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O cancro é mais tratável nas suas fases iniciais, pelo que encontrar métodos inovadores e não invasivos para diagnosticar o cancro precocemente é crucial para combater a doença. As biópsias líquidas, que requerem apenas uma simples coleta de sangue, são uma tecnologia emergente para testes não invasivos de câncer usando sequenciamento de DNA ou RNA do sangue de um paciente.
O professor assistente de Engenharia Biomolecular Daniel Kim e seu laboratório estão desenvolvendo tecnologias de biópsia líquida mais precisas e poderosas que aproveitam os sinais da “matéria escura” do RNA, uma área pouco estudada do genoma. A nova pesquisa de Kim mostra que esse material genético está presente no sangue de pessoas com câncer e pode ser identificado para diagnosticar tipos específicos de câncer, como pâncreas, pulmão, esôfago e outros no início do curso da doença.
O laboratório de Kim desenvolveu uma plataforma de biópsia líquida de RNA que detecta RNA codificador de proteínas e matéria escura de RNA no sangue, e mostrou que esta nova abordagem melhora significativamente o desempenho da biópsia líquida para diagnóstico de câncer. Esta pesquisa foi publicada hoje na revista Engenharia Biomédica da Natureza.
Concentre-se na ‘matéria escura’
Embora a maioria dos pesquisadores e empresas estejam buscando biópsias líquidas baseadas em DNA para diagnóstico de câncer, a abordagem de Kim é única em seu foco na “matéria escura” do RNA, especificamente no RNA não codificante e repetitivo.
A maioria dos três bilhões de pares de bases de DNA que constituem o genoma humano são transcritos em RNA, e todo o RNA é conhecido coletivamente como transcriptoma. A função mais comumente reconhecida do RNA é codificar proteínas no corpo, mas 75% do genoma humano gera RNA não codificante que não codifica proteínas.
Uma porção substancial desses RNAs não codificantes é derivada de elementos repetitivos, e esses RNAs podem viajar para fora da célula de onde se originam e entrar na corrente sanguínea. O sangue de um indivíduo saudável normalmente teria muito poucos desses RNAs não codificantes repetitivos. No entanto, a investigação de Kim mostrou que mesmo nas fases iniciais do cancro, muitos destes ARN repetitivos são segregados pelas células cancerígenas, tornando-os potentes biomarcadores da doença em fase inicial.
A tecnologia de biópsia líquida de RNA desenvolvida pelo laboratório Kim visa detectar o câncer por meio do sequenciamento de “RNA livre de células” no sangue de um paciente para testar a presença de RNA codificador de proteínas e RNA não codificante repetitivo.
O laboratório de Kim criou uma plataforma de sequenciamento e análise de RNA livre de células chamada COMPLETE-seq para identificar RNAs não codificantes repetitivos que normalmente são esquecidos. Depois que o sangue de um paciente é coletado, essa abordagem abrangente analisa a amostra em busca de todas as áreas anotadas do transcriptoma – as dezenas de milhares de RNAs que já foram bem documentados – além de todos os cinco milhões de elementos repetitivos não-codificantes que Kim laboratório também se concentra.
“Se você olhar para esses diferentes tipos de câncer, cada um tem seu próprio perfil característico de RNA livre de células, mas muitos desses RNAs vêm de milhões de elementos repetidos encontrados em todo o genoma”, disse Kim. “O que descobrimos foi que quando treinamos modelos de aprendizado de máquina para classificação do câncer, os modelos apresentam melhor desempenho quando você introduz esses RNAs livres de células repetitivos como recursos adicionais. Vemos maior sensibilidade em termos de detecção de câncer, então pensamos que esses elementos repetidos na verdade, estão fornecendo muitas informações ricas sobre RNA livre de células que as pessoas não haviam procurado anteriormente”.
