DNA-chips richten zich op kanker

Als voorbereiding op een kleine operatie had John Leventhal een routinematige thoraxfoto nodig. Toen de arts van New Haven, CT, zich bij de radioloog voegde die de film aan het onderzoeken was, was hij geschokt door wat hij zag: een ondoorzichtige vlek diep in zijn long. Als arts, zegt Leventhal, heb je op de medische school geleerd dat als je zo'n massa ziet, dit longkanker betekent. Leventhals medische opleiding leerde hem ook dat om de diagnose te bevestigen, zijn artsen zijn ribbenkast moesten openbreken om een ​​stukje van het verdachte weefsel te krijgen dat nauwkeurig zou worden onderzocht door een patholoog - een uiterst pijnlijke en gevaarlijke operatie. Het weekend voor die operatie ging Leventhal op skivakantie met het hele gezin. Hij herinnert zich dat hij dacht: dit is de laatste keer dat ik voor een lange, lange tijd ga skiën.

Dat was vijf jaar geleden. Vandaag zou de manier waarop de medische professie omgaat met kanker op het punt staan ​​te veranderen. Rond dezelfde tijd dat Leventhal onderging
chirurgie begonnen onderzoekers van Stanford University en de in Santa Clara, CA gevestigde startup Affymetrix met het bouwen van de eerste DNA-microarrays. Meer algemeen bekend als DNA-chips, dit zijn met DNA bedekte silicium-, glas- of plastic wafels die duizenden genen tegelijk kunnen analyseren om identificeer bijvoorbeeld degenen die actief zijn in een steekproef van cellen. Nu lijken deze microarrays klaar om zich bij de oorlog tegen kanker aan te sluiten. DNA-chips, voorspelt de directeur van het National Cancer Institute, Richard Klausner, zullen een enorm effect hebben op de diagnose en behandeling van de ziekte.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2001

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Een reden voor de opwinding is dat DNA-chips een geheel nieuwe, en mogelijk veel eerdere, gemakkelijkere en preciezere manier bieden om kankercellen te detecteren. De meeste vormen van kanker blijven onopgemerkt totdat er klontjes, hoesten of pijn ontstaan, waarna het vaak te laat is. En zelfs dan, als een patholoog een biopsie van een tumor krijgt, kan het moeilijk of zelfs onmogelijk zijn om de ene vorm van kanker van de andere te onderscheiden met bestaande technieken, waarbij vervormingen in de celarchitectuur onder een microscoop worden opgemerkt. Betere diagnostische informatie zou kunnen worden gebruikt om betere behandelbeslissingen te nemen, misschien wel het verschil tussen leven en dood.

binnen de komende twee jaar verwachten pathologen te beginnen met het gebruik van op DNA-chips gebaseerde instrumenten om genetische verschillen tussen cellen op te sporen; deze veelbetekenende verschillen kunnen worden gebruikt om kankercellen op te sporen lang voordat de symptomen zich ontwikkelen en om het ene type kanker van het andere te onderscheiden. Kortom, de chips zullen een genetisch profiel van een kankercel opleveren dat kan worden gelezen als het strafblad van een crimineel. De arts zal weten waar de kankercel is ontstaan, hoe ver deze is gevorderd en welke therapieën het beste zullen werken om de verdere groei en verspreiding ervan te stoppen.

Leventhal had geluk. Zijn longbiopsie was negatief en de volgende winter stond hij weer op de piste. Maar het kostte hem een ​​maand om te herstellen van de biopsie-operatie, en vandaag heeft hij een boos litteken midden op zijn borst om hem aan de beproeving te herinneren. Tegen het einde van het decennium is het waarschijnlijk dat een patiënt als Leventhal invasieve diagnostische procedures helemaal kan overslaan. Een apparaat op basis van een DNA-chip kan misschien een sputummonster lezen in het kantoor van de dokter, en controleren op de genetische veranderingen in de longcellen die van nature in de stroperige vloeistof worden afgestoten. Als het nieuws slecht is, heeft de patiënt misschien een groot aantal nieuwe behandelingsopties. Dat komt omdat DNA-chips ook de ontdekking van nieuwe en betere kankermedicijnen versnellen. We staan ​​op de drempel van een nieuw tijdperk, zegt Klausner. Technologieën zoals DNA-chips zullen ons niet alleen vertellen dat er iets mis is, maar ook wat het is en wat we eraan kunnen doen.

