DNA-chips er målrettet mod kræft

Som forberedelse til en mindre operation havde John Leventhal brug for en rutinemæssig røntgen af ​​thorax. Da lægen i New Haven, CT, sluttede sig til radiologen, der undersøgte filmen, var han chokeret over, hvad han så: en uigennemsigtig plet dybt i hans lunge. Som læge, siger Leventhal, bliver du undervist i medicinstudiet, at når du ser sådan en masse, betyder det lungekræft. Leventhals medicinske uddannelse lærte ham også, at for at bekræfte diagnosen, ville hans læger være nødt til at åbne hans brystkasse for at få et stykke af det mistænkte væv, der ville blive nøje undersøgt af en patolog - en ekstremt smertefuld og farlig operation. Weekenden før operationen tog Leventhal på en familieskiferie. Han husker, at han tænkte: Det er sidste gang, jeg vil stå på ski i lang, lang tid.

Det var fem år siden. I dag kan lægestandens måde at håndtere kræft på være ved at ændre sig. Omtrent på samme tid som Leventhal gennemgik
kirurgi begyndte forskere ved Stanford University og Santa Clara, CA-baserede startup Affymetrix at bygge de første DNA-mikroarrays. Mere almindeligt kendt som DNA-chips, disse er DNA-dækket silicium, glas eller plastikskiver, der er i stand til at analysere tusindvis af gener ad gangen for at , for eksempel identificere dem, der er aktive i en prøve af celler. Nu ser disse mikroarrays ud til at være klar til at deltage i krigen mod kræft. DNA-chips, forudser National Cancer Institute-direktør Richard Klausner, vil få en enorm effekt på diagnosticering og behandling af sygdommen.

Denne historie var en del af vores juli 2001-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

En grund til begejstringen er, at DNA-chips tilbyder en helt ny - og potentielt meget tidligere, nemmere og mere præcis måde at opdage kræftceller på. De fleste former for kræftformer går ubemærket hen, indtil der udvikles klumper, hoste eller smerter, hvorefter det ofte er for sent. Og selv da, når først en patolog får en biopsi fra en tumor, kan det være svært eller endda umuligt at skelne en form for kræft fra en anden med eksisterende teknikker, som involverer at bemærke forvrængninger i cellernes arkitektur under et mikroskop. Bedre diagnostisk information kunne bruges til at træffe bedre behandlingsbeslutninger, måske gøre forskellen mellem liv og død.

inden for de næste to år forventer patologer at begynde at bruge DNA-chip-baserede værktøjer til at opdage genetiske forskelle mellem celler; disse afslørende forskelle kunne bruges til at hjælpe med at opdage kræftceller længe før symptomer udvikler sig og til at skelne en type kræft fra en anden. Kort sagt vil chipsene give en genetisk profil af en kræftcelle, der kan læses som en kriminel rap-ark. Lægen vil vide, hvor kræftcellen stammer fra, hvor langt den er nået frem, og hvilke terapier der vil virke bedst for at standse dens videre vækst og spredning.

Leventhal var heldig. Hans lungebiopsi var negativ, og han var tilbage på pisterne næste vinter. Men det tog ham en måned at komme sig fra biopsioperationen, og i dag har han et vredt ar midt på brystet for at minde ham om prøvelsen. Ved udgangen af ​​årtiet er det sandsynligt, at en patient som Leventhal helt vil være i stand til at springe invasive diagnostiske procedurer over. En DNA-chip-baseret enhed kan muligvis aflæse en opspytprøve lige på lægens kontor og tjekke for de genetiske ændringer i lungecellerne, der naturligt sluses ud i den viskøse væske. Hvis nyheden er dårlig, kan patienten meget vel have et væld af nye behandlingsmuligheder. Det skyldes, at DNA-chips også fremskynder opdagelsen af ​​nye og bedre kræftlægemidler. Vi står på tærsklen til en ny æra, siger Klausner. Teknologier som DNA-chips vil ikke kun fortælle os, at noget kan være galt, men hvad det er, og hvad vi kan gøre ved det.

