I chip del DNA prendono di mira il cancro

In preparazione per un intervento chirurgico minore, John Leventhal aveva bisogno di una radiografia del torace di routine. Quando il medico di New Haven, CT, si è unito al radiologo che stava esaminando il film, è rimasto scioccato da ciò che ha visto: una macchia opaca nel profondo del suo polmone. Come medico, dice Leventhal, ti viene insegnato alla facoltà di medicina che quando vedi una massa del genere, significa cancro ai polmoni. La formazione medica di Leventhal gli ha anche insegnato che per confermare la diagnosi, i suoi medici avrebbero dovuto aprire la sua gabbia toracica per ottenere un pezzo del tessuto sospetto che sarebbe stato esaminato da vicino da un patologo, un'operazione estremamente dolorosa e pericolosa. Il fine settimana prima di quell'intervento, Leventhal è partito per una vacanza sugli sci con la famiglia. Ricorda di aver pensato: Questa è l'ultima volta che andrò a sciare per molto, molto tempo.

È stato cinque anni fa. Oggi il modo in cui la professione medica affronta il cancro potrebbe essere in procinto di cambiare. Più o meno nello stesso periodo in cui ha subito Leventhal
chirurgia, i ricercatori della Stanford University e della startup Affymetrix di Santa Clara, California, stavano iniziando a costruire i primi microarray di DNA. Più comunemente noti come chip di DNA, si tratta di wafer di silicio, vetro o plastica ricoperti di DNA in grado di analizzare migliaia di geni alla volta per , ad esempio, identificare quelli attivi in ​​un campione di cellule. Ora questi microarray sembrano pronti a unirsi alla guerra contro il cancro. I chip del DNA, prevede il direttore del National Cancer Institute Richard Klausner, avranno un enorme effetto sulla diagnosi e sul trattamento della malattia.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2001

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Una delle ragioni dell'entusiasmo è che i chip di DNA offrono un modo completamente nuovo e potenzialmente molto più rapido, più semplice e più preciso per rilevare le cellule cancerose. La maggior parte delle forme di cancro passa inosservata fino a quando non si sviluppano grumi, tosse o dolori, a quel punto spesso è troppo tardi. E anche allora, una volta che un patologo ottiene una biopsia da un tumore, distinguere una forma di cancro da un'altra può essere difficile o addirittura impossibile con le tecniche esistenti, che comportano l'osservazione di distorsioni nell'architettura delle cellule al microscopio. Migliori informazioni diagnostiche potrebbero essere utilizzate per prendere decisioni terapeutiche migliori, magari facendo la differenza tra la vita e la morte.

itentro i prossimi due anni, i patologi prevedono di iniziare a utilizzare strumenti basati su DNA-chip per individuare le differenze genetiche tra le cellule; queste differenze rivelatrici potrebbero essere utilizzate per aiutare a rilevare le cellule cancerose molto prima che si sviluppino i sintomi e per distinguere un tipo di cancro da un altro. In breve, i chip forniranno un profilo genetico di una cellula cancerosa che può essere letto come la fedina penale di un criminale. Il medico saprà da dove ha avuto origine la cellula cancerosa, fino a che punto è progredita e quali terapie funzioneranno meglio per arrestare la sua ulteriore crescita e diffusione.

Leventhal è stato fortunato. La sua biopsia polmonare era negativa ed era di nuovo sulle piste l'inverno successivo. Ma gli ci è voluto un mese per riprendersi dall'intervento di biopsia, e oggi ha una cicatrice arrabbiata in mezzo al petto per ricordargli il calvario. Entro la fine del decennio, è probabile che un paziente come Leventhal sarà in grado di saltare del tutto le procedure diagnostiche invasive. Un dispositivo basato su DNA-chip potrebbe essere in grado di leggere un campione di espettorato direttamente nell'ufficio del medico, controllando i cambiamenti genetici nelle cellule polmonari che vengono naturalmente spostate nel fluido viscoso. Se le notizie sono cattive, il paziente potrebbe avere una serie di nuove opzioni di trattamento. Questo perché i chip del DNA stanno anche accelerando la scoperta di nuovi e migliori farmaci antitumorali. Siamo alle soglie di una nuova era, afferma Klausner. Tecnologie come i chip del DNA ci diranno non solo che qualcosa potrebbe non andare, ma che cos'è e cosa possiamo fare al riguardo.

