Nanopore directe RNA-sequencing vindt de ‘vingerafdruk’ van kanker om de vroege detectie te verbeteren

Verschillende soorten kanker hebben unieke moleculaire ‘vingerafdrukken’ die detecteerbaar zijn in de vroege stadia van de ziekte en die binnen een paar uur met vrijwel perfecte nauwkeurigheid kunnen worden opgepikt door kleine, draagbare scanners, blijkt uit een onderzoek gepubliceerd vandaag in het journaal Moleculaire cel.

De ontdekking door onderzoekers van het Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona legt de basis voor het creëren van nieuwe, niet-invasieve diagnostische tests die verschillende soorten kanker sneller en eerder opsporen dan momenteel mogelijk is.

Het onderzoek concentreert zich op het ribosoom, de eiwitfabriekjes van een cel. Decennia lang werd gedacht dat ribosomen dezelfde blauwdruk hadden voor het hele menselijk lichaam. Onderzoekers ontdekten echter een verborgen laag van complexiteit: kleine chemische modificaties die variëren tussen verschillende weefsels, ontwikkelingsstadia en ziekten.

“Onze ribosomen zijn niet allemaal hetzelfde. Ze zijn gespecialiseerd in verschillende weefsels en dragen unieke kenmerken die weerspiegelen wat er in ons lichaam gebeurt”, zegt ICREA-onderzoeksprofessor Eva Novoa, hoofdauteur van de studie en onderzoeker bij het CRG. “Deze subtiele verschillen kunnen ons veel vertellen over gezondheid en ziekte.”

Ribosomen zijn gemaakt van eiwitten en een speciaal type RNA-molecuul genaamd ribosomaal RNA (rRNA). rRNA-moleculen zijn het doelwit van chemische modificaties, die de functie van het ribosoom beïnvloeden. “95% van het menselijk RNA is ribosomaal RNA. Ze komen veel voor in onze cellen”, voegt Dr. Novoa toe.

De onderzoekers zochten naar alle soorten chemische modificaties in het rRNA van mens en muis uit veel verschillende weefsels, waaronder de hersenen, het hart, de lever en de testis. Ze ontdekten dat elk weefsel een uniek patroon van rRNA-modificaties heeft, wat ze een ‘epitranscriptomische vingerafdruk’ noemen.

“De vingerafdruk op een ribosoom vertelt ons waar een cel vandaan komt”, zegt dr. Ivan Milenkovic, eerste auteur van de studie. “Het is alsof elk weefsel zijn adres op een label achterlaat, voor het geval de cellen in de gevonden voorwerpen terechtkomen.”

Het team vond verschillende sets vingerafdrukken in zieke weefselmonsters van patiënten met kanker, vooral in de longen en de testis. “De kankercellen zijn ‘hypomodified’, wat betekent dat ze voortdurend een aantal van deze chemische kenmerken verliezen”, zegt dr. Milenkovic. “We dachten dat dit een krachtige biomarker zou kunnen zijn”, voegt hij eraan toe.

In de studie werd longkanker nader bekeken. De onderzoekers verkregen normale en zieke weefsels van 20 patiënten met stadium I of stadium II longkanker en bevestigden dat het rRNA uit kankercellen hypomodificeerd is. Ze gebruikten de gegevens om een ​​algoritme te trainen dat de monsters uitsluitend op basis van gegevens van deze unieke moleculaire vingerafdruk kan classificeren.

De test bereikte een bijna perfecte nauwkeurigheid bij het maken van onderscheid tussen longkanker en gezond weefsel. “De meeste longkankers worden pas in een laat stadium van de ontwikkeling gediagnosticeerd. Hier konden we het veel eerder dan normaal detecteren, wat op een dag patiënten kostbare tijd zou kunnen opleveren”, zegt Dr. Milenkovic.

De studie was mogelijk dankzij een nieuwe technologie genaamd nanopore direct RNA sequencing, die de directe analyse van rRNA-moleculen met al zijn modificaties mogelijk maakt. “Het stelt ons in staat de wijzigingen te zien zoals ze zijn, in hun natuurlijke context”, zegt Dr. Novoa.

Vóór de komst van nanoporiesequencing zouden conventionele technieken RNA-moleculen op zo’n manier verwerken dat de chemische modificaties zouden worden verwijderd voordat onderzoekers ze konden bestuderen.

“Wetenschappers hebben ribosomale RNA’s doorgaans verwijderd omdat ze het zagen als overbodige informatie die onze experimenten in de weg zou staan. Een paar jaar later hebben we deze gegevens van de schroothoop gehaald en er een goudmijn van gemaakt, vooral wanneer informatie over chemische modificaties wordt vastgelegd, is dat een ongelooflijke ommekeer”, zegt dr. Novoa.

Het voordeel van nanoporiesequencing is dat het afhankelijk is van kleine, draagbare sequencing-apparaten die in de palm van een hand passen. Onderzoekers kunnen biologische monsters in de machine plaatsen, die RNA-moleculen in realtime opvangt en scant.

De studie zou kanker- en normale cellen kunnen onderscheiden door slechts 250 RNA-moleculen te scannen die uit weefselmonsters zijn verkregen. Dit is een fractie van waartoe een typisch nanoporie-sequencing-apparaat in staat is. “Het is haalbaar om een ​​snelle, zeer nauwkeurige test te ontwikkelen die met minimale hoeveelheden weefsel naar de ribosomale vingerafdruk van kanker zoekt”, zegt Dr. Novoa.

Op de lange termijn willen de onderzoekers een diagnostische methode creëren die de vingerafdruk van kanker kan detecteren in circulerend RNA in het bloed. Dit zou een minder invasieve aanpak zijn, omdat er alleen een bloedmonster nodig is in plaats van weefselmonsters van patiënten.

De auteurs van de studie waarschuwen dat er meer werk nodig is voordat de aanpak kan worden gebruikt voor klinische voordelen. “We zijn nog maar het begin aan het verkennen”, zegt Dr. Milenkovic. “We hebben grotere studies nodig om deze biomarkers in verschillende populaties en kankertypes te valideren.”

Een van de grote vragen die nog moeten worden onderzocht, is waarom de veranderingen überhaupt bij kanker veranderen. Als rRNA-modificaties cellen helpen eiwitten te produceren die ongecontroleerde groei en overleving bevorderen, zouden onderzoekers de mechanismen kunnen identificeren die verantwoordelijk zijn voor het toevoegen of verwijderen van de modificaties, wat mogelijk kan leiden tot nieuwe manieren om schadelijke veranderingen ongedaan te maken.

“We zijn deze complexiteit langzaam maar zeker aan het ontrafelen”, zegt Dr. Novoa. “Het is slechts een kwestie van tijd voordat we de taal van de cel kunnen gaan begrijpen”, besluit ze.