zwiększone
ryzyko zachorowania i mogą mieć zastosowanie
wśród tak zwanych grup wysokiego ryzyka.
Dodatkowo badania są mało inwazyjne, ponieważ
biomarkery są łatwo dostępne w materiale
komórkowym lub płynach biologicznych
Epidemiologia
molekularna
Biomarkery
ekspozycji
Biomarkery skutków
zdrowotnych
Biomarkery
wrażliwości
I. Biomarkery ekspozycji.
1. Biomarkery znajdujące się w glebie,
wodzie, powietrzu.
2. Biomarkery znajdujące się w organizmie
żywym:
a) Biomarkery dawki wewnętrznej;
b) Biomarkery dawki biologicznie
skutecznej.
Biomarkery dawki wewnętrznej.
Ilość kancerogennej substancji chemicznej lub jej
metabolitu, która faktycznie wniknęła do
organizmu.
Aktywność mutagenna wykrywana przy użyciu
testów laboratoryjnych, wykorzystujących
interakcję substancji kancerogennej lub jej
metabolitu z DNA bakterii – test Amesa, lub DNA
innych komórek.
Biomarkery dawki biologicznie
skutecznej.
Oznaczeniu podlega poziom adduktów
kancerogenu, najczęściej z DNA.
1. Związek między ilością wypalanych papierosów i
typem acetylacji a zapadalnością na rak pęcherza
moczowego.
U wolnych acetylatorów poziom adduktu 4aminobifenyl (substancja zawarta w dymie
nikotynowym) – hemoglobina jest wyższy niż u
szybkich oraz brak istotnego związku z ilością
wypalanych papierosów. Jest to powiązanie
poziomu adduktu z cechami osobniczej
predyspozycji metabolicznej i może sugerować
fakt, iż w niektórych przypadkach osoby z wyższą
predyspozycją genetyczną mogą cechować się
wyższą zapadalnością na określony typ
nowotworów nawet gdy ekspozycja na
kancerogeny jest niższa.
2. Związek między spożyciem aflatoksyny B1 a
zapadalnością na raka wątroby.
Poziom adduktu, jaki aflatoksyna B1 tworzy z
DNA (aflatoksyno-N7-guanina), jest wyższy w
moczu osób eksponowanych na tą kancerogenną
mykotoksynę. Wykazano korelację między
poziomem aflatoksyno-N7-guaniny w moczu a
zapadalnością na raka wątroby. Jest to przykład
pomiaru adduktów kancerogenów z DNA
uwalnianych w czasie procesów naprawczych. W
tym konkretnym wypadku zwraca uwagę łatwość
wykonania badania i dostępność materiału
biologicznego, niejednoznaczne zaś jest, czy
aflatoksyno-N7-guanina pochodzi wyłącznie z
DNA, czy również z RNA.
3. Związek między długością ekspozycji na
kancerogeny a liczbą wiązań krzyżowych DNA –
białko.
Jednym ze skutków tworzenia wiązań krzyżowych
(crosslinks) DNA – białko może być inaktywacja
genu p53. Shaham wykazał zależność między
czasem ekspozycji w warunkach narażenia na
formaldehyd a liczbą wiązań krzyżowych.
Przypuszcza się, że podobne wyniki dają inne
przypuszczalne kancerogeny, jak chrom, nikiel,
czynniki alkilujące, cisplatyna czy
promieniowanie UV.
II. Biomarkery skutków
zdrowotnych.
Dostarczają one informacji o biologicznych
lub biochemicznych zmianach, jakie
dokonały się w komórkach organizmu w
wyniku oddziaływania na nie substancji
kancerogennych lub ich metabolitów
(mutacje, aktywacje lub deaktywacje
genów, zmiany w chromosomach, obecność
onkoprotein czy antyonkoprotein).
1. Związek między pojawieniem się wykrywalnych
zmian w chromosomach a wielkością dawki
kancerogenu i czasem ekspozycji.
Materiałem badawczym najczęściej są limfocyty
krwi obwodowej (jak w większości oznaczeń
biomarkerów skutków zdrowotnych), które z
pewnym prawdopodobieństwem odzwierciedlają
zmiany w garniturze chromosomowym komórek
tkanki docelowej, często niedostępnej badaniu.