Velocità di raccolta

Con un uomo su due e una donna su tre negli Stati Uniti che rischiano di ammalarsi di cancro ad un certo punto della loro vita - e circa 560.000 americani dovrebbero morire di malattia solo quest'anno, secondo l'American Cancer Society - i progressi non possono arrivare abbastanza velocemente. Ben 500 laboratori di ricerca nel mondo accademico e industriale stanno già impiegando chip di DNA per sviluppare nuove immagini genetiche di diversi tipi di cancro. Nel 1999, il solo National Cancer Institute ha fornito 4,1 milioni di dollari a 24 istituzioni accademiche oncologiche statunitensi per creare o aggiornare centri di microarray. Nel frattempo, le industrie farmaceutiche e biotecnologiche stanno attingendo alle informazioni raccolte dai chip del DNA per sviluppare nuovi e migliori test diagnostici e più efficaci farmaci antitumorali con minori effetti collaterali. In effetti, tutte le principali aziende farmaceutiche e almeno una dozzina di aziende biotecnologiche stanno già utilizzando i chip del DNA per combattere il cancro.

Allo stesso tempo, grandi aziende manifatturiere come Agilent Technologies, Corning e Motorola stanno vedendo il potenziale dei chip DNA. Tutti e tre si sono alleati con centri di ricerca accademici per elaborare chip del DNA che analizzeranno i geni correlati a tumori specifici. E mentre al momento i chip DNA sono troppo costosi per competere con le tecnologie diagnostiche esistenti, il coinvolgimento di questi produttori e dei loro impianti di produzione potrebbe far scendere i prezzi fino a $ 10 per un chip, una volta avviata la produzione di grandi volumi.

Naturalmente, affinché i chip al DNA aiutino a vincere la guerra contro il cancro, ci vorranno notevoli sforzi e anni di ulteriore sviluppo. Per prima cosa, i chip del DNA generano tonnellate di dati e i ricercatori dovranno potenziare le loro capacità di calcolo e definire gli standard dei dati per dare un senso a tutto ciò ( vedere Gene Babel , TR aprile 2001 ). E qualsiasi nuovo farmaco o dispositivo diagnostico dovrà dimostrare il proprio valore negli studi clinici. Ma i primi frutti degli sforzi per applicare i chip del DNA al cancro - nuovi strumenti diagnostici - potrebbero iniziare a salvare vite già dalla fine del prossimo anno. I primi farmaci antitumorali sviluppati utilizzando i chip del DNA entreranno nella sperimentazione umana più o meno nello stesso periodo, con altre dozzine a seguire. Con tutti questi nuovi strumenti disponibili, le forme di cancro attualmente incurabili potrebbero, un giorno, non significare più condanne a morte.

Profili in Cancro

Il primo passo verso quella grandiosa visione è generare un profilo dei geni che vengono attivati ​​o disattivati ​​quando una cellula normale diventa cancerosa. Mentre la maggior parte dei geni sono tranquilli in una data cellula in un dato momento, quelli che sono attivi, o espressi, dicono molto sulla salute di quella cellula. E sebbene molti di noi tendano a pensare che le malattie siano causate da particolari geni, ad esempio il gene per la malattia di Huntington o la fibrosi cistica, la maggior parte delle malattie implica in realtà interazioni complicate tra un ampio insieme di geni diversi. Tuttavia, proprio come le impronte digitali di una persona possono essere distinte praticamente da tutte le altre solo per un piccolo numero di differenze, una sorta di impronta genetica, che potrebbe coinvolgere un centinaio di geni attivi o anche meno, potrebbe distinguere le cellule che mostrano anche i primissimi segni di cancro.

