DNA-chips riktar mot cancer

Som förberedelse för en mindre operation behövde John Leventhal en rutinmässig lungröntgen. När läkaren i New Haven, CT, anslöt sig till radiologen som undersökte filmen, blev han chockad av vad han såg: en ogenomskinlig fläck djupt i hans lunga. Som läkare, säger Leventhal, lär du dig i läkarutbildningen att när du ser en sådan massa betyder det lungcancer. Leventhals medicinska utbildning lärde honom också att för att bekräfta diagnosen skulle hans läkare behöva spricka upp hans bröstkorg för att få en bit av den misstänkta vävnaden som skulle undersökas noggrant av en patolog - en extremt smärtsam och farlig operation. Helgen före operationen åkte Leventhal iväg på en skidsemester för familjen. Han minns att han tänkte: Det här är sista gången jag ska åka skidor på länge, länge.

Det var fem år sedan. Idag kan läkarkårens sätt att hantera cancer vara på väg att förändras. Ungefär samtidigt som Leventhal genomgick
kirurgi började forskare vid Stanford University och Santa Clara, CA-baserad startup Affymetrix bygga de första DNA-mikroarrayerna. Mer kända som DNA-chips, dessa är DNA-täckta kisel-, glas- eller plastskivor som kan analysera tusentals gener åt gången för att , till exempel identifiera de som är aktiva i ett urval av celler. Nu verkar dessa mikroarrayer redo att gå med i kriget mot cancer. DNA-chips, förutspår National Cancer Institute-direktör Richard Klausner, kommer att ha en enorm effekt på diagnosen och behandlingen av sjukdomen.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2001

• Se resten av frågan
• Prenumerera

En anledning till spänningen är att DNA-chips erbjuder ett helt nytt - och potentiellt mycket tidigare, enklare och mer exakt sätt att upptäcka cancerceller. De flesta former av cancer går obemärkt förbi tills knölar, hosta eller smärtor utvecklas, då det ofta är för sent. Och även då, när en patolog väl får en biopsi från en tumör, kan det vara svårt eller till och med omöjligt att skilja en cancerform från en annan med befintliga tekniker, som innebär att man noterar förvrängningar i cellernas arkitektur under ett mikroskop. Bättre diagnostisk information skulle kunna användas för att fatta bättre behandlingsbeslut, kanske göra skillnaden mellan liv och död.

inom de kommande två åren förväntar sig patologer att börja använda DNA-chip-baserade verktyg för att upptäcka genetiska skillnader mellan celler; dessa skillnader kan användas för att upptäcka cancerceller långt innan symtom utvecklas och för att skilja en typ av cancer från en annan. Kort sagt kommer chipsen att ge en genetisk profil av en cancercell som kan läsas som en brottslings rapblad. Läkaren kommer att veta var cancercellen har sitt ursprung, hur långt den har kommit och vilka behandlingar som fungerar bäst för att stoppa dess fortsatta tillväxt och spridning.

Leventhal hade tur. Hans lungbiopsi var negativ och han var tillbaka i backen nästa vinter. Men det tog honom en månad att återhämta sig från biopsioperationen, och i dag har han ett ilsket ärr mitt på bröstet för att påminna honom om prövningen. I slutet av årtiondet är det troligt att en patient som Leventhal kommer att kunna hoppa över invasiva diagnostiska procedurer helt och hållet. En DNA-chip-baserad enhet kanske kan läsa ett sputumprov direkt på läkarmottagningen och kontrollera de genetiska förändringarna i lungcellerna som naturligt slängs av i den trögflytande vätskan. Om nyheterna är dåliga kan patienten mycket väl ha en mängd nya behandlingsalternativ. Det beror på att DNA-chips också påskyndar upptäckten av nya och bättre cancerläkemedel. Vi står på tröskeln till en ny era, säger Klausner. Teknologier som DNA-chips kommer inte bara att berätta för oss att något kan vara fel, utan vad det är och vad vi kan göra åt det.

Samlingshastighet

Med en av två män och en av tre kvinnor i USA sannolikt att få cancer någon gång i sitt liv - och omkring 560 000 amerikaner förväntas dö av sjukdomen bara i år, enligt American Cancer Society - framsteg kan inte komma snabbt nog. Så många som 500 forskningslaboratorier inom den akademiska världen och industrin använder redan DNA-chips för att ta fram svepande nya genetiska bilder av olika cancerformer. 1999 gav National Cancer Institute enbart 4,1 miljoner dollar till 24 amerikanska akademiska cancerinstitutioner för att inrätta eller uppgradera mikroarraycenter. Samtidigt utnyttjar läkemedels- och bioteknikindustrin information från DNA-chips för att utveckla nya och bättre diagnostiska tester och mer effektiva läkemedel mot cancer med färre biverkningar. Faktum är att alla de stora läkemedelsföretagen och minst ett dussin bioteknikföretag redan använder DNA-chips för att ta itu med cancer.