Jako przykład może świadczyć częstość
występowania SCE (wymiana chromatyd
siostrzanych) w pięć dni po ostrej ekspozycji na
tlenek etylenu. Użycie badań cytogenetycznych
(np. SCE czy AC – aberracje chromosomowe)
jako biomarkera nie może być traktowane jako
wystarczające do uzyskania rozstrzygających
wyników
2. Kumulacja nieprawidłowości genetycznych w
wielu genach poprzedza kliniczne pojawienie się
choroby. Mutacje w genie p53 oraz w genie ras
pojawiają się w ślinie badanych już około roku
czasu przed klinicznym ujawnieniem raka płuca.
Co więcej, specyficzne miejsce zmiany sekwencji
wydaje się odpowiadać obecności określonego
czynnika mutagennego.
3. Oznaczanie onkoprotein w materiale biologicznym (lub
zmutowanych antyonkoprotein) może o kilka lat
poprzedzać występowanie choroby nowotworowej.
Badania, które to opisują, nie są jednak randomizowane, a
niejednokrotnie są opisami określonych przypadków, w
związku z czym ich wyniki winny być brane pod uwagę ze
szczególną ostrożnością. Mowa tu między innymi o
onkoproteinie ras p21, onkoproteinie fes czy beta –
transformującym czynniku wzrostu przy narażeniu na
azbest, benzopiren (policykliczne węglowodory
aromatyczne) czy polichlorowane bifenyle. Nie ulega
wątpliwości, że obecność białka p53 w materiale badanym
wskazuje na jego mutację (okres półtrwania zmutowanego
białka p53 wynosi do 12 godzin, podczas gdy nie
zmodyfikowanego do 20 minut), jednak uwzględniając nie
do końca jasną i określoną rolę zmiany sekwencji
„strażnika genomu” w procesie transformacji
nowotworowej, również nie należy wyciągać zbyt
pochopnych wniosków
III. Biomarkery wrażliwości.
Badają zróżnicowanie osobnicze w odpowiedzi na
działanie czynników kancerogennych. Ta grupa
odzwierciedla czynniki genetyczne lub nabyte
wpływające na rozmiar i charakter odpowiedzi
komórek na ekspozycję. Identyfikują tych
osobników w populacji, którzy są genetycznie lub
w nabyty sposób szczególniej narażeni na rozwój
choroby nowotworowej, gdy bierzemy pod uwagę
określoną ekspozycję na kancerogen.
Biomarkery wrażliwości c.d.
Przez lata określając biomarkery wrażliwości
stosowano testy badające poziom leku w surowicy
i klirens jego metabolizowanej pochodnej w
moczu jako oznaczenie polimorfizmu enzymu,
który miał zostać ustalony. Obecnie stosuje się w
tym celu reakcję PCR, która bezpośrednio określa
zmiany w sekwencji nukleotydów kodujących
dany enzym. Dzięki tym metodom ustalono
między innymi genotypy takich enzymów
metabolizujących kancerogeny, jak transferaza Sglutationowa, cytochrom CYP1A1 i CYP2D6 czy
N-acetylotransferaza
Biomarkery wrażliwości c.d.
Inną grupą biomarkerów wrażliwości są te, które
określają poziom zróżnicowania genetycznego
wpływającego na czynność procesów
naprawczych. Ta grupa jest niezwykle istotna,
umożliwia bowiem wykrycie u potomstwa
obecności zmutowanych genów dziedziczonych
po rodzicach, jak na przykład gen APC czy
BRCA1. W takich sytuacjach wczesne stadia
kancerogenezy są ominięte, więc nie należy
poddawać wątpliwości zasadności prowadzenia
badań w tym kierunku.
Nowotwory wywodzące się z
komórek płciowych.
• Alfa – fetoproteina (AFP), ludzka gonadotropina łożyskowa (hCG)
oraz dehydrogenaza mleczanowa (LDH) – znane od 20 lat;
• Istotna wartość diagnostyczna, prognostyczna oraz w monitorowaniu
leczenia i obecności wznów.
• Oznaczanie poziomu nieskuteczne w badaniach przesiewowych.
• Poziom łożyskowej fosfatazy alkalicznej jako wykładnik nasieniaków
jądra (80%).
• Korelacja poziomu markerów z okresem półtrwania po orchidektomii
(AFP – 7 dni, hCG – 3 dni).
