血液からのバリアントデータの取得

はじめに

2,000年以上前、ある人ががんにかかったとき、ローマ人またはギリシャ人の医師が、血液を含む体液やユーモアを検査しました。次に、液体の過剰または不足の分析に焦点を当てました。当時、医学は個人主義的であり、患者ごとに独自の液性組成があったと言われていました。今日、医学研究、特にがん研究は、これらの起源に戻りつつあるようです。少なくとも、Hector Alvarez医学博士のような科学者はそう信じています。Alvarez博士は、MDアンダーソンがんセンターの膵臓がん研究センターでリキッドバイオプシープラットフォームをリードする医師サイエンティストです。彼は、膵臓がんの診断とモニタリングのための革新的で侵襲性の低い方法を探しています。

World Cancer Research Fund Internationalによると、膵臓がんは世界で12番目に多いがんであり、2012年には世界で30万人を超える新規症例が診断されました。¹膵臓がんは、過去数十年で生存が改善しなかった数少ないがんの1つです。²死亡率が引き続き高いのは、最も初期の段階で疾患を検出できる検査がないことが原因であると考えられます。²

Alvarez博士は、血液またはその他の体液中の早期バイオマーカーを発見できる液体生検用のラボプロトコル、デバイス、ソフトウェアを開発しています。HiSeq 2500システムを用いた次世代シーケンサー（NGS）を使用して、彼と彼のチームは、膵臓がん患者の血液サンプルの詳細な解析を行い、疾患とその進行に関連するわずかな腫瘍イベントを特定しています。彼は膵臓がんの診断に役立つバイオマーカーを見つけることに重点を置いています。

Hector Alvarez医学博士は、テキサス州ヒューストンのMD Anderson Cancer CenterにあるPancreatic Cancer Research CenterのLiquid Biopsyプラットフォームをリードする医師サイエンティストです。

血液中のメッセージ

歴史的に、ほとんどのがんは組織生検後に診断されます。まず、臨床医が疑わしい病変や腫瘤から小さな組織片を取り除きます。その後、病理医は、その組織内の細胞をより詳しく調べて、がん性かどうかを判定します。膵臓のように、問題の臓器が腹部の奥深くにある場合、このような処置には、腫瘍内の他の場所で重要な組織異常を見逃すリスクがある画像ガイド下針生検が必要です。³

“膵臓腫瘍は到達が非常に困難で、組織のサンプリングが困難です”とAlvarez博士は述べました。つまり、治療や生存率の向上に役立つ重要な情報にアクセスできないことがよくあります。腫瘍がアクセス可能な場所にあり、生検によりがんのエビデンスが得られる場合、手術に適する患者は約20%に過ぎません。通常は手遅れであり、腫瘍は大きく成長しているため、患者は手術の候補ではありません。

"私たちは、エクソソームに十分な二本鎖DNAが存在し、腫瘍プロファイリングのための高解像度でそれらを特徴づけることを示す最初のチームの1人でした。"

その結果、多くの臨床医がリキッドバイオプシー検査を求めてきました。この検査では、医師が信頼性の高い診断を下し、ターゲットを絞った介入を特定するために必要な臨床情報をすべて血液のバイアルから得ることができます。リキッドバイオプシーは、血液またはその他の体液中を循環する腫瘍からの遺伝情報に依存します。“腫瘍細胞が死滅するにつれて、細胞と周辺組織がDNA含有量を循環に放出します”とAlvarez博士は述べました。このDNAの遺伝子変異は、臨床医が腫瘍で起こっていること、または腫瘍が初期の原発腫瘍部位から体の他の部位に転移して広がっているかどうかを理解するのに役立つ可能性があります。

2016年6月、15,000名を超えるがん被験者を対象とした大規模な研究が、2016年の米国臨床腫瘍学会（ASCO）会議で発表されました。70の異なる変異を検査する液体生検の一種であるGuardant360は正確で、従来の生検方法に代わる信頼できる方法である可能性があることがわかりました。⁴

Alvarez博士は研究結果に驚いていませんでしたが、医師が信頼できる真に臨床に即した検査を作成するには、さらなる研究が必要であると考えています。“MD Anderson Cancer Centerでは、臨床医にとって包括的な意味を持つプラットフォームの開発に取り組んでいます”とAlvarez博士は述べました。私たちは、短いターンアラウンドタイムで、クリニックですぐに使用できる検査の開発を目指しています。私たちの研究は、細胞外小胞から排出された遺伝物質がこのような情報を提供する可能性があることを示唆しています。⁵

