Жидкостная биопсия: как анализ крови выявляет ДНК рака

На протяжении десятилетий подтверждение рака означало проникновение в ткани. Хирург или радиолог удалял небольшой фрагмент подозрительного образования, а патоморфолог изучал его под микроскопом. Такая тканевая биопсия и сегодня остаётся основой диагностики рака. Но опухоли оставляют и другой след, для обнаружения которого не требуется вводить иглу рядом с самой опухолью: фрагменты собственной ДНК, плавающие в крови.

Жидкостная биопсия — это анализ крови, предназначенный для поиска такого следа. Вместо непосредственного исследования опухоли он выявляет молекулярные фрагменты, которые опухоль уже выделила в кровоток. Это принципиально иной способ задать тот же вопрос, на который отвечает тканевая биопсия, и в некоторых ситуациях он может дать ответы, недоступные при исследовании только ткани.

Откуда на самом деле берётся опухолевая ДНК в крови

У каждого человека — здоров он или нет — в кровотоке свободно циркулируют небольшие фрагменты ДНК. Это называется внеклеточной ДНК; она постоянно высвобождается, когда клетки по всему организму погибают и распадаются в ходе обычного обновления тканей. Опухолевые клетки делают то же самое, но погибают хаотичнее и чаще, выделяя собственные генетические фрагменты в кровь наряду с фрагментами всех остальных клеток.

Часть этой внеклеточной ДНК, происходящая именно из опухолевых клеток, называется циркулирующей опухолевой ДНК, или ctDNA. В любом образце крови это меньшая доля ДНК, иногда очень небольшая, но она несёт то, чего нет в обычной внеклеточной ДНК: мутации, изначально делающие клетки опухоли раковыми. Именно обнаружение и считывание этих мутаций лежит в основе всей концепции жидкостной биопсии. Крупное исследование образцов крови при различных типах и стадиях рака подтвердило, что эту ДНК опухолевого происхождения можно обнаружить у значительной доли пациентов, хотя её количество сильно различается в зависимости от типа, размера и расположения опухоли.

Что фрагменты ДНК могут рассказать врачам

Поскольку ctDNA несёт собственные мутации опухоли, её секвенирование позволяет определить генетические особенности рака, не прикасаясь к опухоли напрямую. Это важно, потому что одна опухоль не всегда генетически однородна. Разные участки одной и той же опухоли или разные метастазы, расположенные в различных частях организма, могут иметь разные мутации. Тканевая биопсия исследует только место, откуда был взят образец, — примерно как судить обо всём фруктовом саде по одному фрукту. Кровь, напротив, может одновременно улавливать сигналы, выделяемые несколькими опухолевыми очагами, создавая более широкий, хотя и менее чёткий, снимок генетики рака.

Наблюдение за изменениями рака в реальном времени

Поскольку забор крови значительно менее инвазивен, чем повторная тканевая биопсия, ctDNA можно анализировать снова и снова в процессе лечения. Именно возможность повторного тестирования делает этот метод полезным для отслеживания поведения опухоли, а не только её состояния в первый день. Раннее исследование, в котором со временем отслеживали уровни мутантной ДНК у пациентов, показало: повышение или снижение ctDNA соответствовало тому, как сама опухоль отвечала на лечение, причём иногда этот показатель был чувствительнее методов визуализации.

Такая чувствительность особенно полезна для выявления устойчивости до того, как она станет заметной. У рака, который лечат таргетными препаратами, часто появляются новые мутации, позволяющие опухоли уклоняться от лечения. Поскольку ctDNA отражает текущее генетическое состояние опухоли, повторные анализы иногда могут выявить возникающую мутацию устойчивости за недели или месяцы до того, как сканирование покажет новый рост опухоли. Это не означает, что жидкостная биопсия всегда выявляет устойчивость на раннем этапе или может заменить сканирование, однако лежащая в основе метода логика — кровь способна регистрировать молекулярные изменения до того, как они станут анатомически заметными, — хорошо подтверждена.