Verzamelsnelheid

Met een op de twee mannen en een op de drie vrouwen in de Verenigde Staten die waarschijnlijk op een bepaald moment in hun leven kanker zullen krijgen - en volgens de American Cancer Society zouden alleen al dit jaar ongeveer 560.000 Amerikanen aan de ziekte sterven - vooruitgang kan niet snel genoeg komen. Maar liefst 500 onderzoekslaboratoria in de academische wereld en de industrie gebruiken al DNA-chips om ingrijpende nieuwe genetische beelden van verschillende kankers te ontwikkelen. In 1999 schonk het National Cancer Institute alleen al $ 4,1 miljoen aan 24 Amerikaanse academische kankerinstellingen om microarraycentra op te zetten of te upgraden. geneesmiddelen tegen kanker met minder bijwerkingen. Inderdaad, alle grote farmaceutische bedrijven en minstens een dozijn biotechbedrijven gebruiken al DNA-chips om kanker aan te pakken.

Tegelijkertijd zien grote productiebedrijven zoals Agilent Technologies, Corning en Motorola het potentieel van DNA-chips. Alle drie hebben ze samengewerkt met academische onderzoekscentra om met DNA-chips te komen die genen zullen analyseren die verband houden met specifieke kankers. En hoewel DNA-chips op dit moment veel te duur zijn om te concurreren met bestaande diagnostische technologieën, zou de betrokkenheid van deze fabrikanten en hun productiefaciliteiten de prijzen voor een chip tot maar liefst $ 10 kunnen verlagen, zodra de productie van grote volumes op gang komt.

Om DNA-chips te helpen de oorlog tegen kanker te winnen, zal het natuurlijk veel inspanning en jaren van verdere ontwikkeling vergen. Om te beginnen genereren DNA-chips tonnen data, en onderzoekers zullen hun computercapaciteiten moeten verbeteren en datastandaarden moeten vaststellen om dit allemaal te begrijpen ( zien Gene Babel , TR april 2001 ). En alle nieuwe medicijnen of diagnostische apparaten zullen zich moeten bewijzen in klinische onderzoeken. Maar de eerste vruchten van de inspanningen om DNA-chips toe te passen op kanker - nieuwe diagnostische hulpmiddelen - zouden al eind volgend jaar levens kunnen gaan redden. De eerste geneesmiddelen tegen kanker die zijn ontwikkeld met behulp van DNA-chips, zullen rond dezelfde tijd bij mensen worden getest, en er zullen er nog tientallen volgen. Met al die nieuwe instrumenten die voorhanden zijn, kunnen de momenteel onbehandelbare vormen van kanker op een dag niet langer doodvonnissen betekenen.

Profielen in Kanker

De eerste stap in de richting van die grootse visie is het genereren van een profiel van de genen die worden geactiveerd of uitgeschakeld wanneer een normale cel kanker wordt. vertellen veel over de gezondheid van die cel. En hoewel velen van ons geneigd zijn te denken dat ziekten worden veroorzaakt door bepaalde genen, bijvoorbeeld het gen voor de ziekte van Huntington of cystische fibrose, hebben de meeste ziekten eigenlijk te maken met gecompliceerde interacties tussen een groot aantal verschillende genen. Maar net zoals iemands vingerafdrukken van vrijwel alle andere kunnen worden onderscheiden door slechts een klein aantal verschillen, kan een soort genetische vingerafdruk, misschien met honderd actieve genen of zelfs minder, cellen onderscheiden die zelfs de allereerste tekenen van kanker vertonen.

Het mooie van het gebruik van een technologie als DNA-chips om die vingerafdrukken te vinden, zegt Klausner, is dat we niet worden beperkt door vooringenomen kennis of vooroordelen. Met andere woorden, kankeronderzoekers hoeven hun experimenten niet langer te vertekenen door individueel te kijken naar de genen waarvan ze vermoeden dat ze betrokken kunnen zijn bij een bepaalde kanker. In plaats van ons te concentreren op één gen, legt onderzoeker Louis Staudt van het National Cancer Institute uit, krijgen we met microarrays het hele genoom te zien en laten we de kankercel ons vertellen wat de belangrijke genen zijn.

