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精准肿瘤学研究的新进展

作者:Ann M. Bode & Zigang Dong来源:Nature

精准肿瘤学已发展成为一种聚焦于匹配最精确和有效治疗的方法。

每个患者都有独特的基因组、蛋白质组、表观基因组、微生物、生活方式、饮食和其他特征,这些相互作用共同影响肿瘤发生、疾病进展、有效的治疗选择、药物耐受性、缓解和复发。

癌症包括几百个异质性疾病,不仅存在于不同患者的癌细胞之间,而且在单个患者内的癌细胞之间也存在差异。

癌症有不断发展的特点,以逃避死亡,这就是为什么没有单一的药物可以有效的“治愈”癌症。

精确肿瘤学现在需要结合每个病人的独特特征,来指导免疫治疗和靶向治疗。

1年来的许多研究进展反映了这些精确肿瘤学的思想。

最近,焦点已经从治疗基于类型和组织学的癌症转移到治疗特定的癌症突变。

FDA的政策为采用“大数据”基因分析技术来指导患者治疗铺平了道路,例如美国国家癌症研究所(National Cancer Institute,NCI)宣布的NCI-MATCH (治疗选择之分子分析)或

NCI-MPACT(基于分子分型分配治疗方案)计划所描述的那些。


NCI宣布开始“基因型到表型”试验包括分子分析一肿瘤治疗方案“匹配”计划(NCI—Molecular Analysis for Therapy Choice,NCI MATCH)、

肺癌标志物鉴定和测序的临床试验(Adjuvant Lung CancerEnrichment Marker Identification and Sequencing Trials,AI。CHEMIST)、

通晓肺癌研究协议(Lung—MasterProtocol,Lung—MAP)、

基于分子分型分配治疗方案的研究(NCI—Molecular Profiling Based Assignment of CancerTherapy,NCI MPACT)这4个研究,及“表型到基因型”试验包括异常反应者研究。这几项关于肿瘤相关基因测序及靶向治疗药物的临床研究是精准医学起始事件,

2017年6月,FDA批准使用Ddabrafenib(即BRAF抑制剂)和曲美替尼(即MEK抑制剂)联合治疗患者,如果他们有BRAF V600 E突变的转移性非小细胞肺癌(NSCLC)。

然而,NGS测序的结果表明,大多数患者没有像BRAF V600 E这样的“可操作”突变。

换句话说,我们还没有一种药物可以针对每一个特定的突变进行鉴定。癌症也有不止一个突变。然而,联合疗法似乎有希望克服这些问题。


药物开发中的一个主要挑战是,传统上有一个10年时间框架,要求药物从第一期通过第二阶段和三期试验,并最终进入FDA批准用于临床。

这一时间框架已不再可接受,FDA已经开发了“突破性治疗指定”(BTTD)并加速了协议的批准,以加速该过程。

BTTD于2012首次批准,该策略是指单独或联合使用的药物来治疗危及生命的疾病或疾病。

该药物必须具有初步的临床证据,表明它的使用可以在一个或多个临床上比现有疗法有实质性的改善。被指定为突破性治疗的药物被给予加速审查和开发。

如果额外的试验证实了初步结果,那么FDA将定期批准。FDA加速批准计划是四种基于证据的策略之一,用于加速治疗治疗危及生命的疾病如癌症的评估。

2017年是在肿瘤和治疗进展领域的一个显著的年份。

蛋白激酶的异常激活常常是癌症的直接驱动或结果。

许多激酶信号通路驱动了肿瘤发展,如生存、代谢、运动、增殖、血管生成和逃避免疫监视。

因此,蛋白激酶被认为是药物开发的重要靶点,并且在2017年,一些新的药物和靶向蛋白激酶的免疫疗法被授予BTTD,加速或定期批准。

一个例子, lorlatinib,ALK/ROS1(C-ROS致癌基因1)酪氨酸激酶的抑制剂,被授予治疗间变性淋巴瘤激酶(ALK)阳性转移性NSCLC患者,先前用一个或多个ALK抑制剂治疗。

抗体-药物偶联物(ADC)已被开发用于对各种癌症的高度有效的靶向治疗。这些药物的目的是保留正常细胞,同时特异性靶向并杀死癌细胞。

这些复合分子由一种细胞毒性抗癌药物组成,和抗体结合,特定和理想地靶向仅在癌细胞上发现的蛋白质肿瘤标记物。

抗体附着在癌细胞表面上的靶蛋白上,这导致细胞反应,其中抗体和药物被吸收到癌细胞中,药物被释放以杀死细胞。

ADC治疗的目标是提高特异性,以减少靶向效应,这将最终减少伴随癌症治疗的副作用。


新的免疫疗法

基于基因组分析的进展,免疫肿瘤学和精确肿瘤学的领域正在迅速地更紧密地联系在一起。

随着免疫抑制剂的发现和T细胞治疗的发展,研究人员一直试图利用免疫系统对抗癌症。

2017年8月,FDA批准了第一个CAR-T细胞免疫治疗.