La bellezza di utilizzare una tecnologia come i chip del DNA per trovare quelle impronte digitali, afferma Klausner, è che non siamo limitati da conoscenze o nozioni preconcette. In altre parole, i ricercatori sul cancro non devono più influenzare i loro esperimenti osservando individualmente i geni che sospettano possano essere coinvolti in un particolare cancro. Invece di concentrarci su un gene, spiega il ricercatore del National Cancer Institute Louis Staudt, con i microarray possiamo guardare l'intero genoma e lasciare che la cellula cancerosa ci dica quali sono i geni importanti.

Il fiore all'occhiello degli sforzi del National Cancer Institute per dimostrare la validità dell'approccio del DNA-chip è il cosiddetto Lymphoma/Leukemia Molecular Profiling Project, diretto da Staudt. Lo studio sta esaminando il linfoma diffuso a grandi cellule B, un tumore relativamente comune dei globuli bianchi che colpisce più di 15.000 persone negli Stati Uniti ogni anno. Quando gli oncologi somministrano a quei pazienti trattamenti chemioterapici standard, circa il 40% risponde rapidamente. Il loro cancro si scioglie e la maggior parte è ancora viva cinque anni dopo la diagnosi. Ma di quell'altro 60 percento, la maggior parte non è così fortunata. Il cancro può andare in remissione brevemente, ma quando ritorna, ritorna con una vendetta. Alcuni pazienti a quel punto beneficiano di trattamenti con radiazioni e trapianti di midollo osseo, ma per la maggior parte è già troppo tardi per fermare la diffusione della malattia. Chiaramente c'è qualcosa di diverso nei due gruppi, ma al microscopio di un patologo le loro cellule cancerose sembrano identiche.

La risposta sorprendente è che questi pazienti rispondono in modo diverso al trattamento perché, di fatto, soffrono di tipi completamente diversi di linfoma. Usando quello che hanno soprannominato Lymphochip, un chip DNA personalizzato Affymetrix, Staudt e un gruppo di Stanford guidato dal genetista David Botstein hanno scoperto differenze genetiche distintive tra i tumori nei pazienti con linfoma a grandi cellule B che sono morti e quelli che sono sopravvissuti. Sono rimasto sbalordito da quello che abbiamo trovato, dice Botstein. In effetti, stavano esaminando due diverse malattie. È notevole, dice Staudt. Abbiamo trovato qualcosa in questa malattia che è mancato per tutti gli anni in cui i patologi l'hanno osservata.

Sono ora in corso progetti simili per profilare varie forme di cancro, dai diversi tipi di melanoma al cancro del colon. La maggior parte degli altri tumori presenta quadri simili a quelli del linfoma: alcuni pazienti migliorano e altri no, ma è impossibile prevedere chi risponderà alle terapie. Se ci fosse un modo per identificare i pazienti che non risponderanno alla chemioterapia standard, i medici potrebbero rivolgersi immediatamente a trattamenti alternativi e salvare vite umane. In effetti, afferma Pat Brown, un genetista della Stanford University School of Medicine che ha contribuito a inventare uno dei due principali tipi di chip al DNA, Sta venendo fuori la stessa storia per un mucchio di tumori che osserviamo: i tumori con esiti clinici diversi hanno sottotipi molecolari diversi . E conoscere il sottotipo preciso di cancro che affligge un paziente potrebbe aiutare i medici a scegliere i trattamenti giusti, fin dall'inizio.

Rilevamento perfezionato

Una volta che i ricercatori conosceranno le impronte digitali di diversi tipi di cancro, saranno in grado di creare chip di DNA personalizzati che i medici possono utilizzare per diagnosticare i pazienti con una precisione mai vista prima. Dice Staudt, I libri di testo sulla diagnostica del cancro verranno riscritti nei prossimi tre o quattro anni. [La diagnostica basata su DNA-chip] diventerà molto presto una tecnologia di routine.