Het vlaggenschip in de inspanningen van het National Cancer Institute om de validiteit van de DNA-chip-aanpak aan te tonen, is het zogenaamde Lymphoma/Leukemia Molecular Profiling Project, dat wordt geleid door Staudt. De studie kijkt naar diffuus grootcellig B-cellymfoom, een relatief veel voorkomende vorm van kanker van de witte bloedcellen die jaarlijks meer dan 15.000 mensen in de Verenigde Staten treft. Wanneer oncologen die patiënten standaard chemotherapiebehandelingen geven, reageert ongeveer 40 procent snel. Hun kanker smelt weg en de meerderheid leeft vijf jaar na de diagnose nog steeds. Maar van die andere 60 procent hebben de meesten niet zoveel geluk. De kanker kan kort in remissie gaan, maar wanneer hij terugkeert, komt hij wraakzuchtig terug. Een paar patiënten hebben op dat moment baat bij bestralingen en beenmergtransplantaties, maar voor de meesten is het al te laat om de verspreiding van de ziekte te stoppen. Er is duidelijk iets anders aan de hand met de twee groepen, maar onder de microscoop van een patholoog zien hun kankercellen er identiek uit.

Het verrassende antwoord is dat deze patiënten verschillend reageren op de behandeling, omdat ze in feite lijden aan totaal verschillende soorten lymfoom. Met behulp van wat ze een Lymphochip noemden, een aangepaste Affymetrix DNA-chip, ontdekten Staudt en een groep aan Stanford onder leiding van geneticus David Botstein onderscheidende genetische verschillen tussen de kankers bij de patiënten met grootcellig B-cellymfoom die stierven en degenen die het overleefden. Ik stond versteld van wat we vonden, zegt Botstein. In feite keken ze naar twee verschillende ziekten. Opmerkelijk, zegt Staudt. We hebben iets in deze ziekte gevonden dat al die jaren dat pathologen ernaar keken, werd gemist.

Soortgelijke projecten lopen nu om verschillende vormen van kanker te profileren, van verschillende soorten melanoom tot darmkanker. De meeste andere vormen van kanker vertonen beelden die lijken op die van lymfoom: sommige patiënten worden beter en andere niet, maar voorspellen wie op therapieën zal reageren, is onmogelijk. Als er een manier was om de patiënten te identificeren die niet reageren op standaardchemotherapie, zouden artsen onmiddellijk alternatieve behandelingen kunnen gebruiken en levens kunnen redden. Inderdaad, zegt Pat Brown, een geneticus aan de Stanford University School of Medicine die hielp bij het uitvinden van een van de twee belangrijkste soorten DNA-chips, hetzelfde verhaal komt naar voren voor een aantal kankers waar we naar kijken - kankers met verschillende klinische resultaten hebben verschillende moleculaire subtypes . En als u weet welk subtype kanker een patiënt treft, kunnen artsen vanaf het begin de juiste behandelingen kiezen.

Detectie perfectioneren

Zodra onderzoekers de vingerafdrukken van verschillende vormen van kanker kennen, kunnen ze op maat gemaakte DNA-chips maken die artsen kunnen gebruiken om patiënten te diagnosticeren met een voorheen ongehoorde nauwkeurigheid. Staudt zegt dat de leerboeken over kankerdiagnostiek de komende drie tot vier jaar zullen worden herschreven.

Maar het vermogen om subtiele genetische veranderingen te lezen, zou artsen in staat kunnen stellen meer te doen dan de exacte identiteit van kanker vast te stellen; het zou hen ook kunnen helpen vroege waarschuwingssignalen te lezen dat normale cellen op het punt staan ​​kanker te worden - lang voordat dergelijke veranderingen duidelijk zijn voor een patholoog. Dat hoopt kankergeneticus Melvyn Tockman van de Universiteit van Zuid-Florida in ieder geval. Hij en zijn collega's werken aan een vroege-detectiemethode voor longkanker - een methode die van het litteken van John Leventhal een overblijfsel uit de medische donkere middeleeuwen zou kunnen maken.