Indsamlingshastighed

Med en ud af hver to mænd og en ud af hver tredje kvinde i USA, der sandsynligvis vil få kræft på et tidspunkt i deres liv - og omkring 560.000 amerikanere forventes at dø af sygdommen alene i år, ifølge American Cancer Society - fremskridt kan ikke komme hurtigt nok. Så mange som 500 forskningslaboratorier i den akademiske verden og industrien bruger allerede DNA-chips til at udvikle omfattende nye genetiske billeder af forskellige kræftformer. I 1999 gav National Cancer Institute alene 4,1 millioner dollars til 24 amerikanske akademiske kræftinstitutioner for at oprette eller opgradere mikroarray-centre. I mellemtiden trækker medicinal- og biotekindustrien på information indsamlet fra DNA-chips for at udvikle nye og bedre diagnostiske tests og mere effektive kræftmedicin med færre bivirkninger. Faktisk bruger alle de store lægemiddelvirksomheder og mindst et dusin biotekvirksomheder allerede DNA-chips til at tackle kræft.

Samtidig ser store produktionsvirksomheder som Agilent Technologies, Corning og Motorola potentialet i DNA-chips. Alle tre har allieret sig med akademiske forskningscentre for at komme med DNA-chips, der vil analysere gener relateret til specifikke kræftformer. Og selvom DNA-chips i øjeblikket er alt for dyre til at konkurrere med eksisterende diagnostiske teknologier, kan involvering af disse producenter og deres produktionsfaciliteter sænke priserne så lavt som $10 for en chip, når en stor mængde produktion gearer op.

For DNA-chips at hjælpe med at vinde krigen mod kræft, vil det naturligvis kræve en betydelig indsats - og mange års videre udvikling. For det første genererer DNA-chips tonsvis af data, og forskere bliver nødt til at forbedre deres computerkapacitet og fastgøre datastandarder for at give mening ud af det hele ( se Gene Babel , TR april 2001 ). Og enhver ny medicin eller diagnostisk udstyr skal bevise sig selv i kliniske forsøg. Men de første frugter af bestræbelserne på at anvende DNA-chips til kræft - nye diagnostiske værktøjer - kunne begynde at redde liv allerede i slutningen af ​​næste år. De første kræftlægemidler, der er udviklet ved hjælp af DNA-chips, vil gå ind i menneskelige forsøg omkring samme tid, med snesevis mere til at følge. Med alle de nye værktøjer til rådighed, kan kræftformer, der i øjeblikket ikke kan behandles, en dag ikke længere betyde dødsdomme.

Profiler i Kræften

Det første skridt mod det store syn er at generere en profil af de gener, der aktiveres eller lukkes ned, når en normal celle bliver kræft. Mens de fleste gener er stille i en given celle på et givet tidspunkt, er de, der er aktive eller udtrykt, fortælle meget om den celles helbred. Og selvom mange af os har en tendens til at tænke på, at sygdomme er forårsaget af bestemte gener - f.eks. genet for Huntingtons sygdom eller cystisk fibrose - involverer de fleste sygdomme faktisk komplicerede interaktioner mellem et stort sæt af forskellige gener. Men ligesom en persons fingeraftryk kan skelnes fra praktisk talt alle andre ved blot et lille antal forskelle, kunne en slags genetisk fingeraftryk, måske involverer hundrede aktive gener eller endnu færre, skelne celler, der viser selv de allertidligste tegn på kræft.

Det smukke ved at bruge en teknologi som DNA-chips til at finde disse fingeraftryk, siger Klausner, er, at vi ikke er begrænset af forudfattet viden eller forestillinger. Kræftforskere behøver med andre ord ikke længere at fordreje deres eksperimenter ved at se individuelt på de gener, som de har mistanke om kan være involveret i en bestemt kræftsygdom. I stedet for at fokusere på ét gen, forklarer National Cancer Institute-forsker Louis Staudt, får vi med mikroarrays at se på hele genomet og lade kræftcellen fortælle os, hvad de vigtige gener er.