Ma la capacità di leggere sottili cambiamenti genetici potrebbe consentire ai medici di fare di più che individuare l'esatta identità di un cancro; potrebbe anche aiutarli a leggere i primi segnali di allarme che le cellule normali stanno per diventare cancerose, molto prima che tali cambiamenti siano evidenti a un patologo. Questo è ciò che spera Melvyn Tockman, genetista del cancro della University of South Florida. Lui e i suoi colleghi stanno lavorando a un metodo di rilevamento precoce del cancro ai polmoni, un metodo che potrebbe rendere la cicatrice di John Leventhal una reliquia dei secoli bui della medicina.

I ricercatori prelevano campioni di espettorato da ex fumatori e utilizzano chip di DNA per analizzare quali geni sono attivi nelle cellule polmonari. Confrontando il profilo genetico di queste cellule danneggiate con i profili di cellule polmonari sane e cancerose, Tockman spera di trovare l'impronta digitale che indica che un cancro sta per formarsi. In futuro, un paziente a rischio di cancro ai polmoni potrebbe sottoporsi a un semplice test basato sul DNA-chip per questa impronta genetica ogni volta che si sottopone a un normale controllo.

Sono trascorsi alcuni anni, ma il vantaggio iniziale dei chip del DNA nel rilevamento del cancro potrebbe arrivare anche prima. I ricercatori stanno già utilizzando i chip per identificare le proteine ​​rivelatrici che possono essere rilevate dagli strumenti convenzionali di screening del cancro. Se un cancro ha cento geni espressi in modo univoco, spiega Mohan Iyer, vicepresidente dello sviluppo aziendale presso la diaDexus di Santa Clara, California, il successo è trovare una [delle proteine ​​per cui quei geni codificano] che può essere utilizzata in un semplice esame del sangue per lo screening degli individui per il cancro. Se si scoprisse che una proteina è unica per un determinato cancro, afferma Iyer, l'attrezzatura ospedaliera standard potrebbe facilmente rilevarla in un campione di sangue.

Con gli strumenti DNA-chip che ora aiutano a identificare le proteine ​​associate al cancro al seno, ai polmoni, al colon e alle ovaie, per citarne alcuni, Incyte Genomics, Corning e una manciata di altre aziende stanno sviluppando nuovi metodi di screening basati su proteine ​​per la diagnosi delle malattie . Questi nuovi test dovrebbero iniziare a raggiungere i laboratori diagnostici nei prossimi due anni circa.

Rimedi, rapidamente

Ma una diagnostica migliore comincerà a fare davvero la differenza solo quando sarà abbinata a trattamenti più efficaci, trattamenti messi a punto per combattere particolari tipi di cancro. Anche se riesci a distinguere 50 diversi linfomi, dice il patologo della Yale University School of Medicine Michael Kashgarian, cosa importa se è di tipo A o di tipo Z se la terapia è la stessa?

In quest'area della scoperta di farmaci antitumorali, anche i chip di DNA stanno svolgendo un ruolo chiave. Proprio come l'analisi rapida di un gran numero di geni sta aiutando a profilare il cancro per una migliore diagnostica, fornisce anche preziosi indizi su come attaccare le cellule tumorali.

I ricercatori hanno creduto a lungo che lo sviluppo di nuove terapie sarebbe iniziato con la ricerca di geni associati al cancro, ma gli ultimi due decenni sono stati pieni di delusione. Stephen Friend, un tempo ricercatore in oncologia presso il Whitehead Institute for Biomedical Research di Cambridge, MA, e ora amministratore delegato di Rosetta Inpharmatics a Seattle, incolpa quello che chiama l'approccio del mio gene preferito. I ricercatori biomedici impiegherebbero anni a rintracciare un gene associato a un particolare cancro, quindi procederanno sul presupposto che quel gene, o la proteina per cui è codificato, sarebbe un ottimo obiettivo per nuovi farmaci. Ma, dice Friend, c'erano in 999 casi su 1.000 che avresti sbagliato. Pochissimi geni lavorano da soli e in rapporti così semplici e diretti con il corpo da provocare malattie. Dio, siamo stati stupidi! lui dice.

