L’epigenetica apre le porte a una diagnosi più rapida del cancro

L’epigenetica è «la branca della biologia che studia le interazioni causali fra i geni e il loro prodotto cellulare e pone in essere il fenotipo»“.Derivato dal vocabolo aristotelico “epigenesi”, il termine “epigenetica” è stato introdotto dal biologo Conrad Waddington agli inizi degli anni ’40.

Gli strumenti di biopsia liquida basati sullo studio dei modelli di metilazione del DNA potrebbero rivoluzionare la rilevazione e il monitoraggio del cancro, ma per arrivare alla clinica si dovranno sfruttare al meglio campioni limitati.

Con le biopsie liquide, rilevare il cancro e monitorare i progressi del trattamento può essere facile come fare un esame del sangue. Questo è un modo sempre più popolare di monitorare il cancro, perché è molto meno invasivo delle biopsie dei tumori solidi. E le biopsie liquide possono diventare ancora più sensibili se catturano informazioni sulla metilazione e dati genetici.

Di solito, le biopsie liquide per il cancro si basano sul rilevamento di piccole quantità di DNA che vengono rilasciate da un tumore nel flusso sanguigno. Ma soprattutto nelle fasi iniziali della malattia, i livelli di DNA tumorale circolante (ctDNA) sono molto bassi e le mutazioni puntiformi collegate al cancro possono essere facili da trascurare.

“Se vogliamo sviluppare test per rilevare il cancro in fase precoce, abbiamo bisogno di un rilevamento molto sensibile di questi rari frammenti tumorali“, afferma Charlotte Proudhon, responsabile del gruppo presso l’Istituto di ricerca per la salute ambientale e occupazionale di Rennes, in Francia, il cui team è tra quelli che stanno sviluppando metodi di biopsia liquida che includono marcatori epigenetici, come la metilazione.

Rilevare il cancro dai modelli di metilazione

“Le alterazioni nella metilazione del DNA sono un segno distintivo del cancro”, afferma Proudhon. “E a differenza delle mutazioni puntiformi singole nel ctDNA, i siti di metilazione sono abbondanti in tutto il genoma, quindi sono più facili da individuare in un campione di plasma”. Il laboratorio di Proudhon sta ora sviluppando un metodo in grado di rilevare più forme di cancro da modelli di metilazione trovati in un singolo campione di biopsia liquida.

I marcatori di metilazione possono anche mostrare come i tumori progrediscono o rispondono al trattamento. Gerhardt Attard è un clinico-scienziato e team leader presso l’University College London Cancer Institute, dove studia la progressione del cancro alla prostata. Le biopsie liquide sono uno strumento chiave nel monitoraggio di questo cancro, perché i campioni sono molto più facili da raccogliere rispetto alle biopsie tumorali invasive.

“Il cancro alla prostata è per lo più una malattia da cambiamento del numero di copie”, afferma Attard. Ciò significa che seguire la progressione della malattia da campioni di biopsia liquida non è così semplice come tracciare mutazioni puntiformi nel ctDNA. “Nel corso degli anni, abbiamo sviluppato una serie di test per misurare il cambiamento del numero di copie e ora stiamo anche esaminando i cambiamenti di metilazione“.

I test di metilazione di Attard attualmente richiedono la divisione del  campione in due: una metà viene utilizzata per il sequenziamento del DNA e l’altra per l’analisi della metilazione. Ciò mette ancora più pressione su una risorsa già scarsa. Se ci fosse un modo per evitare questa divisione, si potrebbe ottenere più informazioni da preziosi campioni di biopsia liquida.

Ottenere di più dalle biopsie liquide

Attard riceve campioni di biopsia liquida per la sua ricerca da pazienti affetti da cancro alla prostata nella sua clinica. “I pazienti hanno scelto di donare un campione extra per la ricerca quando viene prelevato il loro sangue di routine”, afferma Attard. “E raramente saltano una donazione”.