Flagskibet i National Cancer Institutes bestræbelser på at demonstrere validiteten af ​​DNA-chip-tilgangen er det såkaldte Lymphoma/Leukemia Molecular Profiling Project, som ledes af Staudt. Undersøgelsen ser på diffust storcellet B-celle lymfom, en relativt almindelig kræftsygdom i de hvide blodlegemer, der rammer mere end 15.000 mennesker i USA hvert år. Når onkologer giver disse patienter standard kemoterapibehandlinger, reagerer omkring 40 procent hurtigt. Deres kræft smelter væk, og størstedelen er stadig i live fem år efter diagnosen. Men af ​​de andre 60 procent er de fleste ikke så heldige. Kræften kan gå i remission kortvarigt, men når den vender tilbage, kommer den tilbage med en hævn. Nogle få patienter har på det tidspunkt gavn af strålebehandlinger og knoglemarvstransplantationer, men for de fleste er det allerede for sent at stoppe spredningen af ​​sygdommen. Det er klart, at der er noget forskelligt ved de to grupper, men under en patologs mikroskop ser deres kræftceller identiske ud.

Det overraskende svar er, at disse patienter reagerer forskelligt på behandlingen, fordi de faktisk lider af helt andre typer lymfomer. Ved at bruge det, de kaldte en Lymphochip, en tilpasset Affymetrix DNA-chip, opdagede Staudt og en gruppe på Stanford ledet af genetiker David Botstein markante genetiske forskelle mellem kræftsygdomme hos patienter med stort B-celle lymfom, der døde, og dem, der overlevede. Jeg blev blæst bagover af det, vi fandt, siger Botstein. Faktisk så de på to forskellige sygdomme. Det er bemærkelsesværdigt, siger Staudt. Vi fandt noget i denne sygdom, som var savnet i alle de år, patologer kiggede på den.

Lignende projekter er nu på vej til at profilere forskellige former for kræft, fra forskellige former for melanom til tyktarmskræft. De fleste andre kræftformer viser billeder, der ligner lymfomer: nogle patienter får det bedre, og nogle gør det ikke, men det er umuligt at forudsige, hvem der vil reagere på behandlinger. Hvis der var en måde at identificere de patienter, der ikke vil reagere på standard kemoterapi, kunne læger straks henvende sig til alternative behandlinger - og redde liv. Faktisk, siger Pat Brown, en genetiker ved Stanford University School of Medicine, der hjalp med at opfinde en af ​​de to hovedtyper af DNA-chips, Den samme historie kommer ud for en masse kræftformer, vi ser på - kræft med forskellige kliniske resultater har forskellige molekylære undertyper . Og at kende den præcise undertype af kræft, der rammer en patient, kan hjælpe lægerne med at vælge de rigtige behandlinger lige fra starten.

Perfektion af detektion

Når forskerne kender fingeraftrykkene fra forskellige kræftformer, vil de være i stand til at fremstille skræddersyede DNA-chips, som læger kan bruge til at diagnosticere patienter med hidtil uhørt nøjagtighed. Siger Staudt, Lærebøgerne om kræftdiagnostik vil blive omskrevet i løbet af de næste tre til fire år. [DNA-chip-baseret diagnostik] vil meget snart blive rutinemæssig teknologi.

Men evnen til at læse subtile genetiske ændringer kunne give læger mulighed for at gøre mere end at udpege den nøjagtige identitet af en kræftsygdom; det kunne også hjælpe dem med at læse de tidlige advarselstegn på, at normale celler er ved at blive kræft - længe før sådanne ændringer er tydelige for en patolog. Det er i hvert fald, hvad kræftgenetikeren Melvyn Tockman fra University of South Florida håber. Han og hans kolleger arbejder på en tidlig opdagelsesmetode for lungekræft - en metode, der kan gøre John Leventhals ar til et levn fra den medicinske mørke middelalder.