Samtidigt ser stora tillverkningsföretag som Agilent Technologies, Corning och Motorola potentialen med DNA-chips. Alla tre har allierat sig med akademiska forskningscentra för att ta fram DNA-chips som kommer att analysera gener relaterade till specifika cancerformer. Och även om DNA-chips för tillfället är alldeles för dyra för att konkurrera med befintliga diagnostiska tekniker, kan inblandningen av dessa tillverkare och deras produktionsanläggningar sänka priserna så låga som 10 USD för ett chip, när produktionen av stora volymer växlar upp.

Naturligtvis, för att DNA-chips ska hjälpa till att vinna kriget mot cancer, kommer det att ta avsevärda ansträngningar - och år av ytterligare utveckling. För det första genererar DNA-chips massor av data, och forskare kommer att behöva förbättra sina beräkningsmöjligheter och spika fast datastandarder för att förstå det hela ( ser Gene Babel , TR april 2001 ). Och alla nya läkemedel eller diagnostiska apparater måste bevisa sig själva i kliniska prövningar. Men de första frukterna av ansträngningarna att applicera DNA-chips på cancer - nya diagnostiska verktyg - kan börja rädda liv så tidigt som i slutet av nästa år. De första anticancerläkemedlen som utvecklats med hjälp av DNA-chips kommer att ingå i mänskliga försök ungefär samtidigt, med dussintals fler att följa. Med alla dessa nya verktyg tillgängliga, kan för närvarande obehandlade former av cancer, en dag, inte längre innebära dödsdomar.

Profiler i cancer

Det första steget mot denna storslagna vision är att generera en profil av de gener som aktiveras eller stängs av när en normal cell blir cancerös. Medan de flesta gener är tysta i en given cell vid varje given tidpunkt, är de som är aktiva eller uttrycks, berätta mycket om den cellens hälsa. Och även om många av oss tenderar att tänka på sjukdomar som orsakade av särskilda gener - säg genen för Huntingtons sjukdom eller cystisk fibros - involverar de flesta sjukdomar faktiskt komplicerade interaktioner mellan en stor uppsättning olika gener. Men precis som en persons fingeravtryck kan särskiljas från praktiskt taget alla andra genom bara ett litet antal skillnader, kan ett slags genetiskt fingeravtryck, kanske involverande hundra aktiva gener eller ännu färre, särskilja celler som visar även de allra tidigaste tecknen på cancer.

Det fina med att använda en teknik som DNA-chips för att hitta dessa fingeravtryck, säger Klausner, är att vi inte är begränsade av förutfattade meningar eller föreställningar. Med andra ord behöver cancerutredare inte längre partiska sina experiment genom att individuellt titta på de gener som de misstänker kan vara involverade i en viss cancer. Istället för att fokusera på en gen, förklarar National Cancer Institute-forskaren Louis Staudt, får vi med mikroarrayer titta på hela genomet och låta cancercellen berätta för oss vilka de viktiga generna är.

Flaggskeppet i National Cancer Institutes ansträngningar att visa giltigheten av DNA-chip-metoden är det så kallade Lymphoma/Leukemia Molecular Profiling Project, som leds av Staudt. Studien tittar på diffust stort B-cellslymfom, en relativt vanlig cancer i vita blodkroppar som drabbar mer än 15 000 personer i USA varje år. När onkologer ger dessa patienter standardkemoterapibehandlingar svarar cirka 40 procent snabbt. Deras cancer smälter bort och majoriteten lever fortfarande fem år efter diagnosen. Men av de övriga 60 procenten har de flesta inte lika tur. Cancern kan gå i remission kort, men när den kommer tillbaka kommer den tillbaka med en hämnd. Ett fåtal patienter drar då nytta av strålbehandlingar och benmärgstransplantationer, men för de flesta är det redan för sent att stoppa spridningen av sjukdomen. Uppenbarligen är det något annorlunda med de två grupperna, men under en patologs mikroskop ser deras cancerceller identiska ut.

Det överraskande svaret är att dessa patienter reagerar olika på behandlingen eftersom de i själva verket lider av helt olika typer av lymfom. Med hjälp av vad de kallade ett lymfochip, ett skräddarsytt Affymetrix DNA-chip, upptäckte Staudt och en grupp på Stanford under ledning av genetikern David Botstein distinkta genetiska skillnader mellan cancerformerna hos patienter med stort B-cellslymfom som dog och de som överlevde. Jag blev imponerad av det vi hittade, säger Botstein. I praktiken tittade de på två olika sjukdomar. Det är anmärkningsvärt, säger Staudt. Vi hittade något i denna sjukdom som saknats under alla år som patologer tittade på den.