• Gwałtowność zmian w ciągu pierwszych sześciu tygodni cyklu
chemioterapii może wskazywać na ewentualność wznów w pierwszym
miesiącu po jej zakończeniu, dlatego też pomiar stężenia AFP, hCG i
LDH jest rekomendowany w natężeniu tygodniowym.
Nowotwory jelita grubego.
• Znaczenie CEA w prognozowaniu i monitorowaniu
leczenia, lecz brak w badaniach przesiewowych i wczesnej
diagnostyce.
• Badaniem przedoperacyjne rekomendowanym przez
American Cancer Society jako pomoc w określeniu
zaawansowania histopatologicznego guza oraz
zdeterminowaniu zakresu resekcji.
• Podwyższony poziom w przynajmniej dwóch badaniach po
resekcji guza w natężeniu dwumiesięcznym sugeruje
progresję choroby.
• Monitoring po resekcji izolowanych przerzutów w
wątrobie: raz na dwa / trzy miesiące w ciągu dwóch lat od
zabiegu; podwyższony poziom sugeruje cechę T4.
Rak piersi.
• Poziom receptorów estrogenowych i progesteronowych
jako wskaźnik odpowiedzi na terapię hormonalną.
• Nadekspresja HER – 2 / neu (c-erbB-2) przy kwalifikacji
do leczenia trastuzumabem.
• Wartość CA 15-3 czy BR27.29 w badaniach
przesiewowych, wczesnej diagnostyki czy określenia
stopnia zaawansowania choroby (staging) jest niewielka –
mała specyficzność i niska wrażliwość. Badanie
pomocnicze przy określeniu niepowodzenia leczenia gdy
zmiany kliniczne czytelnie na to nie wskazują.
• CEA jest pomocny przy monitorowaniu leczenia lecz
wyłącznie przy ścisłej korelacji z obrazem klinicznym;
nieużyteczny przy screeningu, diagnostyce czy określaniu
stopnia zaawansowania.
Rak jajnika.
• CA 125 użyteczny przy wczesnej diagnostyce (screening
przy pozytywnym wywiadzie rodzinnym), lecz nie
odgrywa roli w określaniu stopnia zaawansowania.
• Pomocny w różnicowaniu guzów w obrębie miednicy na
łagodne i złośliwe.
• Spadek poziomu zauważalny po resekcji jajników lub
cytotoksycznej chemioterapii.
• Oznaczanie sugerowane co 2 – 3 tygodnie; podwojenie
ilości CA 125 – wskazanie do TK miednicy.
• Często progresja nowotworu przebiega bez zmian poziomu
CA 125.
Rak gruczołu krokowego.
• PSA i jego rola w badaniach przesiewowych
(najbardziej znany i użyteczny biomarker).
• W połączeniu z badaniem per rectum lub DRE
(digital rectum examination) daje obraz
diagnostyczny i jest wskazaniem do biopsji.
• Określanie poziomu PSA jest również pomocne w
monitorowaniu leczenia raka prostaty.
Rak płuca.
• Oznaczanie poziomu NSE pomocne w
różnicowaniu drobnokomórkowego raka
płuca.
• Seryjny pomiar NSE po terapii (resekcja,
chemioterapia) jako ocena doszczętności
resekcji i obecności wczesnych,
bezobjawowych wznów.
Guzy narządów neuroendokrynnych.
• Rzadko występujące.
• Oznaczanie katecholamin lub (i) ich
metabolitów w moczu pomocne w
różnicowaniu pheochromocytoma i
neuroblastoma.
Rak tarczycy.
• Zwiększone stężenie kalcytoniny w osoczu
koreluje z występowaiem rdzeniastego raka
tarczycy.
• Poziom tyreoglobuliny i jego zastosowanie
w diagnostyce oraz monitorowaniu leczenia
raka tarczycy.
Zastosowanie, korzyści i
ograniczenia.
• Analiza wyniku otrzymanego z laboratorium musi
ściśle korelować z obrazem klinicznym i nie może
być jedynym narzędziem diagnostycznym.
• W przypadku biomarkerów będących
metabolitami hormonów należy pamiętać o
wahaniach dobowych ich stężenia.
• Znajomość okresu półtrwania markerów
zapobiega błędnej interpretacji.
• Korelacja zastosowanego leczenia i wpływ na
zmiany stężenia oznaczanych substancji (głównie
farmakoterapia).