Исследователи из Китая смогли обнаружить рак печени и лимфому у онкологических больных, генетические аномалии плаценты у беременных женщин и донорскую ДНК у пациентов после трансплантации путем анализа последовательности метилирования в ДНК плазмы. Используя известные профили метилирования тканей, они смогли определить тканевое происхождение циркулирующей ДНК, что сделало его надежным инструментом для скрининга, обнаружения рака и мониторинга терапии. Это совместное усилие исследователей из нескольких институтов опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Эпигенетика показала, что ДНК часто имеет метильные группы, присоединенные к 5-углеродному атому цитозина. Определенные ткани и определенные типы клеток в тканях имеют отчетливый паттерн метилирования в своей ДНК, что позволяет ученым создавать базу данных метиломов паттернов метилирования для различных тканей в организме. В то время как ученым удалось найти в плазме ДНК из одного типа ткани, например ткани плаценты или печени, Sun и др. использовали полногеномное бисульфитное секвенирование для выяснения паттерна метилирования плазменной ДНК и сравнили его с базой данных метиломов, чтобы определить процентный состав или тканевую карту плазменной ДНК. Он обеспечивает то, что авторы называют "с высоты птичьего полета" плазмы, показывая происхождение циркулирующей ДНК.
Чтобы проверить свою технику, Сан и др. идентифицировали 5820 маркеров метилирования, которые они будут использовать, чтобы затем запустить алгоритм деконволюции для идентификации ткани или типа клеток на основе их паттерна метилирования. Затем они протестировали свой алгоритм, используя ДНК различных составов: ДНК лейкоцитной пленки, ДНК плаценты и ДНК печени.
После того, как процедура была протестирована, пришло время проверить, может ли процедура точно идентифицировать изменения состава. В первом испытании участвовали пятнадцать беременных женщин, по пять в первом, втором и третьем триместрах. В их плазме должно быть больше ДНК из плаценты по сравнению с небеременными женщинами. Они обнаружили, что лейкоциты вносят наибольший вклад в ДНК плазмы, что наблюдалось только при трансплантации костного мозга, но не было подтверждено в других случаях. Во-вторых, они также обнаружили, что 12.От 1% до 41.0% его ДНК было из плаценты. Процент ДНК плаценты был значительно меньше в контрольной группе. Проценты были проверены с использованием наследственных по отцовской линии аллелей SNP плода.
Во втором тесте участвовали люди, перенесшие трансплантат. Развитие реакции трансплантат против хозяина – распространенная проблема при аллогенных трансплантатах. В плазме крови пациента после трансплантации обнаружена донорская ДНК. ДНК плазмы четырех реципиентов трансплантата печени и трех реципиентов трансплантата костного мозга были проанализированы и сравнены с донорскими аллелями SNP в случае пациентов с печенью и лейкоцитами в случае пациентов с костным мозгом. Они смогли обнаружить донорскую ДНК и обнаружили сильную корреляцию между результатами анализа паттерна метилирования и изучения аллелей SNP или лейкоцитов.
Sun и др. затем определили, будет ли их метод работать для обнаружения раковых клеток у двадцати девяти субъектов с гепатоцеллюлярной карциномой (ГЦК) по сравнению с субъектами без рака. Плазма должна иметь более высокий процент ДНК из раковой ткани по сравнению с субъектами без рака. Их алгоритм показал, что средний вклад печени в плазму у субъектов с ГЦК составлял 24.0% по сравнению с 10.7% в контрольной группе. Чтобы проверить свои методы, они также сравнили свои результаты с концентрацией ДНК в опухоли, используя ранее описанный метод.
Учитывая эти экспериментальные результаты, авторы затем проверили, могут ли они идентифицировать ткань происхождения на основе аберраций количества копий в плазме, обнаруженных в плазменной ДНК. Если делаются дополнительные копии, то должен быть больший процент ДНК из этой ткани по сравнению с областью генома, которая не имеет аберрации числа копий. Те же рассуждения можно использовать для делеций числа копий, в которых будет меньше ДНК из определенного типа ткани по сравнению с другими областями генома.
Они показали, что при изучении плазмы женщин с плодами, содержащими дополнительную хромосому (трисомия 21), количество маркеров метилирования в хромосоме 21 в плацентарной ткани было выше по сравнению с маркерами в других хромосомах. Другие ткани (печень, нейтрофилы и лимфоциты) не показали, и количество копий увеличилось.
Затем они изучили амплификации или делеции в плазменной ДНК субъектов с ГЦК. Их сравнивали с ДНК плазмы, которая не показывала амплификаций или делеций. Они смогли определить, что у семи из субъектов с ГЦК наблюдались аберрации числа копий и что эти части содержали больше ДНК из печени.
В ходе этого исследования исследователи идентифицировали 37-летнюю беременную женщину, у которой лимфома вернулась. Ей впервые поставили диагноз в 2011 году, и она прошла курс химиотерапии. После химиотерапии и последующих осмотров лимфомы больше не было. Затем, в марте 2014 года, на одиннадцатой неделе беременности, образцы крови, собранные для неинвазивного пренатального тестирования, показали, что в плазме матери обнаружены некоторые отклонения. Биопсия лимфатического узла подтвердила, что лимфома вернулась. Сравнение плазменной ДНК с биопсией лимфатических узлов показало аналогичные аберрации числа копий. Однако через десять недель после химиотерапии ДНК плазмы не показала аберраций числа копий. Кроме того, они обнаружили, что причиной аберраций числа копий были В-лимфоциты, а не Т-лимфоциты.
При дополнительных исследованиях этот метод может стать отличным неинвазивным способом оценки нескольких факторов здоровья пациента. Действительно, авторы отмечают, что эта работа создала мост между молекулярной диагностикой и традиционной медицинской практикой, основанной на органах. Последнее исследование продемонстрировало преимущество возможности определить происхождение ДНК в плазме, поскольку тест был предназначен для выявления хромосомных аномалий у плода, но на самом деле аномалии возникли от матери. Биопсия лимфатического узла подтвердила рецидив рака.