Friend è ora convinto che le tecnologie come i chip del DNA che consentono ai ricercatori di trovare tutti i geni coinvolti in una malattia siano la strada da percorrere. (Rosetta svolge un ruolo in tale ricerca vendendo software e altri servizi per la lettura di microarray.) I chip del DNA non solo possono aiutare a identificare tutti i potenziali bersagli farmacologici per un determinato tipo di tumore, ma possono anche aiutare a escludere i geni che sono attivi in tessuti sani. In questo modo, i produttori di farmaci possono sviluppare trattamenti mirati con precisione che uccidono le cellule tumorali senza danneggiare altre parti del corpo. I farmaci, afferma Friend, verranno sviluppati a un decimo del costo e in un terzo del tempo migliorando il targeting e assicurando che i composti non raccogliere effetti collaterali indesiderati.

Eos Biotechnology, una società del sud di San Francisco che sta sviluppando nuove terapie contro il cancro utilizzando i chip del DNA del suo partner Affymetrix, sta scommettendo che ha ragione. Nei laboratori dell'azienda, il vicepresidente della ricerca genomica David Mack tiene in mano uno di quei chip, che contiene praticamente l'intero set di geni umani. La capacità di generare il genoma umano su un chip oggi è incredibile, dice. Eos utilizza i chip come piattaforma su cui confrontare l'attività genetica nelle cellule umane normali e, ad esempio, in una cellula del cancro al seno. I computer possono quindi selezionare i geni che sono attivi solo nella cellula malata. Inoltre, possono selezionare solo quei geni che presentano i migliori bersagli per i farmaci.

Sotto il tradizionale paradigma dello sviluppo dei farmaci, una volta che i ricercatori identificano una serie di potenziali bersagli, iniziano a imbattersi in sperimentazioni su animali e umane, con ipotesi plausibili su quali potenziali farmaci potrebbero essere efficaci contro un determinato bersaglio e quali di quei farmaci candidati potrebbero hanno effetti collaterali tossici. Molto spesso, è solo molto più tardi nel processo che i problemi di un candidato diventano evidenti, con un enorme costo in tempo e denaro.

Al contrario, Eos continua a utilizzare microarray e altre tecniche genomiche ad alto volume per testare i farmaci, prevedendo meglio quale sarà il più efficace e il meno tossico prima ancora che inizino i test più costosi. Secondo Mack, stiamo assistendo a dati basati sui dati la scienza ora, che non è stata il paradigma precedente. Grazie in parte all'uso di chip del DNA, l'azienda prevede nel prossimo anno di iniziare i test clinici del suo primo farmaco, che attacca la capacità di un tumore di generare il proprio apporto di sangue che sostiene la vita -con più di una dozzina di altri farmaci antitumorali che dovrebbero seguire rapidamente. La promessa di queste tecnologie di avere un impatto sui pazienti è finalmente arrivata, dice.

Sebbene i chip del DNA siano in circolazione solo da cinque anni circa, hanno già contribuito a introdurre una serie di nuovi farmaci nelle pipeline delle aziende farmaceutiche e a identificare molti potenziali nuovi bersagli farmacologici e fonti di diagnosi precoci. Con questi progressi, è probabile che la terapia del cancro diventi più complessa ed efficace nel prossimo decennio. Alla fine, l'impronta digitale del cancro di ogni paziente sarà soddisfatta con il giusto cocktail di farmaci o una combinazione di terapie. I medici disporranno di nuovi strumenti per diagnosticare e curare i tumori molto prima, quando le possibilità di cura sono di gran lunga migliori, e per monitorare i progressi del paziente, assicurandosi che i tumori non sviluppino resistenza al trattamento.

Potrebbe volerci più di un decennio prima che tali pratiche diventino la norma, ma se e quando lo faranno, cambieranno tutto per persone come John Leventhal. La sua (errata) diagnosi di cancro ai polmoni è arrivata quando aveva l'età in cui suo padre ricevette notizie del cancro che alla fine lo uccise, un fatto che aumentò il terrore di Leventhal quando seppe che avrebbe potuto avere il cancro. Ma se i suoi figli dovessero mai trovarsi nelle stesse scarpe, forse non avranno altrettanto da temere.

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