Forskerne tager sputumprøver fra tidligere rygere og bruger DNA-chips til at analysere, hvilke gener der er aktive i lungecellerne. Ved at sammenligne den genetiske profil af disse beskadigede celler med profiler fra både raske og kræftsygdomme lungeceller, håber Tockman at finde det fingeraftryk, der indikerer, at en kræft netop er ved at dannes. I fremtiden kan en patient med risiko for lungekræft tage en simpel DNA-chip-baseret test for dette genetiske fingeraftryk, hver gang han gik til sit regelmæssige eftersyn.

Det er et par år ude i fremtiden, men det første udbytte af DNA-chips til at opdage kræft kan komme endnu hurtigere. Forskere bruger allerede chipsene til at identificere afslørende proteiner, der kan påvises med konventionelle kræftscreeningsværktøjer. Hvis en kræftsygdom har hundrede unikt udtrykte gener, forklarer Mohan Iyer, vicepræsident for forretningsudvikling hos Santa Clara, CA-baserede diaDexus, er hjemmets hit at finde et [af de proteiner, disse gener koder for], som kan bruges i en simpel blodprøve for at screene individer for kræft. Hvis et protein blev fundet at være unikt for en bestemt kræftsygdom, siger Iyer, kunne standard hospitalsudstyr nemt opdage det i en blodprøve.

Med DNA-chip-værktøjer, der nu hjælper med at identificere de proteiner, der er forbundet med bryst-, lunge-, tyktarms- og ovariekræft, for at nævne nogle få, udvikler Incyte Genomics, Corning og en håndfuld andre virksomheder nye proteinbaserede screeningsmetoder til diagnosticering af sygdommene . Disse nye test skulle begynde at nå diagnostiske laboratorier i løbet af de næste to år eller deromkring.

Midler, hurtigt

Men bedre diagnostik vil først begynde at gøre en reel forskel, når de kombineres med mere effektive behandlinger, behandlinger, der er finjusteret til at bekæmpe bestemte typer kræft. Selvom du kan skelne mellem 50 forskellige lymfomer, siger Yale University School of Medicine-patolog Michael Kashgarian, hvad betyder det så, om det er type A eller type Z, hvis terapien er den samme?

På dette område af opdagelse af kræftlægemidler spiller DNA-chips også en nøglerolle. Ligesom den hurtige analyse af en lang række gener er med til at profilere kræft til bedre diagnostik, giver den også værdifulde ledetråde til, hvordan man angriber kræftceller.

Forskere har længe troet, at udvikling af nye terapier ville begynde med at finde kræftrelaterede gener, men de sidste to årtier har været fyldt med skuffelse. Stephen Friend, engang onkologiforsker ved Whitehead Institute for Biomedical Research i Cambridge, MA, og nu administrerende direktør for Rosetta Inpharmatics i Seattle, bebrejder det, han kalder mit-favorit-gen-tilgangen. Biomedicinske forskere ville bruge år på at spore et gen, der er forbundet med en bestemt kræftsygdom, og derefter fortsætte ud fra den antagelse, at det gen, eller det protein, det kodede for, ville være et godt mål for nye lægemidler. Men, siger Friend, chancerne var i 999 ud af 1.000 tilfælde, at du tog fejl. Meget få gener arbejder alene og i så enkle og direkte forhold til kroppen for at forårsage sygdom. Gud, var vi dumme! han siger.