Liknande projekt pågår nu för att profilera olika former av cancer, från olika typer av melanom till tjocktarmscancer. De flesta andra cancerformer visar bilder som liknar lymfom: vissa patienter blir bättre och andra inte, men att förutsäga vem som kommer att svara på behandlingar är omöjligt. Om det fanns något sätt att identifiera de patienter som inte svarar på standardkemoterapi, kan läkare omedelbart vända sig till alternativa behandlingar - och rädda liv. Faktum är att, säger Pat Brown, en genetiker vid Stanford University School of Medicine som hjälpte till att uppfinna en av de två huvudtyperna av DNA-chips, samma historia kommer ut för ett gäng cancerformer vi tittar på - cancer med olika kliniska resultat har olika molekylära subtyper . Och att känna till den exakta undertypen av cancer som drabbar en patient kan hjälpa läkare att välja rätt behandlingar, redan från början.

Perfekt upptäckt

När forskarna väl känner till fingeravtrycken för olika cancerformer, kommer de att kunna skapa skräddarsydda DNA-chips som läkare kan använda för att diagnostisera patienter med tidigare okänd noggrannhet. Säger Staudt, läroböckerna om cancerdiagnostik kommer att skrivas om under de kommande tre till fyra åren. [DNA-chipbaserad diagnostik] kommer mycket snart att bli rutinteknologi.

Men förmågan att läsa subtila genetiska förändringar kan tillåta läkare att göra mer än att precisera den exakta identiteten av en cancer; det kan också hjälpa dem att läsa tidiga varningstecken på att normala celler är på väg att bli cancerösa - långt innan sådana förändringar är uppenbara för en patolog. Det är i alla fall vad cancergenetikern Melvyn Tockman vid University of South Florida hoppas. Han och hans kollegor arbetar på en metod för tidig upptäckt av lungcancer – en metod som kan göra John Leventhals ärr till en kvarleva från den medicinska mörka tidsåldern.

Forskarna tar sputumprover från före detta rökare och använder DNA-chips för att analysera vilka gener som är aktiva i lungcellerna. Genom att jämföra den genetiska profilen för dessa skadade celler med profiler från både friska och cancerösa lungceller, hoppas Tockman hitta fingeravtrycket som indikerar att en cancer precis håller på att bildas. I framtiden kan en patient med risk för lungcancer ta ett enkelt DNA-chip-baserat test för detta genetiska fingeravtryck varje gång han gick på sin regelbundna kontroll.

Det är några år i framtiden, men den initiala utdelningen av DNA-chips för att upptäcka cancer kan komma ännu tidigare. Forskare använder redan chipsen för att identifiera kontrollproteiner som kan upptäckas med konventionella cancerscreeningsverktyg. Om en cancer har hundra unikt uttryckta gener, förklarar Mohan Iyer, vice VD för affärsutveckling vid Santa Clara, CA-baserade diaDexus, är hemkörningen att hitta ett [av de proteiner som generna kodar för] som kan användas i en enkelt blodprov för att screena individer för cancer. Om ett protein befanns vara unikt för en viss cancer, säger Iyer, skulle vanlig sjukhusutrustning lätt kunna upptäcka det i ett blodprov.

Med DNA-chipverktyg som nu hjälper till att identifiera de proteiner som är associerade med bröst-, lung-, tjocktarmscancer och äggstockscancer, för att nämna några, utvecklar Incyte Genomics, Corning och en handfull andra företag nya proteinbaserade screeningmetoder för diagnos av sjukdomarna . Dessa nya tester bör börja nå diagnostiska laboratorier inom de närmaste två åren eller så.

Åtgärder, snabbt

Men bättre diagnostik kommer att börja göra verklig skillnad först när de kombineras med mer effektiva behandlingar, behandlingar som är finjusterade för att bekämpa särskilda typer av cancer. Även om du kan urskilja 50 olika lymfom, säger Yale University School of Medicine-patolog Michael Kashgarian, vad spelar det för roll om det är typ A eller typ Z om behandlingen är densamma?

Inom detta område för upptäckt av cancerläkemedel spelar DNA-chips också en nyckelroll. Precis som den snabba analysen av ett stort antal gener hjälper till att profilera cancer för bättre diagnostik, ger den också värdefulla ledtrådar till hur man attackerar cancerceller.

