Urmele a 98 de boli într-o eprubetă: atlasul transcriptomului sanguin, din Erzurum în lume

Urmele a 98 de boli într-o singură eprubetă de sânge: atlasul transcriptomului sângelui integral, de la Erzurum pentru întreaga lume

Într-un studiu comun al Universității Atatürk și al SciLifeLab din Suedia, activitatea a aproximativ 20.000 de gene a fost măsurată în 2-3 ml de sânge recoltat de la 4.444 de persoane din Erzurum, iar „amprenta ARN” din sânge a 98 de afecțiuni diferite a fost cartografiată. Atlasul transcriptomului sângelui integral (Atlasul WBT), publicat în Nature Communications, reunește într-o singură resursă urmele pe care numeroase boli, de la cancer și sepsis până la diabet și boala Parkinson, le lasă asupra sistemului imunitar și a metabolismului. Atunci când ARN-ul din sânge și proteinele plasmatice au fost folosite împreună, modelul de inteligență artificială a deosebit corect 28 de afecțiuni în trei din patru probe. Ideea de a diferenția mai multe boli dintr-o singură probă de sânge cu ajutorul inteligenței artificiale am discutat-o și într-un articol anterior.

De ce este important acest subiect?

Sângele este un lichid care trece prin fiecare colț al organismului și poartă urmele bolilor. Astăzi, majoritatea testelor care caută urme de cancer în sânge analizează fragmentele de ADN eliberate de tumoră în circulație (biopsia lichidă) sau proteinele din plasmă. Transcriptomul sângelui integral deschide însă o altă fereastră: arată ce gene și în ce măsură sunt active, în acel moment, în celulele din sânge, în special în celulele imunitare. Cu alte cuvinte, citește mai puțin tumora în sine și mai mult răspunsul organismului la boală.

Studiul este important din două motive. Primul: este pentru prima dată când un atlas al transcriptomului sângelui integral la scară mare, axat pe boli, este construit la o asemenea amploare; potrivit autorilor, o resursă atât de cuprinzătoare nu exista până acum. Al doilea: studiul se bazează pe probe colectate în Turcia, la Erzurum. Probele au fost recoltate la Universitatea Atatürk și la Spitalul Regional de Instruire și Cercetare Erzurum, secvențierea ARN a fost efectuată la Istanbul, iar peste 90 dintre cei aproximativ 110 autori ai articolului sunt medici și cercetători din instituții din Turcia. Faptul că, în era „omică” începută odată cu Proiectul Genomului Uman, Turcia își ocupă locul de țară care produce date este, pentru noi, un motiv de bucurie în plus.

Ce este transcriptomul sângelui integral?

Transcriptomul sângelui integral reprezintă măsurarea tuturor moleculelor de ARN produse de genele active, la un moment dat, în celulele din sânge. Cea mai mare parte a ARN-ului din sânge provine din celule imunitare, precum neutrofilele și limfocitele. De aceea, transcriptomul sângelui integral oferă o fotografie a răspunsului imunitar și metabolic al organismului la infecții, inflamație, cancer sau boli metabolice.

Rolul secvențierii ARN din țesutul tumoral în tratamentul cancerului l-am prezentat în ghidul nostru despre secvențierea ARN; aici, aceeași tehnologie este aplicată sângelui. Dacă ADN-ul este asemănat cu o carte care conține toate rețetele unei celule, ARN-ul arată ce rețete se gătesc în acel moment. ARN-ul din sânge provine din patru surse: celulele imunitare (cea mai mare parte), eritrocitele (ARN-ul hemoglobinei), trombocitele și ARN-ul extracelular circulant. Deoarece ARN-ul hemoglobinei poate reprezenta mai mult de jumătate din totalul ARN-ului și poate acoperi celelalte semnale, în acest studiu el a fost îndepărtat în laborator; în final, genele hemoglobinei au coborât sub 0,85% din expresia totală.

Markerii tumorali i-am prezentat în detaliu în articolele noastre despre CEA, CA 19-9 și CA 125, iar testele de sânge multi-cancer în articolul nostru despre Galleri.

Cum a fost realizat studiul?

Ce s-a descoperit?

1. Boala este cea care modifică cel mai mult sângele

Cercetătorii au calculat cât din variabilitatea activității genelor din sânge se explică prin vârstă, sex, indicele de masă corporală și boală. Pentru majoritatea genelor cu cea mai mare variabilitate, boala a avut contribuția cea mai mare; vârsta s-a situat pe locul al doilea. Aceasta este o constatare fundamentală, care arată că sângele poartă într-adevăr informații despre boală.