NGS、アクショナブルインテリジェンス、エクソソーム

3年前、サイエンティストはリキッドバイオプシーが可能であったことを証明するために研究の初期段階にいました。今日、Alvarez博士は、基本的な研究だけでなく、私たちは、正確で臨床的に意義のある結果を提供し、どのような治療が必要かを判断する医師をサポートする、検査に適したプロトコールを探しています。

彼は、エクソソームと呼ばれる特別な細胞外小胞から放出されたDNAから収集できる情報、および他の細胞コンパートメントからの遺伝情報は、腫瘍の発生と転移を理解する上で重要である可能性があると考えています。細胞外小胞には50種類以上の種類があり、最もよく知られているのはアポトーシス小体です。また、小さな微小胞や、さらに小さなエクソソームもあります。私たちは、エクソソームに十分な二本鎖DNAが存在し、腫瘍プロファイリングのために高解像度でそれらを特徴づけることを示す最初のチームの1人でした。"⁵

彼と彼の同僚は、膵臓がん患者2名とアンプラリーがん患者1名を対象にエクソソームの排出について研究しました。⁵ 彼らはHiSeq 2500システムを使用して、エクソDNAとエクソRNAの全ゲノム、全エクソーム、およびトランスクリプトームシーケンスを実施しました。研究者らは、排出されたエクソソーム内の腫瘍DNAの確固たる表現を発見し、エクソソームベースのリキッドバイオプシーが臨床診断および治療モニタリングの可能性を示唆しています。Alvarez博士は、エクソソームベースのリキッドバイオプシーの実行可能性と妥当性を最初に実証した人物の1人でしたが、発見すべきより重要な遺伝情報が存在する可能性があると述べています。

“HiSeq 2500システムを用いて全ゲノム、全エクソーム、RNA-Seqを実施し、存在する可能性のある幅広いバイオマーカーを同定しています。”

“すべての細胞外小胞が重要な可能性がある”とAlvarez博士は述べました。第一に、異なる小胞は不均一であり、疾患の進化中に変化する可能性があると考えています。異なるコンパートメントからの異なるバイオマーカーがあり、これらは異なる生物学的状態を示す可能性があります。第二に、粒子や細胞外小胞を生成するのは腫瘍細胞だけではありません。小胞DNAの変化は、がんが始まる可能性のある体の他の部位で起きていることを反映している可能性がありますが、腫瘍は非常に小さく、通常の画像では明らかではありません。

将来的に、これらの結果は、従来の外科生検に適さないがん患者の診断に役立つ可能性があると考えています。“侵襲的ではない診断手順の一歩前進は、これらの患者の利益になります”とAlvarez博士は付け加えました。

MD Andersonのリキッドバイオプシーチームは、特に治療反応に関連するセルフリーDNAに見られるマーカーにも関心を持っています。セルフリーDNAのさまざまなバリアントや変異は、特定の介入や治療が機能しているかどうかに関する遺伝データを提供する可能性があります。

細胞が死滅すると、核DNAは断片化され、循環に放出される二本鎖DNAの小さな断片に刻まれる、とAlvarez博士は述べました。これらのDNAの小さな断片には、臨床反応を示す変化が含まれている可能性があります。がんの進行期では、セルフリーDNAの濃度が高くなる傾向があります。これにより、がんが何を行っているかについて、より完全な全体像が得られる可能性があります。

NGSテクノロジーのイノベーション

Alvarez博士のシーケンスの経験は、Johns Hopkins Universityで胆嚢がんを研究していたときに始まりました。博士号論文に取り組んでいたとき、遺伝子発現のシリアル解析（SAGE）と呼ばれる新しい技術が紹介されました。これは、Cancer Gene Anatomy Project（CGAP）に使用されるシーケンス技術でした。基本的にはRNAシーケンス技術でした。

実際、SAGEデータ収集はNGSの前兆でした。しかし、他の初期のプラットフォームと同様に、その課題も無くなっていました。“手作りのゲノムライブラリーを構築する必要がありました”とAlvarez博士は述べました。ライブラリー調製用のキットがなかったため、シーケンスランの実行に必要な巨大ライブラリーを作成するのに時間がかかりました。難しさにもかかわらず、遺伝学の力の優れた導入でした。

HiSeq 2500システムを選んだことを非常に嬉しく思います。高品質のデータを提供し、この種の作業ではデータ品質が重要です。"

Alvarez博士と彼のチームは研究にNGSシステムを選択していたため、データ品質は重要な特性でした。“いくつかの競合システムを検討し、最高のデータ品質を提供するシステムを使用することにしました”とAlvarez博士は述べました。HiSeq 2500システムを選んだことを非常に嬉しく思います。高品質のデータを提供し、この種の作業ではデータ品質が重要です。さまざまなバイオマーカーを調べ、追跡するために利用しています。