Forskare har länge trott att utvecklingen av nya terapier skulle börja med att hitta cancerrelaterade gener, men de senaste två decennierna har varit fyllda av besvikelse. Stephen Friend, en gång onkologiforskare vid Whitehead Institute for Biomedical Research i Cambridge, MA, och nu verkställande direktör för Rosetta Inpharmatics i Seattle, skyller på vad han kallar min-favorit-gen-metoden. Biomedicinska forskare skulle spendera år på att spåra en gen som är associerad med en viss cancer, och sedan fortsätta på antagandet att den genen, eller proteinet den kodade för, skulle vara ett bra mål för nya läkemedel. Men, säger Friend, chansen var i 999 av 1 000 fall att du hade fel. Väldigt få gener arbetar ensamma och i så enkla och direkta relationer med kroppen för att orsaka sjukdom. Gud, var vi dumma! han säger.

Friend är nu övertygad om att tekniker som DNA-chips som gör att forskare kan hitta alla gener som är involverade i en sjukdom är vägen att gå. (Rosetta spelar en roll i sådan forskning genom att sälja mjukvara och andra tjänster för att läsa mikroarrayer.) DNA-chips kan inte bara hjälpa till att identifiera alla potentiella läkemedelsmål för en viss typ av tumör, de kan också hjälpa till att utesluta gener som är aktiva i friska vävnader. På så sätt kan läkemedelstillverkare utveckla exakt riktade behandlingar som dödar cancerceller utan att skada andra delar av kroppen. Läkemedel, säger Friend, kommer att utvecklas till en tiondel av kostnaden och på en tredjedel av tiden genom att förbättra målinriktningen och se till att föreningarna plocka inte upp oönskade biverkningar.

Eos Biotechnology, ett företag i South San Francisco som utvecklar nya cancerterapier med hjälp av DNA-chips från sin partner Affymetrix, slår vad om att han har rätt. I företagets labb håller vice vd för genomforskning David Mack upp ett av dessa chips, som innehåller praktiskt taget hela uppsättningen av mänskliga gener. Förmågan att generera det mänskliga genomet på ett chip idag är otrolig, säger han. Eos använder chipsen som en plattform för att jämföra genetisk aktivitet i normala mänskliga celler och, säg, en bröstcancercell. Datorer kan sedan sortera ut de gener som endast är aktiva i den sjuka cellen. Dessutom kan de välja just de gener som presenterar de bästa målen för läkemedel.

Under det traditionella läkemedelsutvecklingsparadigmet, när forskarna väl har identifierat en uppsättning potentiella mål, börjar de snubbla fram i djur- och människoförsök, med välgrundade gissningar om vilka potentiella läkemedel som kan vara effektiva mot ett givet mål, och vilka av dessa läkemedelskandidater kan har giftiga biverkningar.Mycket ofta är det först mycket senare i processen som en kandidats problem blir uppenbara - till en enorm kostnad i tid och pengar.

Däremot fortsätter Eos att använda mikroarrayer och andra genomiska tekniker med hög volym för att testa läkemedlen, för att bättre förutsäga vilka som kommer att vara den mest effektiva och minst giftiga innan mer kostsamma tester ens börjar. Enligt Mack ser vi datadrivna vetenskap nu, vilket inte har varit det tidigare paradigmet. Delvis tack vare användningen av DNA-chips planerar företaget att under det kommande året påbörja klinisk testning av sitt första läkemedel - som angriper en tumörs förmåga att generera sin egen livsuppehållande blodtillförsel -med mer än ett dussin andra läkemedel mot cancer som förväntas följa snabbt. Löftet om dessa teknologier att påverka patienter är här-äntligen, säger han.

Även om DNA-chips bara har funnits i fem år eller så, har de redan hjälpt till att få in ett antal nya läkemedel i läkemedelsföretagens pipelines och att identifiera många potentiella nya läkemedelsmål och källor för tidigare diagnos. Med dessa framsteg är det sannolikt kommer cancerterapi att bli både mer komplex och effektivare under det kommande decenniet. Så småningom kommer varje patients cancerfingeravtryck att mötas med precis rätt läkemedelscocktail, eller kombination av terapier. Läkare kommer att ha nya verktyg för att diagnostisera och behandla cancer mycket tidigare - när chanserna att bota är mycket bättre - och för att övervaka en patients framsteg, för att säkerställa att tumörer inte utvecklar resistens mot behandlingen.

Det kan ta mer än ett decennium innan sådana metoder blir normen, men om och när de gör det kommer de att förändra allt för människor som John Leventhal. Hans (fel)diagnos av lungcancer kom när han var i den ålder då hans egen far fick nyheter om cancern som till slut dödade honom - ett faktum som ökade Leventhals skräck när han fick reda på att han kunde ha cancer. Men skulle hans barn någonsin hitta sig själva i samma skor, kanske de inte har alls lika mycket att frukta.

Dölj