Friend er nu overbevist om, at teknologier såsom DNA-chips, der gør det muligt for forskere at finde alle de gener, der er involveret i en sygdom, er vejen at gå. (Rosetta spiller en rolle i sådan forskning ved at sælge software og andre tjenester til læsning af mikroarrays.) Ikke alene kan DNA-chips hjælpe med at identificere alle de potentielle lægemiddelmål for en given type tumor, de kan også hjælpe med at udelukke de gener, der er aktive i sundt væv. På den måde kan lægemiddelproducenter udvikle præcist målrettede behandlinger, der dræber kræftceller uden at beskadige andre dele af kroppen. Lægemidler, siger Friend, vil blive udviklet til en tiendedel af prisen og på en tredjedel af tiden ved at forbedre målretningen og sikre forbindelser opfang ikke uønskede bivirkninger.

Eos Biotechnology, en virksomhed fra det sydlige San Francisco, der udvikler nye kræftbehandlinger ved hjælp af DNA-chips fra sin partner Affymetrix, satser på, at han har ret. I virksomhedens laboratorier holder vicepræsident for genomforskning, David Mack, en af ​​de chips, som indeholder stort set hele sættet af menneskelige gener. Evnen til at generere det menneskelige genom på en chip i dag er utrolig, siger han. Eos bruger chipsene som en platform til at sammenligne genetisk aktivitet i normale menneskelige celler og f.eks. en brystkræftcelle. Computere kan så sortere de gener fra, der kun er aktive i den syge celle. Desuden kan de udvælge netop de gener, der præsenterer de bedste mål for lægemidler.

Under det traditionelle lægemiddeludviklingsparadigme begynder forskerne, når først forskerne har identificeret et sæt potentielle mål, at snuble i dyre- og menneskeforsøg med veluddannede bud på, hvilke potentielle lægemidler der kan være effektive mod et givet mål, og hvilke af disse lægemiddelkandidater evt. har toksiske bivirkninger. Meget ofte er det først meget senere i processen, at en kandidats problemer bliver tydelige - med store omkostninger i tid og penge.

I modsætning hertil fortsætter Eos med at bruge mikroarrays og andre højvolumen-genomiske teknikker til at teste stofferne, hvilket bedre kan forudsige, hvilke der vil være den mest effektive og den mindst toksiske, før dyrere test overhovedet begynder. Ifølge Mack ser vi datadrevet videnskab nu, hvilket ikke har været det tidligere paradigme. Til dels takket være brugen af ​​DNA-chips planlægger virksomheden i det kommende år at påbegynde klinisk afprøvning af sit første lægemiddel - som angriber en tumors evne til at generere sin egen livsopretholdende blodforsyning -med mere end et dusin andre kræftlægemidler, der forventes at følge hurtigt. Løftet om disse teknologier til at påvirke patienter er her-endelig, siger han.

Mens DNA-chips kun har eksisteret i fem år eller deromkring, har de allerede hjulpet med at få en række nye lægemidler ind i farmaceutiske virksomheders pipelines og til at identificere mange potentielle nye lægemiddelmål og kilder til tidligere diagnose. Med disse fremskridt er det sandsynligt, at kræftbehandling vil blive både mere kompleks og mere effektiv i løbet af det næste årti. Til sidst vil hver patients kræftfingeraftryk blive mødt med den helt rigtige lægemiddelcocktail eller kombination af terapier. Læger vil have nye værktøjer til at diagnosticere og behandle kræftsygdomme meget tidligere - når chancerne for helbredelse er langt bedre - og til at overvåge en patients fremskridt for at sikre, at tumorer ikke udvikler resistens mod behandlingen.

Det kan tage mere end et årti, før sådan praksis bliver normen, men hvis og når de gør det, vil de ændre alt for folk som John Leventhal. Hans (fejl)diagnosticering af lungekræft kom, da han var i den alder, hvor hans egen far fik nyheder om kræften, der til sidst dræbte ham - et faktum, der øgede Leventhals rædsel, da han fandt ud af, at han muligvis havde kræft. Men skulle hans børn nogensinde finde sig selv i de samme sko, vil de måske ikke have nær så meget at frygte.

skjule