De onderzoekers nemen sputummonsters van ex-rokers en analyseren met DNA-chips welke genen actief zijn in de longcellen. Door het genetische profiel van deze beschadigde cellen te vergelijken met profielen van zowel gezonde als kankerachtige longcellen, hoopt Tockman de vingerafdruk te vinden die aangeeft dat kanker op het punt staat zich te vormen. In de toekomst zou een patiënt die risico loopt op longkanker, elke keer dat hij voor zijn reguliere controle ging, een eenvoudige DNA-chip-gebaseerde test voor deze genetische vingerafdruk kunnen doen.

Dat is een paar jaar in de toekomst, maar de eerste uitbetaling van DNA-chips bij het opsporen van kanker kan nog eerder komen. Onderzoekers gebruiken de chips al om veelbetekenende eiwitten te identificeren die kunnen worden gedetecteerd door conventionele kankerscreeningtools. Als een kankersoort honderd uniek tot expressie gebrachte genen heeft, legt Mohan Iyer, de vice-president bedrijfsontwikkeling bij diaDexus uit Santa Clara, Californië uit, is de grootste hit om een ​​[van de eiwitten waarvoor die genen coderen] te vinden die kan worden gebruikt in een eenvoudige bloedtest om individuen op kanker te screenen. Als blijkt dat een eiwit uniek is voor een bepaalde vorm van kanker, zegt Iyer, zou standaard ziekenhuisapparatuur het gemakkelijk kunnen detecteren in een bloedmonster.

Met DNA-chiptools die nu helpen bij het identificeren van de eiwitten die verband houden met borst-, long-, colon- en eierstokkanker, om er maar een paar te noemen, ontwikkelen Incyte Genomics, Corning en een handvol andere bedrijven nieuwe op eiwitten gebaseerde screeningmethoden voor de diagnose van de ziekten . Deze nieuwe tests zouden in de komende twee jaar de diagnostische laboratoria moeten bereiken.

Remedies, snel

Maar betere diagnostiek zal pas echt een verschil gaan maken als ze gepaard gaat met effectievere behandelingen, behandelingen die zijn afgestemd op de bestrijding van bepaalde soorten kanker. Zelfs als je 50 verschillende lymfomen kunt onderscheiden, zegt patholoog Michael Kashgarian van de Yale University School of Medicine, wat maakt het dan uit of het type A of type Z is als de therapie hetzelfde is?

Op dit gebied van de ontdekking van kankergeneesmiddelen spelen DNA-chips ook een sleutelrol. Net zoals de snelle analyse van een groot aantal genen helpt om kanker te profileren voor een betere diagnostiek, levert het ook waardevolle aanwijzingen op voor het aanvallen van kankercellen.

Onderzoekers hebben lang geloofd dat het ontwikkelen van nieuwe therapieën zou beginnen met het vinden van kanker-geassocieerde genen, maar de afgelopen twee decennia waren vol teleurstelling. Stephen Friend, ooit een oncologie-onderzoeker aan het Whitehead Institute for Biomedical Research in Cambridge, MA, en nu chief executive officer van Rosetta Inpharmatics in Seattle, geeft de schuld aan wat hij de my-favorite-gen-benadering noemt. Biomedische onderzoekers zouden jaren bezig zijn met het opsporen van één gen dat geassocieerd is met een bepaalde kanker, om vervolgens te veronderstellen dat dat gen, of het eiwit waarvoor het codeert, een geweldig doelwit zou zijn voor nieuwe medicijnen. Maar, zegt Friend, de kans was in 999 van de 1.000 gevallen dat je het bij het verkeerde eind had. Zeer weinig genen werken alleen en in zulke eenvoudige en directe relaties met het lichaam om ziekte te veroorzaken. God, waren we dom! hij zegt.

