Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка эпигеномных и метаболомных сигнатур в стуле и крови для ранней диагностики рака прямой кишки.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
рак прямой кишки; эпигенетические биомаркеры; микрорнк; модификации хроматина; метаболом; поиск ключевых элементов; сеть передачи сигналов; машинное обучение.

Цель проекта:
Рак прямой кишки является наиболее распространенной формой злокачественных опухолей кишечника. При выявлении заболевания на I стадии и адекватной терапии выживаемость пациентов составляет 90%; выживаемость пациентов с раком прямой кишки IV стадии составляет не более 6%. Цель настоящего проекта - выявить диагностически значимые для ранней диагностики рака прямой кишки комбинированные молекулярные биомаркеры в крови и стуле и разработать на их основе макет тест-системы для ранней диагностики рака прямой кишки. Предполагается выявлять наборы биомаркеров, которые связаны причинно- следственными взаимоотношениями с ключевыми элементами молекулярных механизмов возникновения и прогрессирования рака прямой кишки.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Выявление набора (до 10-ти) соматических геномных (вариации, делеции-вставки), эпигеномных (метилирование геномнои ДНК), а также метаболомных (липиды, сахара) маркеров, скоррелированных с различными стадиями рака прямой кишки (по 300 пациентам с раком прямой кишки) и связанных с первичными механизмами заболевания. Экспериментальная валидация выявленных маркеров с помощью RT-PCR.

2. Создание усовершенствованного алгоритма поиска ключевых элементов регуляции для их применения в больших сетевых моделях (графах) (более 100 элементов) с учетом множественности путей прохождения сигнала.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1) Полученные результаты и созданая научная продукция имеет следующие ос-новные характеристики:
а) Пречень биомаркеров созданный на основании литературных источников (было проанализировано более 100 статей) содержит 17 наборов ДНК биомаркеров (метилированных и не метилированных) определяемых в кале, один набор определе-ния РНК в кале, два набора микроРНК в кале и 10 наборов ДНК, РНК и микроРНК биомаркеров в плазме и в целой крови. Среди наиболее эффективных потенциальных биомаркеров выделяют в первую очередь такие метилированые гены как: vimentin, SFRP2, TFPI2, APC, KRAS, p53.
б) Перечень потенциальных биомаркеров найленых на этом эиапе по результа-там анализа баз данных содержит 31 генов, детекция повышенной экспрессии которых может быть осуществена по уровю РНК. Среди них наиболее яркие представители это следующие гены: GTF2IRD1, ANLN, RCN1, MCM10, AURKA, MLTK, CDC6, MYBL2.
в) Компьютерная платформа BioUML была проинсталирована на специализиро-ванном сервере с большим объемом дискового пространста (до 50 TB) и с обеспечени-ем поралльных вычислений на нескольких виртуальных машинах. Для этого система была специальным образом адаптирована, чтобы эффективно решать задачи с боль-шим объемом данных. В результате платформа проинсталирована с пакетом про-граммных модулей составляющем более 120 модулей и более 50 автоматических кон-вейеров для выполнения необходимых вычислений.
г) В результате компьютерного анализа RNA-seq данных образцов клиническо-го материала опухолей рака прямой кишки в сравнении с нормальными тканями ки-шечника был получен список новых потенциальных биомаркеров состащий из 69 ге-нов, которые были выбраны для характеристики опухоли с самым высоким уровнем микросателлитной неустойчивости. Эти гены включают в себя BLP2, CLSPN, IKBIP, PLK2, PSME2 и TP73, которые играют роль в регуляции контрольной точки клеточно-го цикла и реакции на повреждения ДНК.
д) В результате компьютерного анализа данных по ДНК метилированию образ-цов клинического материала опухолей рака прямой кишки первой стадии в сравнении с образцами более поздних стадий был получен список новых потенциальных биомар-керов ДНК метилирования, состащий из 95 CpG районов генома. Из них выделяются участки находящиеся в промоторах и энхансерах таких генов как: MUM1L1, VAT1L, CHST11, CTNND2, NTM.

2) Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявших методик и решений.
Научные решения и применяемые в данном проекте методики обладают высо-кой новизной по сравнению с существующими в настояший момент методиками ана-лиза данных и поиска биомаркеров. Можно выделить следующие элементы новизны:
а) эпигенетические биомаркеры, указывающие на причину нарушения генной экспрессии по сравнению чисто статистическими экспрессионными биомаркерами;
б) робастные биомаркеры, устойчивые к статистической вариации выборки па-циентов по сравнению с биомаркерами чувствительными к выборке пациентов;
в) направленный поиск уникальной комбинации биомаркеров с наиболее высо-кой чувствительностью и специфичностью, основанный на механизме заболевания по сравнению со слепым перебором при поиске комбинации биомаркеров с низкими ито-говыми значениями чувствительности и специфичности;
г) универсальная биоинформационная платформа BioUML способная анализи-ровать большие объемы информации и объединять различные омиксные данные при поиске молекулярных механизмов заболевания по сравнению с очень ограничеными по своим возможностям и разрозненным программными продуктами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Областью применения результата проекта является здравоохранение, а имен-но онкологические диспансеры, оснащенные стандартными клиническими лаборато-риями. При широком внедрении в практику метод раннего выявления рака прямой кишки на основе эпигеномных и метаболомных сигнатур может стать эффективным инструментом профилактики запущенных стадий заболевания. Несмотря на ряд госу-дарственных инициатив, уровень доступности диагностики и терапии онкологических заболеваний в РФ остается достаточно низким. Известно, что выявление онкозаболе-ваний на ранних стадиях определяет выживаемость пациентов. В связи с чем, повы-шение качества медицинской помощи онкологическим больным состоит прежде всего в развитии методов выявления злокачественных опухолей на ранних стадиях.
Описание областей применения полученных результатов (области науки и тех-ники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использовать-ся или уже используются полученные результаты или созданная на их основе иннова-ционная продукция);
Полученые результаты могут применяться также в широких научных исследова-ниях механизма канцерогенеза для различных типов рака. Методы и алгоритмы разра-ботанные в данном проекте могут также применяться для анализа данных по полноге-номному анализу транскриптомных и эпигеномных данных для большога круга онко-логических заболеваний и других патологий человека и животных.
2) Основной результат настоящего проекта - макет тест-системы для ранней диа-гностики рака прямой кишки на основе выявления биомаркеров. Для внедрения в кли-ническую практику тест-система должна пройти процедуру государственной реги-страция медицинских изделий. Выполнение исследования с помощью разрабатывае-мой тест-системы будет включать традиционные методы, актуальные в существую-щих клинических лабораториях. Таким образом, лаборатория любого учреждения он-кологической службы РФ сможет самостоятельно выполнять исследование в формате скрининга.
Нужно еще про дизайн исследования и его применимость для других раков. Описание практического внедрения полученных результатов или перспектив их ис-пользования;
Полученные в данном проекте методы анализа омикных данных, а также списки полученых потенциальных онко-маркеров могут быть применены для выявления пер-спективных маркеров в других типах рака. Для этого необходимо проведение допол-нительных исследований полученых биомаркеров на образцах пациентов с другими типами рака. После проведения таких исследований возможно быстрое внедрение та-ких биомаркеров в медицинскую практику.
3) В настоящее время в мире выполняется множество работ, направленных на изучение механизмов инициации и развития рака прямой кишки, включая такие мас-штабные международные проекты как: ICGC и SysCol. Накоплены огромные объемы экспериментальных данных о генетических и эпигенетических нарушениях, ассоции-рованных с раком прямой кишки. Из всего многообразия молекулярных событий да-леко не каждое имеет потенциал маркера. Большая часть исследований по поиску биомаркеров основа на статистических корреляциях без учета связи с механизмами патологии. Дизайн настоящего исследования включает выявление сети онкогенных молекулярных взаимодействий каждого потенциального маркера, которые приводят к активации специфичных генов и неконтролируемому клеточному росту, метастазиро-ванию или возникновению резистентности к препаратам.

Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических реше-ний; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соот-ветствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния полу-ченных результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудни-чества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении разви-тия материально-технической и информационной инфраструктуры.
Результаты полученые в ходе данных исследований, а также методы и компью-терные программы развитые для проведения анализа данных в данном проекте могут оказать большое влияние на дальнейшее развитие научно-технических направлений и разработки новых технических решений при создании новых тест для диагностики различных раковых заболеваний а также для возможного создания сопутствующих биомаркеров при лечении рака. Дело в том, что подходы к поиску биомаркеров пред-лагаемые в данном проекте в первую очередь основаны на изучении механизма канце-рогенеза и на интегрированном анализе всех доступных омиксных данных. Такой под-ход несомненно окажется востребованным и результативным также и других смежных областях онкологических исследований. Кроме того, поскольку в данном проекте осо-бое внимание уделяется анализу данных полученных в ходе международного проекта SysCol, несомненно результаты нашего проекта окажут большое влияние на дальней-шее развитие исследований в рамках международного сотрудничества. Мы надеемся на дальнейшее развитие этих исследований в рамках возможных совместных проектов в таких Европейских программах как Horizon-2020 и EuroTransBio.

Текущие результаты проекта:
1. С помощью сопряженного анализа стадия-специфичного метилирования ДНК, выявлены модификации хроматина, скоррелированные со стадиями и механизмами развития рака прямой кишки. Выделено следующее количество значимых модификаций хроматина: 33 для I стадии рака, 14 для II стадии, 14 для III стадии, и 57 для IV стадии.
2. В результате комплексного анализа мы выявили участок метилирования cg041***** в гене ZN****, связанный с механизмом развития рака прямой кишки, и поэтому являющийся одним из самых лучших кандидатов для дальнейшего исследования в качестве перспективного биомаркера.
3. Выявлены статистически значимые модификации геномной ДНК, такие как делеции и вставки коротких фрагментов ДНК, скоррелированные со стадиями и механизмами развития рака прямой кишки. Суммарно, выделено 600 значимых вариаций и модификаций геномной ДНК в 104 различных генах генома человека.
4. Одним из самых статистически значимых сигнальных путей с большим количеством соматических мутаций оказался «Rac1 путь». Известно, что мутации в Rac1 гене вовлечены в возникновение и развитие таких типов рака как меланома и немелкоклеточный рак легкого.
Мы можем предположить. что эти модификации появляются на различных этапах канцерогенеза. Модификации хроматина возникают на более ранних стадиях канцерогенеза, а модификации геномной ДНК появляются позже.