Рак оставляет след в крови за годы до диагноза

Ученые обнаружили изменения метилирования ДНК, связанные с будущим раком простаты и молочной железы, за 5–8 лет до его клинического выявления

Они исследовали кровь людей, которые еще не знали, что заболеют

Главная особенность этой работы — ученые не брали кровь у пациентов с уже известным раком и не пытались отличить их от здоровых людей.

Они сделали нечто гораздо более интересное.

Исследователи воспользовались архивом Ontario Health Study — крупного канадского проекта, участники которого сдавали биологические образцы и затем продолжали наблюдаться в течение многих лет.

Из него отобрали 491 образец плазмы. В момент сдачи крови ни у одного из этих людей рак не был диагностирован. Однако позже у части участников обнаружили рак простаты или молочной железы.

После контроля качества в анализ вошли 93 будущих случая рака простаты, 171 случай рака молочной железы и 227 образцов людей, у которых онкологическое заболевание за период наблюдения выявлено не было.

Между сдачей крови и диагнозом проходило от нескольких недель до девяти лет.

Это позволило исследователям буквально заглянуть назад: посмотреть, происходило ли что-нибудь необычное в крови человека задолго до того момента, когда опухоль обнаружили обычными клиническими методами.

Оказалось — происходило.

Исследователи искали не мутации, а «настройки» ДНК

Когда говорят о поиске рака по анализу крови, обычно возникает простая картина: опухоль выделяет в кровь фрагменты своей ДНК, а лаборатория пытается обнаружить в них характерные мутации.

Здесь подход был другим.

Ученые анализировали метилирование ДНК — присоединение небольших химических меток к определенным участкам молекулы. Последовательность букв генетического кода при этом не меняется, но может меняться активность генов.

При возникновении опухоли эта система регуляции меняется.

В крови постоянно циркулируют короткие фрагменты ДНК, высвобождающиеся из клеток организма. Их называют внеклеточной ДНК — cfDNA.

Исследователи использовали метод cfMeDIP-seq, позволяющий выделять и секвенировать метилированные фрагменты такой ДНК, и искали различия между людьми, у которых впоследствии обнаружили рак, и контрольной группой.

След оказался сосредоточен там, где регулируется работа генов

Различия в метилировании распределялись по геному не случайно.

Они концентрировались в функционально важных областях — промоторах, энхансерах, сайленсерах и повторяющихся элементах.

Все эти названия описывают разные элементы системы управления генами.

Промотор помогает запустить работу гена. Энхансер способен усиливать ее. Сайленсер, наоборот, подавляет активность гена — своего рода генетический выключатель.

И именно характер метилирования таких регуляторных областей оказался связан с тем, появится ли у человека через несколько лет диагноз рака.

Но здесь возникает важный вопрос: откуда берется этот сигнал?

Самое интересное — кровь может видеть не только саму опухоль

Исследователи сравнили найденные в плазме изменения с профилями метилирования непосредственно опухолевой ткани.

Часть сигналов совпала.

Это важное наблюдение: по крайней мере часть измененной внеклеточной ДНК действительно может быть связана с биологией развивающейся опухоли.

Но совпадение было неполным. Анализ показал также признаки вклада иммунных клеток.

Именно здесь меняется привычное представление о жидкой биопсии.

Анализ крови потенциально может искать не только кусочки самой опухоли. Он способен улавливать более широкий системный ответ организма на происходящие изменения.

И это особенно интересно для очень ранней диагностики. Маленькая опухоль выделяет чрезвычайно мало ДНК, поэтому прямой поиск ее молекулярных фрагментов становится технически трудным.

Но если организм уже реагирует на развивающийся патологический процесс, этот ответ потенциально способен усилить ранний сигнал.

Иными словами, кровь может сообщать не только «здесь есть опухолевые клетки», но и «в организме уже происходит что-то характерное для начинающегося ракового процесса».

Для рака простаты сигнал появился за 5–8 лет

Наиболее сильные результаты исследователи получили для рака простаты.

На основе метилирования участков-сайленсеров они построили модель, разделяющую людей на группы более высокого и более низкого риска.

На обучающей выборке показатель AUROC составил 0,78, на независимой тестовой — 0,73.

AUROC показывает, насколько хорошо модель различает две группы. Значение 0,5 соответствует практически случайному угадыванию, 1,0 — идеальному разделению. Поэтому 0,73 нельзя считать точностью, достаточной для готового диагностического теста, но это уже отчетливо различимый биологический сигнал.

Еще интереснее результат для людей, у которых рак обнаружили лишь через 5–8 лет после сдачи крови: AUROC достиг 0,77.

То есть молекулярные различия существовали задолго до клинического диагноза.

За восемь лет рак простаты был диагностирован у 11,3% участников, отнесенных моделью к группе высокого риска, и у 1,8% — в группе низкого риска.

После учета возраста, курения, других привычек и семейного анамнеза высокий расчетный риск по метилированию был связан примерно с 3,55-кратным повышением риска последующего диагноза рака простаты.

Это не означает, что анализ способен предсказать рак конкретному человеку. Большинство людей даже в группе повышенного риска за период наблюдения раком простаты не заболели.

Но он смог разделить внешне здоровых людей на группы с существенно различавшейся последующей заболеваемостью.

