Kartierung früher Krebs-Mutationen mit Einzelmolekül-cfDNA-Sequenzierung

Die Wirksamkeit der Krebsbehandlung und die Überlebensdauer sind eng mit einer rechtzeitigen Krebsdiagnose verbunden, was die Bedeutung einer frühen Diagnose unterstreicht. Die derzeitigen Methoden zur klinischen Krebsfrüherkennung weisen jedoch erhebliche Herausforderungen auf. So hat beispielsweise das LDCT-Screening zwar gezeigt, dass es die Sterblichkeit senken kann, doch die Akzeptanz in Hochrisikopopulationen bleibt begrenzt, teilweise aufgrund möglicher Nachteile wie niedriger Spezifität, Strahlenexposition und Fällen von Überdiagnosen. Darüber hinaus fehlt es für bestimmte Krebsarten nach wie vor an einem geeigneten Screening-Ansatz, obwohl eine zeitnahe Erkennung das Potenzial hat, die Prognose der Patienten zu verbessern.

Eine potenzielle Lösung für diese Herausforderungen liegt in der Flüssigbiopsie, die Krebs durch zirkulierende Tumor-DNA (ctDNA) identifiziert. zellfreies DNA (cfDNA)Dennoch enthält cfDNA typischerweise einen bescheidenen Anteil an Mutationsdaten innerhalb des Krebsgenoms, was Schwierigkeiten bei der Unterscheidung echter Mutationssignale vom Hintergrundrauschen der Sequenzierung mit sich bringt.

Höhepunkte

Die Gruppe von Forschern hat einen Ansatz zur Erkennung zahlreicher somatischer Mutationen in cfDNA durch eine Technik namens GEMINI (GEnome-weite Mutationsinzidenz zur nicht-invasiven Erkennung von Krebs) unter Verwendung von Einzelmolekül-Sequenzierung formuliert. Durch den Einsatz von GEMINI enthüllten sie unterschiedliche Häufigkeiten von Mutationsarten in verschiedenen Gewebe- und cfDNA-Regionen bei Krebspatienten. Diese Häufigkeiten standen in Zusammenhang mit der Replikationszeit und anderen Chromatinmerkmalen. Darüber hinaus ermöglichte das umfassende Mutationsspektrum, das von GEMINI identifiziert wurde, kombiniert mit zusätzlichen Attributen und einem maschinellen Lernmodell, die Identifizierung von über 90 % der Lungenkrebserkrankungen, einschließlich Patienten im Stadium I und II.

Ansatz zur Krebsdetektion mittels Einzelmolekül-cfDNA-Sequenzierung. (Bruhm et al., 2023)

Nutzung somatischer Mutationen für eine nicht-invasive Krebsdiagnose

In einer umfassenden Studie untersuchten Wissenschaftler die genomischen Sequenzen von Krebs bei 2.511 Individuen, die 25 verschiedene Krebsarten repräsentieren, im Rahmen des Projekts Pan-Cancer Analysis of the Whole Genome (PCAWG). Ihre Untersuchung offenbarte unterschiedliche Mutationsfrequenzen in den Genomen verschiedener Tumorkategorien. Beispielsweise wies Lungenkrebs im Durchschnitt 52.209 somatische Mutationen pro Genom auf. Das Team verwendete einen Ansatz, bei dem 31 passende PCAWG-Proben untersucht wurden, wobei die Sequenzdaten, die 3.076.901 Mutationen umfassten, in 1.144 nicht überlappende 2,5 Mb Abschnitte unterteilt wurden. Bemerkenswerterweise wiesen zahlreiche Tumoren gemeinsame Regionen mit erhöhten Mutationsfrequenzen in ihren genomischen Landschaften auf.

Um die Wirksamkeit von GEMINI bei der Erkennung von tumorabgeleitetem DNA zu bewerten, identifizierten die Forscher genomische Bereiche mit der höchsten Häufigkeit von C>A-Mutationen innerhalb eines Trainingssatzes von sowohl Krebs- als auch Kontrollproben. Sie stellten fest, dass Regionen, die reich an C>A-Änderungen waren, in den 31 PCAWGs vorhanden waren, jedoch nicht in normalen Proben, was darauf hindeutet, dass die Isolierung der Mutationshäufigkeiten zwischen Krebs- und Kontrollregionen effektiv Hintergrundmutationen in der Probe eines bestimmten Patienten eliminieren könnte. Durch die Nutzung der Häufigkeit der C>A-Region konnte GEMINI erfolgreich zwischen Krebs- und Nicht-Krebs-Proben mit bemerkenswerter Präzision unterscheiden und erreichte eine beeindruckende AUC von 0,91.

Einzelmolekül-Mutationsanalysen von PCAWG-Lungenkrebs und normalen Proben. (Bruhm et al., 2023)

Mutationsprofile, die spezifisch für Krebsarten in cfDNA sind

Anschließend untersuchte die Gruppe von Forschern Daten von 365 Probanden innerhalb der Kohorte, wobei der Schwerpunkt auf der plattformübergreifenden Ganzgenomsequenzierung (WGS) mit niedriger Abdeckung lag. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Ähnlichkeit in den genomischen Regionen mit hohen Mutationsfrequenzen. Diese Regionen befanden sich überwiegend in genomischen Bereichen, die mit gewebespezifischen späten Replikationsperioden sowohl in Tumorgeweben als auch in cfDNA, die von Patienten mit Lungenkrebs, Melanom und B-Zell-Nicht-Hodgkin-Lymphom entnommen wurde, verbunden waren. Gleichzeitig wurden die spezifischen Mutationsfrequenzen für bestimmte Tumortypen und Mutationen mit der Genexpression, der genomischen Segmentierung, gemessen durch die Analyse des Methylierungssignaturvektors, und der Anwesenheit des Heterochromatinmarkierungsproteins H3K9me3 korreliert.

Probanden ohne Krebs oder solche ohne Mutationsarten oder Regionen, die eine bemerkenswerte Anreicherung für krebsassoziierte Merkmale aufweisen, zeigten entweder einen Mangel an diesen Eigenschaften oder wiesen nur schwache Korrelationen mit ihnen auf. Zusammengefasst deuten die oben genannten Ergebnisse auf eine Verbindung zwischen der genomweiten Mutationsrate von cfDNA und der Chromatinorganisation hin. Das GEMINI-System kann diese Eigenschaft nutzen, um zirkulierendes Tumor-DNA (ctDNA) zu identifizieren.

Genomweite Mutationsprofile von Gewebe- und Plasmaproben sind mit der Replikationszeit verbunden. (Bruhm et al., 2023)

Zusammenfassung

Im Wesentlichen zeigt die Entdeckung des Teams, dass die Nutzung von Einzelmolekül-Mutationsprofilen, die durch cfDNA Niedrigabdeckungs-WGSbietet vielversprechende Möglichkeiten für die nicht-invasive Identifizierung von Krebs. Obwohl der Schwerpunkt dieser Untersuchung auf der Identifizierung von Lungenkrebs bei Hochrisikogruppen lag, ist es erwähnenswert, dass auch modifizierte cfDNA-Mutationsmuster bei Personen mit verschiedenen Krebsarten wie Leberkrebs, Melanom und Lymphom festgestellt wurden. Dies deutet darauf hin, dass der Ansatz möglicherweise ein breiteres Anwendungsspektrum über den aktuellen Rahmen hinaus haben könnte.

Referenz:

1. Bruhm, Daniel C., et al. "Einzelmolekulare genomweite Mutationsprofile von zellfreier DNA zur nicht-invasiven Erkennung von Krebs." Naturwissenschaften Genetik (2023): 1-10.