Niet invasieve detectie van kanker in een vroeg stadium door analyse van genoom brede fragmentatie van cel-vrij DNA

Achtergrond

In recente jaren is ontdekt dat relatief kleine fragmenten van genetisch materiaal (het genoom), met name DNA, uit cellen terecht kan komen in bloed en urine. Dit zogenaamde cell-vrije DNA kan iets zeggen over de gezondheidstoestand van individuen en wordt inmiddels breed toegepast in prenatale diagnostiek. De zogenaamde niet-invasieve zwangerschaps (NIPT) test is daar een voorbeeld van. Dit testen worden ook wel ’liquid biopsies’genoemd en kan ook gebruikt worden voor de detectie van kanker aan de hand van tumor DNA fragmenten die uit tumorweefsel ontsnappen en in het bloed circuleren

Traditioneel wordt ctDNA gedetecteerd door de aanwezigheid van tumor-specifieke genetische mutaties te te meten. Methodes die gebaseerd zijn op het testen van kanker gerelateerde mutaties zijn theoretisch zeer geschikt voor het selecteren van de juiste ‘gerichte’ therapie maar deze hebben tot op heden nog niet geleid tot wijd verspreid  gebruik in de kliniek omdat de gevoeligheid nog (te) laag is. Aangezien het overgrote deel van ctDNA in de circulatie geen mutaties bevat, en met de juiste technieken zou deze nu grotendeels onbenutte bron van tumor informatie, gebruikt kunnen worden om de detectie van kanker te verbeteren.  Met name bij kanker in een vroeg stadium of tijdens therapie zou het niet niet gemuteerde DNA wel eens van zeer groot belang kunnen zijn.
 

Doel

Het doel van dit project is om nieuwe technologieën te ontwikkelen en deze te combineren met basiskennis in de biologie om het cel-vrije genoom en epigenoom in kaart te brengen door middel van sequencen. Met deze techniek kunnen in een keer alle genetische fragmenten nauwkeurig in kaart worden gebracht en geordend worden met geavanceerde analyses. Dit willen we doen we voor verscheidene soorten kanker waarin er urgente behoeftes zijn om deze  vroeg en nauwkeurig te detecteren. Met name zullen wij blood en urine monsters analyseren van patiënten met longcarcinoom en niercelcarcinoom. Verschillende kenmerken worden afgeleid uit een grote dataset, waarbij de focus vooral ligt op de herkomst van het ctDNA (uit welk weefsel is het ctDNA afkomstig?) en het mechanisme achter de uitscheiding van het ctDNA. Zo verbeteren we de sensitiviteit en specificiteit van detectie voor deze soorten kanker op een kosten efficiënte manier.

Methoden

Dit project zal gebruik maken van de expertise en middelen van twee laboratoria die pionier zijn in het veld van liquid biopsy biologie. Het Mouliere lab in het Amsterdam UMC, locatie VUmc, en het Chandrananda lab in het Peter MacCallum Cancer Centre, Melbourne, zullen low coverage whole genome sequencing (sWGS) toepassen om kanker specifieke copy number variaties te detecteren en genoom brede fragmentatie van tumor-afgeleid ‘cell–free’ DNA (cfDNA). Het ‘genoombrede’ fragmentatie patroon van cfDNA is een directe indicator voor zowel het mechanisme van uitscheiding en de cel van herkomst van het cfDNA in een liquid biopsy. Een atlas van cfDNA specifieke kenmerken op zowel genoom breed als lokaal niveau zal worden geconstrueerd van supernatant van celkweek en plasma en urine samples afkomstig van kanker patiënten.

Het Mouliere lab heeft aan de hand van bloed van niercelcarcinoom en hersentumoren reeds aangetoond dat cfDNA fragmentatie op zichzelf al een veelbelovende biomarker is in het bloed van niercelcarcinoom en hersentumoren en stelt voor om deze aanpak te gebruiken om zo de detectie van kanker (in een vroeg stadium) te verbeteren door urine samples te gebruiken.

Het Chandrananda lab heeft bioinformatica en machine learning methodes ontwikkeld om nieuwe kanker-specifieke informatie uit een liquid biopsy te gebruiken. Het Mouliere en Chandrananda lab zullen ondersteund worden door vooraanstaande clinici in Nederland (Dr. Bahce van het VUmc en Dr. Bex van het NKI), en door het VUmc Liquid Biopsy Center (LBC). Het overgrote deel van plasma en urine samples zijn al afgenomen en opgeslagen in de LBC bio-bank. Voor elk sample zal een cel-vrij fragmentatie analyse worden gedaan met behulp van sWGS, in totaal zullen meer dan >1000 samples geanalyseerd worden, om zo de meest uitgebreide genoom brede fragmentatie atlas voor deze kanker soorten op te stellen, en met name voor longcarcinoom in een vroeg stadium. Wij verwachten dat het combineren van de analyse van copy number variaties en cfDNA genoom brede fragmentatie de vroegtijdige detectie van kanker, met het gebruik van plasma en urine samples, verder zal verbeteren.
 

Implementatie van resultaten

Dit project zal de eerste grootschalige studie zijn die het cfDNA genoom en epigenoom combineert met het gebruik van plasma en urine samples om de detectie van kanker in een vroeg stadium te verbeteren. Wij zullen de relatie tussen cfDNA genoom brede fragmentatie en herkomst uit tumor weefsel ontcijferen en aanvullen om kosten efficiënt de detectie van kanker met plasma en urine samples te kunnen verbeteren. De resultaten zullen toekomstige klinische trials helpen om de volledige potentie van liquid biopsies te bereiken in de vroegtijdige detectie van kanker.