2. Cancerele seamănă între ele, sepsisul și BPOC se diferențiază

Atunci când bolile au fost grupate după asemănările ARN-ului din sânge, cele cu mecanisme similare s-au regrupat: cancerele au format un grup, bolile neurologice un altul. În multe tipuri de cancer, răspunsurile la interferonul gamma și interferonul alfa erau crescute, ceea ce sugerează că sistemul imunitar reflectă prezența tumorii și în sânge. Leucemia, așa cum era de așteptat, a avut cea mai pronunțată și mai specifică semnătură sanguină, deoarece în leucemie boala o reprezintă chiar celulele sângelui.

Sepsisul și BPOC s-au diferențiat însă net de toate celelalte afecțiuni. În ambele, grupurile de gene asociate limfocitelor B, T și celulelor NK erau scăzute, iar activitatea metabolică era redusă; cu alte cuvinte, tabloul era unul de imunosupresie și epuizare energetică. În poliartrita reumatoidă și spondilita anchilozantă, în schimb, căile inflamatorii TNF-alfa și NF-κB erau semnificativ crescute.

3. Amprenta îmbătrânirii în sânge: pragurile de 25 și 75 de ani

A fost definită o „semnătură sanguină a îmbătrânirii” formată din cele 32 de gene cel mai puternic asociate cu vârsta. Aceste gene erau concentrate în căile inflamației asociate îmbătrânirii (inflammaging) și ale imunosenescenței, precum IL-2, TNF-alfa, mTOR și sistemul complement, și scădeau constant odată cu vârsta. Modelul construit cu aceste 32 de gene a estimat vârsta la 100 de persoane sănătoase independente cu o eroare medie de 8,2 ani; pentru un ceas al îmbătrânirii cu 33 de gene, dezvoltat în Coreea, eroarea a fost de 13,8 ani. Astfel, studiul aduce o contribuție și la dezbaterea privind vârsta cronologică și vârsta biologică.

Proporția celulelor imunitare din sânge se modifica și ea cu vârsta: în timp ce neutrofilele creșteau, limfocitele T CD4 „naive”, care nu au întâlnit încă niciun microb, scădeau progresiv. Interesant este că cele mai mari modificări s-au concentrat în jurul vârstelor de aproximativ 25 și 75 de ani, perioada dintre ele fiind relativ stabilă. La longevivii de peste 80 de ani, proporția neutrofilelor și a plasmablastelor era ridicată, iar limfocitele T și B naive erau puține, tablou concordant cu imunosenescența cunoscută.

4. ARN-ul și proteinele spun lucruri diferite

Când la aceleași persoane s-au măsurat atât ARN-ul, cât și proteinele, suprapunerea dintre genele și proteinele modificate în boală a fost foarte mică (indicele Jaccard între 0 și 0,13). Potrivit autorilor, ARN-ul reflectă procesele de reglare din interiorul celulei și starea celulară timpurie a bolii, în timp ce proteinele reflectă produsele finale și substanțele secretate. De exemplu, în sepsis, semnăturile proteice (IL1RL1, IL15, PTX3, CSF3) indicau o inflamație puternică, iar semnăturile ARN (PPARG, CYP1B1, OLAH) arătau dereglarea imunitară și stresul metabolic aflate la baza acesteia. Din acest motiv, utilizarea lor împreună oferă mai multe informații.

Cât de bine a reușit inteligența artificială să deosebească bolile?

Cercetătorii au selectat 29 de afecțiuni cu peste 40 de probe fiecare; modelul a fost antrenat pe 70% din date și testat pe 30%. Pentru separarea fiecărei boli de persoanele sănătoase, chiar și doar cele mai importante 10 gene au oferit performanțe ridicate (AUC 0,89-1,0 în setul de testare intern). Întrebarea cu adevărat dificilă era însă alta: privind sângele unei persoane, să se stabilească de care dintre cele 29 de afecțiuni suferă. Cu 10 gene pentru fiecare boală, rata de răspuns corect la această întrebare a fost de 64%.

Rezultatele s-au menținut în mare măsură și în seturile de date independente. Această validare este importantă, deoarece modelele de inteligență artificială dau adesea rezultate bune pe datele pe care au fost antrenate, dar slabe pe datele altor spitale.

Au fost identificate și câteva semnături notabile din perspectivă oncologică: PTP4A2, asociată cu progresia tumorală și diseminarea în cancerul pulmonar; CXCL12, care reglează microambientul tumoral în cancerul gastric; HLA-DRA, care reflectă un mediu tumoral „inflamat” imunologic în cancerul mamar. Dintre cele cinci afecțiuni în care semnăturile proteice au fost testate în UK Biobank, două au fost cancerul mamar și cancerul pulmonar. Totuși, studiul nu prezintă detaliat, pentru fiecare boală, dacă pacienții oncologici au fost recoltați la momentul diagnosticului sau în timpul tratamentului; de aceea, aceste rezultate nu pot fi utilizate direct pentru screeningul cancerului.