Выявление того, что осталось после операции

Операция может полностью удалить видимую опухоль и всё же оставить небольшое количество раковых клеток, слишком малых для обнаружения при любом сканировании. Это остаточное заболевание называется минимальной остаточной болезнью, и долгие годы не существовало надёжного способа определить, у кого она есть, а у кого нет. Анализ ctDNA после операции даёт один из возможных ответов: если опухолевую ДНК всё ещё можно обнаружить в крови после исчезновения видимой опухоли, это указывает на то, что где-то в организме могут оставаться раковые клетки.

Это подробно изучали у пациентов с раком толстой кишки II стадии — в этой группе врачам долго было трудно решить, кому действительно нужна химиотерапия после операции, поскольку большинство таких пациентов и без того излечиваются только благодаря хирургическому вмешательству. Исследователи под руководством Jeanne Tie обнаружили, что у пациентов, в крови которых после операции по-прежнему определялась ctDNA, вероятность рецидива была значительно выше, чем у тех, у кого ctDNA исчезла. Это наблюдение превратило анализ крови почти в хрустальный шар для оценки риска рецидива — по крайней мере в данной конкретной ситуации, — и стало одним из наиболее наглядных примеров того, как жидкостная биопсия может изменить решение о лечении, которое раньше в основном принималось на основании предположений.

Скрининг на рак до появления каких-либо симптомов

Самое амбициозное применение этой технологии одновременно является и наименее изученным: скрининг внешне здоровых людей на рак, о котором они пока не знают. Так называемые тесты раннего выявления нескольких видов рака пытаются сделать это, анализируя один образец крови на сигналы — часто на паттерны метилирования ДНК, химической модификации ДНК, которая обычно выглядит иначе в раковых клетках, — способные указывать сразу на несколько типов рака, а также примерно определять, в каком органе может находиться опухоль.

Ранние исследования валидации таких тестов, включая масштабные работы по проверке мультимаркерных характеристик крови и характеристик на основе метилирования, показали, что связанные с раком сигналы иногда можно обнаружить и даже правильно определить орган, где находится опухоль. Однако показатели выявления сильно различаются в зависимости от типа и стадии рака, и эти тесты пока не подтверждены как замена общепринятым методам скрининга, таким как маммография или колоноскопия, для населения в целом. Они остаются исследовательскими, а это существенно отличается от одобрения для рутинного применения.

Другие сигналы, циркулирующие в крови

Фрагменты ДНК — не единственный связанный с раком материал, циркулирующий в крови. Целые раковые клетки иногда отделяются от опухоли и перемещаются по кровотоку как циркулирующие опухолевые клетки, а клетки по всему организму — раковые и здоровые — выделяют крошечные окружённые мембраной частицы, называемые внеклеточными везикулами или экзосомами, которые несут молекулярный «груз», например РНК и белки. И те и другие активно изучаются как источники информации для выявления рака по анализу крови, отражая более широкую идею о том, что опухоль оставляет после себя множество видов следов, а не только ДНК.

Чего жидкостная биопсия пока не может

Несмотря на многообещающий потенциал, у жидкостной биопсии есть реальные ограничения. Отрицательный результат не исключает рак, поскольку не каждая опухоль выделяет достаточно ctDNA для обнаружения, особенно если она небольшая или находится на ранней стадии. Положительный результат сам по себе также не является диагнозом: перед принятием решения о лечении он требует подтверждения с помощью визуализации или исследования ткани. Баланс между способностью теста выявлять истинные случаи — его чувствительностью — и способностью избегать ложных тревог — его специфичностью — имеет решающее значение для его практической полезности, и этот баланс различается в зависимости от типа рака и конструкции теста.

Тканевая биопсия по-прежнему остаётся стандартом диагностики большинства видов рака. Сейчас жидкостную биопсию лучше всего понимать как дополнительный инструмент: она уже меняет подходы к наблюдению за некоторыми видами рака и к принятию решений о лечении после операции, тогда как её роль в скрининге населения в целом всё ещё определяется в ходе продолжающихся исследований.