MARKERY NOWOTWOROWE Katedra i Klinika Chirurgii Onkologicznej AMG

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 4- aminobifenyl (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 S- glutationowa, 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).