Melhorando os testes
Outros testes de biópsia líquida existentes não têm sido muito sensíveis para o cancro em fase inicial, com alguns testes a falhar até 75% dos cancros em fase I, quando o sinal biológico é baixo devido ao pequeno tamanho do tumor. O artigo de Kim mostra que a incorporação de RNA repetitivo em sua plataforma de biópsia líquida aumenta muito o sinal biológico e aumenta o desempenho de modelos de aprendizado de máquina encarregados de identificar o câncer. Por exemplo, o uso do COMPLETE-seq melhorou o desempenho para 91% de sensibilidade na identificação do câncer colorretal.
“O valor do nosso estudo é que agora mostramos o potencial desses elementos repetidos para o diagnóstico de doenças, por isso esperamos que haja muito interesse em aproveitar RNAs repetitivos para aumentar a sensibilidade desses testes de detecção precoce de múltiplos tipos de câncer. “Kim disse.
Os resultados da pesquisa mostram que esta tecnologia pode ser usada para identificar uma variedade de tipos de câncer. O laboratório concentrou-se inicialmente no cancro do pâncreas para este estudo, uma vez que existe uma necessidade clínica urgente de detecção precoce do cancro do pâncreas, uma vez que a detecção tardia leva a piores resultados para os pacientes. Sabe-se também que o câncer de pâncreas é causado por mutações no gene KRAS, que também é foco do laboratório de Kim.
Depois de verificar as descobertas no cancro do pâncreas, os investigadores também analisaram uma variedade de outros cancros e planeiam analisar muitos mais tipos de cancro com amostras adicionais ao longo dos estágios progressivos do cancro. A equipe está interessada em colaborar com médicos e empresas para fazer isso.
O objetivo de Kim é desenvolver um teste de biópsia líquida de RNA para detecção precoce de vários tipos de câncer, usando a rica informação de RNAs repetitivos para identificar e diagnosticar doenças com alta sensibilidade e especificidade. Kim espera que sua plataforma não apenas diagnostique o câncer nos estágios iniciais, mas também ajude a orientar estratégias de tratamento individualizadas e precisas quando o câncer for mais tratável. Além disso, o seu teste poderá ajudar a identificar a recorrência do cancro, e também ser utilizado para estudar o envelhecimento e diagnosticar outros tipos de doenças que alteram o panorama repetitivo do ARN, como a doença de Alzheimer. Recentemente, ele deu a palestra Kraw da UCSC sobre “Saúde de precisão para todos através do RNA”, que expôs sua visão para detecção precoce e tratamento preciso de doenças usando RNA.
Os pesquisadores também usaram sequenciamento de nanoporos para ler os RNAs livres de células flutuando no sangue, o que lhes permitiu gerar leituras longas e determinar o verdadeiro comprimento desses RNAs livres de células. Kim acredita que seu laboratório é o primeiro a usar sequenciamento de nanoporos, uma técnica pioneira na UC Santa Cruz, para biópsias líquidas de RNA para diagnosticar câncer e determinar o comprimento total desses RNAs livres de células. O sequenciamento do Nanopore pode ser realizado em um dispositivo portátil desenvolvido pela Oxford Nanopore Technologies chamado MinION. Isto é promissor para a realização de exames de câncer em ambientes remotos ou com poucos recursos, onde sequenciadores maiores e mais caros não estão prontamente disponíveis.
“Este estudo não teria sido possível sem o forte apoio da American Cancer Society e de todos os seus generosos doadores, liderança, funcionários e voluntários, bem como todo o trabalho árduo do meu aluno de doutorado Roman Reggiardo (um NIH F99/ K00 Fellow agora no laboratório do investigador HHMI Howard Chang na Universidade de Stanford) e todos os membros e colaboradores do laboratório Kim”, disse Kim.
Além de sua função como professor assistente na Escola de Engenharia Baskin associada ao Instituto de Biologia de Células-Tronco, ao Instituto de Genômica e ao Centro de Biologia Molecular de RNA da UC Santa Cruz, Kim também é membro associado do o Canary Center em Stanford para detecção precoce do câncer e pesquisador acadêmico da American Cancer Society.
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