С раком молочной железы все оказалось сложнее

Для рака молочной железы ученые обнаружили другой паттерн — прежде всего изменения метилирования в энхансерах, то есть участках ДНК, усиливающих активность определенных генов.

Однако прогностическая способность модели оказалась значительно слабее.

AUROC составил 0,62 на обучающей выборке и лишь 0,58 на независимой тестовой.

Для самостоятельного скринингового теста этого явно недостаточно.

Тем не менее определенный сигнал присутствовал. За восемь лет рак молочной железы был выявлен у 6,2% женщин из группы высокого риска против 1,8% в группе низкого риска.

Особенно интересно, что модель лучше различала некоторые подтипы заболевания — в частности, тройной негативный и HR+/HER2+ рак молочной железы, — а также показывала более выраженный сигнал у женщин моложе 50 лет.

Но размеры этих подгрупп были небольшими, поэтому воспринимать такой результат как уже установленную возможность раннего выявления отдельных типов рака пока нельзя.

Чем ближе и крупнее опухоль, тем легче ее увидеть в крови

Исследователи проверили модель рака молочной железы еще на одной независимой группе — пациентках, у которых заболевание уже было диагностировано на поздних стадиях.

Здесь AUROC вырос до 0,87–0,94.

На первый взгляд может показаться странным: зачем нужен тест раннего риска, если он значительно лучше работает при уже существующем позднем раке?

Но именно это помогает понять биологию метода.

По мере развития опухоли ее молекулярный след становится сильнее. В кровь попадает больше связанных с заболеванием сигналов, и различить больного и здорового человека становится легче.

Поэтому главный научный вопрос состоит не в том, можно ли обнаружить поздний рак по крови. Это уже показано во множестве исследований жидкой биопсии.

Гораздо труднее доказать, что слабый сигнал присутствует тогда, когда человек еще считается здоровым.

Именно это делает новую работу необычной.

«За восемь лет» не означает, что опухоль восемь лет сидела незамеченной

Здесь важно не сделать слишком сильный вывод.

Исследование не доказывает, что у человека уже существовала полноценная опухоль за восемь лет до диагноза.

Обнаруженный сигнал может отражать разные процессы: очень ранние опухолевые изменения, предраковое состояние, особенности иммунного ответа или биологическую предрасположенность тканей к развитию заболевания.

Сами авторы говорят о ранних сигнатурах риска, а не о возможности поставить диагноз рака за восемь лет до его клинического обнаружения.

Разница принципиальна.

Анализ пока отвечает скорее на вопрос «у кого вероятность последующего заболевания выше?», чем на вопрос «у кого прямо сейчас есть рак?».

Почему одного хорошего AUROC недостаточно

Есть еще одна причина не воспринимать исследование как появление нового анализа на рак.

Всего изучено 491 образец, причем доступно было лишь по 1,6 мл архивной плазмы на человека. Для исследования внеклеточной ДНК количество исходного материала имеет значение: чем его меньше, тем выше вероятность пропустить слабый сигнал.

Некоторые интересные подгруппы были совсем небольшими. Поэтому, например, результат для тройного негативного рака молочной железы сопровождается значительной статистической неопределенностью.

Есть и проблема контрольной группы.

Не все участники наблюдались одинаково долго. Теоретически среди людей, считавшихся здоровыми, могли находиться участники, у которых рак возник позже окончания периода наблюдения. Это способно изменять оценку эффективности модели.

Наконец, модель должна подтвердить свою работу на гораздо больших и независимых популяциях — желательно разных возрастов, происхождения и с различными факторами риска.

И только после этого можно будет обсуждать ее реальную клиническую ценность.

Анализ крови вряд ли заменит маммографию — его роль может быть другой

Особенно важно правильно представить возможное будущее такой технологии.

Для рака молочной железы уже существует массовый скрининг — маммография. Авторы прямо отмечают, что нынешняя версия метилирования cfDNA недостаточно точна, чтобы ее заменить.

Но анализ крови потенциально может использоваться иначе.

Например, помогать определять, кому требуется более интенсивное наблюдение, дополнительное обследование или более персонализированный график скрининга.

Для рака простаты такой подход особенно интересен, поскольку универсального популяционного скрининга, сопоставимого с маммографией, во многих системах здравоохранения нет, а использование PSA связано с проблемой ложноположительных результатов и выявлением опухолей, которые никогда не стали бы клинически опасными.

Если молекулярный анализ крови когда-нибудь позволит точнее выделять людей с повышенным риском, дальнейшее обследование можно будет концентрировать именно на них.

Но это уже следующий этап исследований.

Главный результат — рак может менять организм задолго до диагноза

Эта работа важна не потому, что появился готовый «анализ крови на рак за восемь лет».

Такого теста пока нет.

Гораздо важнее другое: исследователи получили молекулярные свидетельства того, что биологические изменения, связанные с будущим раком, могут быть обнаружимы в крови за годы до клинического выявления заболевания.

Причем информация находится не только в последовательности ДНК.

Она записана еще и в ее эпигенетических настройках — в том, какие участки генома оказываются химически помечены и как меняется работа системы регуляции генов.

Если результаты удастся воспроизвести в больших исследованиях, раннее выявление рака может постепенно перейти от поиска уже сформировавшейся опухоли к оценке молекулярных изменений, которые возникают намного раньше.