Anche con queste generose donazioni di campioni di sangue dai pazienti, non c’è molto materiale con cui lavorare. Un campione standard include solo pochi mL di plasma, che contiene circa 10-20 ng di DNA. Da questa minuscola quantità, Attard deve raccogliere sia informazioni genetiche che epigenetiche. A peggiorare le cose, i protocolli standard per queste analisi non sono compatibili.

“Gli attuali saggi di arricchimento mirato del ctDNA richiedono che il DNA venga amplificato per completare in modo efficiente il flusso di lavoro di arricchimento del target, cancellando i marcatori di metilazione nel processo”, spiega Bram Herman, Direttore delle tecnologie emergenti presso l’Azienda di Scienze Biologiche e Diagnostica Agilent Technologies. “Per superare questo problema, il DNA viene convertito all’inizio di questo processo, tramite conversione del bisolfito. Ciò modifica significativamente la composizione della base, il che può creare distorsioni nell’efficienza di arricchimento del target, in particolare per i frammenti parzialmente metilati. I frammenti di DNA convertiti non sono adatti anche per l’analisi delle varianti del DNA“.

Attard ha suddiviso i suoi campioni per raccogliere in modo sicuro sia i dati genetici che quelli di metilazione, ma sta cercando delle alternative. Di recente, Attard ha provato il sistema di arricchimento del target Agilent Avida Duo*. La tecnologia crea una libreria di pre-cattura senza usare la PCR, lasciando il DNA con i suoi gruppi metilici intatti. “Ciò ci dà l’opportunità di ottenere entrambi i bit di informazioni dallo stesso DNA“, afferma. “Poiché ciò raddoppia effettivamente la dimensione del campione, aumenta la sensibilità del test”.

“La tecnologia ottimizza il recupero del campione, il che consente l’analisi del DNA e della metilazione senza la suddivisione del campione, massimizzando le informazioni sul campione senza compromessi, eliminando la complessità dal flusso di lavoro”, afferma Herman.

Dal laboratorio alla clinica

Proudhon ha un’altra sfida da risolvere. Il suo gruppo è stato in grado di rilevare più tumori contemporaneamente da campioni di plasma studiando i pattern di metilazione nei retrotrasposoni. “Tuttavia”, dice, “il protocollo che utilizziamo in laboratorio è difficile da adattare a una clinica“. Il loro metodo preferito è stato il target degli ampliconi con trattamento con bisolfito. Ma sebbene abbia funzionato bene su piccola scala, aquesto target è troppo lento e complesso per essere ampliato.

Il gruppo di Proudhon sta ora esplorando Avida Duo per utilizzarlo nella sua ricerca. “La sfida principale nel nostro studio è che siamo interessati agli elementi ripetitivi e di solito quando si catturano, si evita di catturare queste regioni che tendono a generare letture fuori bersaglio”, afferma. Ma se i reagenti possono essere convalidati nel suo laboratorio, il team di Proudhon è sulla buona strada per adattare il metodo come potenziale test clinico. “È veloce e semplice”, afferma. “Potrebbe essere un ottimo strumento in clinica”.

I test basati sulla metilazione, come quelli su cui stanno lavorando Proudhon e Attard, hanno il potenziale per cambiare la diagnosi del cancro. Nuovi biomarcatori epigenetici possono essere utilizzati nella medicina personalizzata, ad esempio, mentre test più sensibili potrebbero rilevare i tumori. “Molti studi hanno dimostrato come può essere utilizzato il DNA tumorale dal sangue e cosa significa“, afferma Attard. “Ora abbiamo bisogno di test molto migliori per mettere in pratica tutto questo“.

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L’uso della metilazione del DNA per monitorare il cancro da biopsie liquide consente anche di trovare la fonte del ctDNA. Poiché i profili di metilazione del DNA sono specifici per le identità cellulari, i modelli di metilazione sul DNA tumorale suggeriscono l’origine del cancro. “Se la biopsia liquida raggiunge una sensibilità tale da poterla usare per lo screening, dovresti sapere dove cercare il tumore”, afferma Proudhon. “Con un metodo di cattura che profila i modelli di metilazione del DNA, potremmo farlo“.

Fonte:Nature