Alvarez博士は、使いやすさに加えて、NGSとHiSeq 2500システム、そして最近ではNextSeq 500システムを使用する利点の1つは、両方のシステムが細胞外バイオマーカーを研究するための統合ゲノミクスアプローチを可能にすることであると考えています。

“私たちはHiSeqシステムおよびNextSeqシステムで全ゲノム、全エクソーム、RNA-Seqを実行し、存在する可能性のある幅広いバイオマーカーを同定しています”とAlvarez博士は述べました。リキッドバイオプシー検査が有益であるためには、いくつかのバイオマーカーをアッセイする必要があります。細胞外小胞、循環腫瘍細胞、セルフリーDNAから出てくるバイオマーカーを同定できれば、全身でこの疾患が起こっている全体像を把握することができます。

Alvarez博士によると、がん研究者が腫瘍の性質が不均一であることを理解するようになった今、DNAとRNA情報の同時調査はさらに重要になっています。

"これらの異なるコンパートメントから得られる高解像度情報はすべて、膵臓がんの特定の症例で実際に何が起こっているかを判断するためのより良い方法である可能性があります。

コア生検や細針生検で効果的に組織をサンプリングできたとしても、サンプルに含まれるものは腫瘍全体を表していない可能性があります、とAlvarez博士は述べました。液体生検の文脈でNGSを実施することで、腫瘍全体の状況の全体像を把握できると信じています。非常に強力です。これらの異なるコンパートメントから得られる高解像度の情報はすべて、膵臓がんの特定の症例で実際に何が起こっているかを判断するためのより良い方法を示す可能性があります。

前進する

Alvarez博士の目標は、クリニックですぐに使用できる包括的なリキッドバイオプシープラットフォームの開発です。彼は、これは個々の患者、特に膵臓がんなどの診断が困難ながんや治療が困難ながんの個別化治療計画において重要な役割を果たすと考えています。

“遺伝子改変の個別化パネルを持つことが重要であると考えています”とAlvarez博士は述べました。治療開始時に特定の遺伝子プロファイルが定義され、その後臨床医はそのプロファイルの変化を経時的に追跡して、疾患の経過を理解するのに役立ちます。

博士と彼のチームは現在、100名以上の膵臓がん被験者を追跡しており、exoDNAとセルフリーDNAを一緒に比較して、異なる治療法の効果を測定しています。彼らは、これらの結果をすぐに発表したいと考えています。また、NGSによって提供される異なる同定マーカーが、腫瘍抵抗性のメカニズムや将来の新しい免疫療法をデザインするための手がかりについての情報も提供する可能性があることにも期待しています。

将来的には、リキッドバイオプシーは、予防、早期発見、疾患管理における価値など、プレシジョンメディシンにおいて幅広い役割を果たす可能性があります、とAlvarez博士は述べました。例えば、免疫療法はリキッドバイオプシーから大きな恩恵を受ける可能性があります。DNAやRNAなどの核酸の同時単離により、この非常に有望な治療戦略の個別化分子ターゲットであるネオアンチゲンを同定し追跡することができます。当社は、リキッドバイオプシーにおける腫瘍シグナルを増加させるために、腫瘍由来のエクソソーム濃縮プロセスを開発しています。リキッドバイオプシーとNGSがなければ、固形腫瘍の遺伝子変異を継続的にモニタリングすることはできません。

Alvarez博士は、リキッドバイオプシーが私たちをどこへ導くかについて楽観的な見方をしているにもかかわらず、まだやるべきことがたくさんあると注意しています。博士と博士のチームは、引き続き被験者を経時的に追跡し、セルフリーDNA、エクソソームDNA、およびその他のバイオマーカーにおけるさまざまな遺伝子変異がどのように変化するかを測定します。彼は、これらのバイオマーカーが膵がんの性質についてどのような秘密を語るのか、また、彼と彼のチームがこれらの秘密を疾患と戦うためのツールにどう変換できるかを、楽しみにしています。

\\"膵臓がんは、肺がん、結腸がん、乳がんなどの古典的な固形腫瘍ではないため、実行性が高いため難しいと、Alvarez博士は付け加えました。私たちの研究は、私たちが介入し、変化をもたらすことができる場所を理解できるように進化する必要があります。リキッドバイオプシーが臨床的に頑健で、ケアに関連することを示すのに十分なデータを収集する必要があります。時間がかかりますが、そこまで行きます。