Friend is er nu van overtuigd dat technologieën zoals DNA-chips waarmee onderzoekers alle genen kunnen vinden die bij een ziekte betrokken zijn, de juiste keuze zijn. (Rosetta speelt een rol in dergelijk onderzoek door software en andere diensten voor het uitlezen van microarrays te verkopen.) DNA-chips kunnen niet alleen helpen bij het identificeren van alle potentiële medicijndoelen voor een bepaald type tumor, ze kunnen ook helpen de genen uit te sluiten die actief zijn in gezonde weefsels. Op die manier kunnen medicijnfabrikanten nauwkeurig gerichte behandelingen ontwikkelen die kankercellen doden zonder andere delen van het lichaam te beschadigen. Medicijnen, zegt Friend, zullen worden ontwikkeld tegen een tiende van de kosten en in een derde van de tijd door de targeting te verbeteren en ervoor te zorgen dat verbindingen geen ongewenste bijwerkingen oppikken.

Eos Biotechnology, een bedrijf uit Zuid-San Francisco dat nieuwe kankertherapieën ontwikkelt met behulp van DNA-chips van zijn partner Affymetrix, wedt dat hij gelijk heeft. In de laboratoria van het bedrijf houdt vice-president van genomics-onderzoek David Mack een van die chips omhoog, die vrijwel de hele set menselijke genen bevat. Het vermogen om vandaag het menselijk genoom op een chip te genereren is ongelooflijk, zegt hij. Eos gebruikt de chips als een platform om genetische activiteit in normale menselijke cellen en bijvoorbeeld een borstkankercel te vergelijken. Computers kunnen dan de genen uitzoeken die alleen in de zieke cel actief zijn. Bovendien kunnen ze alleen die genen selecteren die de beste doelen voor medicijnen vormen.

Volgens het traditionele paradigma voor de ontwikkeling van geneesmiddelen, beginnen onderzoekers, zodra ze een reeks potentiële doelen hebben geïdentificeerd, door te stoten naar dier- en mensproeven, met weloverwogen gissingen over welke potentiële medicijnen effectief kunnen zijn tegen een bepaald doelwit, en welke van die kandidaat-geneesmiddelen mogelijk toxische bijwerkingen hebben. Vaak is het pas veel later in het proces dat de problemen van een kandidaat aan het licht komen - tegen een enorme kostenpost in tijd en geld.

Daarentegen blijft Eos microarrays en andere hoogvolume genomische technieken gebruiken om de medicijnen te testen, beter te voorspellen welke het meest effectief en het minst toxisch zullen zijn voordat de duurdere tests zelfs beginnen. Volgens Mack zien we gegevensgestuurde wetenschap nu, wat niet het vorige paradigma was. Mede dankzij het gebruik van DNA-chips is het bedrijf van plan om in het komende jaar te beginnen met het klinisch testen van zijn eerste medicijn - dat het vermogen van een tumor aanvalt om zijn eigen levensondersteunende bloedtoevoer te genereren -met meer dan een dozijn andere geneesmiddelen tegen kanker die naar verwachting snel zullen volgen. De belofte van deze technologieën om patiënten te beïnvloeden is eindelijk hier, zegt hij.

Hoewel DNA-chips pas een jaar of vijf bestaan, hebben ze al geholpen om een ​​aantal nieuwe medicijnen in de pijplijn van farmaceutische bedrijven te krijgen en om veel potentiële nieuwe medicijndoelen en bronnen voor eerdere diagnoses te identificeren. waarschijnlijk dat kankertherapie de komende tien jaar zowel complexer als effectiever zal worden. Uiteindelijk zal de kankervingerafdruk van elke patiënt precies de juiste medicijncocktail of combinatie van therapieën krijgen. Artsen zullen nieuwe hulpmiddelen hebben om kanker veel eerder te diagnosticeren en te behandelen - wanneer de kansen op genezing veel beter zijn - en om de voortgang van een patiënt te volgen, zodat tumoren geen resistentie ontwikkelen tegen de behandeling.

Het kan meer dan een decennium duren voordat dergelijke praktijken de norm worden, maar als en wanneer ze dat doen, zullen ze alles veranderen voor mensen als John Leventhal. Zijn (verkeerde) diagnose van longkanker kwam toen hij de leeftijd had waarop zijn eigen vader kreeg nieuws over de kanker die hem uiteindelijk het leven kostte - een feit dat Leventhals angst opvoerde toen hij hoorde dat hij misschien kanker had. Maar als zijn kinderen ooit in dezelfde schoenen zouden staan, hebben ze misschien lang niet zoveel te vrezen.

zich verstoppen