Care sunt limitele acestui studiu?

• O singură regiune, bazat pe spitale: Toate probele au provenit din două spitale din Erzurum. Deși autorii descriu cohorta ca „neselecționată”, participanții sunt persoane care s-au prezentat la spital; generalizabilitatea la alte zone geografice și origini etnice a fost testată doar parțial prin validările externe.
• Grupuri dezechilibrate: Pentru unele boli, numărul de probe este mic. Autorii au folosit metode statistice robuste la acest dezechilibru, dar rezultatele din grupurile mici sunt mai incerte.
• Analiză la nivel de boală: De exemplu, „cancerul pulmonar” a fost tratat ca un singur grup; subtipurile, stadiile și statusul terapeutic nu au fost analizate separat.
• Factori de confuzie: În afară de vârstă, sex și indicele de masă corporală, factori precum stilul de viață și medicația nu au fost luați complet în calcul.
• Design transversal: De la fiecare persoană s-a recoltat o singură probă; nu se știe dacă semnătura sanguină apare înaintea bolii, adică dacă poate fi folosită pentru diagnosticul precoce.
• Validare externă limitată: Modelele ARN au fost testate independent în 5 boli, iar modelele proteice în alte 5; pentru celelalte peste 90 de afecțiuni nu există validare externă.

Ce s-ar putea schimba în viitor?

Autorii precizează că atlasul se va extinde ca parte a inițiativei „Global 1M Phenome”, care țintește 1 milion de persoane. În viitor, teste multistrat care analizează dintr-o singură probă de sânge atât ADN-ul tumoral, cât și proteinele plasmatice și ARN-ul celulelor imunitare ar putea fi folosite împreună în diagnosticul precoce al bolilor și în monitorizarea răspunsului la tratament. Abordările bazate pe proteogenomică și inteligență artificială avansează rapid în această direcție. Screeningul cancerului de colon prin test de sânge și panelurile de diagnostic precoce în cancerul pancreatic sunt, astăzi, exemplele din acest domeniu cele mai apropiate de practica clinică.

Întrebări frecvente

Pot fi diagnosticate 98 de boli cu un singur test de sânge?

Nu, nu încă. Acest studiu este o resursă de cercetare care cartografiază urmele ARN din sânge ale 98 de afecțiuni. Modelul de inteligență artificială a deosebit corect 29 de afecțiuni în aproximativ două treimi din cazuri, iar atunci când ARN-ul și proteinele au fost folosite împreună, 28 de afecțiuni în trei sferturi din cazuri; aceasta nu este suficient pentru un test clinic.

Ce este transcriptomul sângelui integral?

Este măsurarea ARN-ului produs de cele aproximativ 20.000 de gene active, la un moment dat, în celulele din sânge, în special în celulele imunitare. Oferă o fotografie a răspunsului imunitar și metabolic al organismului la boli.

Poate acest test să depisteze cancerul precoce?

Nu se știe. Studiul a identificat semnături clare în sângele pacienților cu cancer, dar nu s-a testat dacă boala poate fi depistată precoce la persoane aparent sănătoase. În screeningul cancerului trebuie folosite metodele dovedite, precum colonoscopia, mamografia și testul HPV.

De ce este studiul important pentru Turcia?

Toate probele au fost colectate la Erzurum, iar secvențierea ARN a fost efectuată la Istanbul. Faptul că un set de date omice de o asemenea amploare din Turcia stă la baza unui atlas internațional este important, deoarece plasează țara printre cele care produc date în cercetarea biomedicală.

Glosar

Transcriptom

Ansamblul tuturor moleculelor de ARN produse într-o celulă sau într-un țesut la un moment dat.

Proteomică

Măsurarea simultană a unui număr mare de proteine din sânge sau din țesuturi.

ADN liber circulant

Fragmente de ADN eliberate în sânge de celule, inclusiv de cele tumorale; stă la baza biopsiei lichide.

AUC

Capacitatea unui test de a separa persoanele bolnave de cele sănătoase; 0,5 corespunde hazardului, iar 1,0 unei separări perfecte.

Scor F1

Măsură care combină capacitatea unui model de a identifica adevărații pozitivi și de a evita alarmele false.

Imunosenescență

Modificările care apar odată cu vârsta în numărul și funcția celulelor imunitare.