在2017,FDA还批准了几种新的免疫疗法, 针对程序性死亡配体-1(PD-L1)或程序化细胞死亡蛋白1(PD-1)。

与T细胞治疗相比,免疫检查点抑制剂治疗靶向内源性蛋白或受体。

PD-1是免疫球蛋白超家族成员中的一种细胞表面受体,在T细胞和PRO-B细胞上表达。

PD-1结合两个配体,PD-L1和PD-L2,一些证据表明PD-1及其配体减弱了免疫应答,从而阻止免疫系统杀死癌细胞。

PD-1抑制剂和PD-L1抑制剂正在被用来开发为多种类型癌症的治疗,包括晚期黑色素瘤、非小细胞肺癌、肾细胞癌、膀胱癌和霍奇金淋巴瘤。

它们通过破坏PD-1与PD-L1的关联而起作用,2017年,已在超过20000例患者、500个临床试验中被检验。

过去一年,FDA批准了几种PD-1相关免疫疗法,包括阿维单抗、杜伐单抗和尼沃莫单抗。

这些批准反映了癌症治疗中的大量突破性变化,以及FDA保证患者能够更快地获得这些救命治疗的意愿。

这些新出现的癌症治疗形式有望改变精确的肿瘤学。同时,安全和非靶标毒性,以及发展的阻力,是必须考虑的主要问题。

要解决的重要问题是,为什么有些患者做出反应,而另一些患者却没有,不知道为什么有些患者最初对治疗有反应,但最终会产生耐药性。

值得注意的是,PD-1或PD-L1的表达可能与所有患者的反应相关。此外,这些治疗是否能有效靶向实体肿瘤尚待确定。

最大的挑战之一是识别癌细胞的特异性蛋白,这些蛋白可以特异性靶向而不损伤正常细胞。


使用蛋白激酶抑制剂靶向癌症驱动基因是一种非常有效的工具,用于精确肿瘤学。

一系列活动集中于细胞周期依赖性激酶、CDK4和CDK6(CDK4/6),在许多类型的癌细胞中,它们通常被解除管制和过度激活。

大部分的兴趣集中在开发CDK4/6抑制剂,以减弱生长信号通路,并恢复癌细胞中细胞周期的控制。

2017年,FDA批准ribociclib(KISQALI)联合芳香化酶抑制剂,治疗绝经后妇女激素受体阳性、HER2阴性晚期或转移性乳腺癌。

CDK4/6已被广泛用于乳腺癌。值得注意的是,dabrafenib和trametinib的组合是第一个FDA批准的用于治疗BRAF V600 E突变阳性转移性非小细胞肺癌的患者,

其目标是突变而不是特异性癌症。


PARP抑制剂是靶向DNA损伤应答和DNA修复的最有前途的肿瘤药物新类别之一。

PARP酶在单细胞DNA断裂修复中起重要作用,PARP抑制剂可阻止DNA修复,导致细胞死亡。

这些抑制剂对显示基因突变的癌细胞尤其有效,这在同源重组的过程中是关键的,这是修复双链DNA断裂的关键。

例如,BRCA突变的存在和用PARP抑制剂治疗,阻断单链DNA断裂修复,将导致细胞死亡。

FDA已经批准了三个PARP抑制剂,包括olaparib, rucaparib, 和niraparib。Olaparib和RUCAPARIB用于BRCA突变卵巢癌患者,他们接受了先前的化疗。

niraparib用于铂类敏感复发性卵巢癌患者的维持治疗。至少有一项临床试验表明,olaparib对乳腺癌是有益的,而且更多的乳腺癌试验正在进行中。


纳米技术

最近的两项研究描述了两种不同的靶向和杀死癌细胞的方法。

第一个是由英国杜伦大学的研究人员在NATURE  17发表的,利用“纳米力学作用”的原理,分子机器使可以钻穿细胞脂质双层,以诱导细胞死亡。

分子“马达”被吸附在双层膜上,被紫外光激活,每秒旋转200万到300万次,打开细胞膜。研究人员表明,这些微小的纳米机器可以激发化学物质进入和流出活细胞,或直接诱导细胞死亡。

该马达以多种尺寸制造,并可携带设计用于靶向并杀死特定癌细胞的肽。纳米机器在基于细胞的系统中进行了测试,但它们还没有在更大的生物体中进行测试。

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第二项研究是亚利桑那州国家大学科学家、中国科学院国家纳米科学技术中心和澳大利亚QIMR Berghofer医学研究所的研究人员合作的结果。

在这项研究中,研究人员使用DNA折纸技术,纳米级折叠DNA创建纳米级2或3-D形状,以创建一个DNA纳米棒系统,以递送凝血酶到肿瘤。

“纳米机器人”可以特异性地靶向小鼠癌细胞中的血管生成,从而完全阻断血液供应。

纳米棒携带凝血酶到肿瘤相关的血管,导致血管内血栓形成,导致肿瘤坏死和肿瘤生长减少。

凝血酶是丝氨酸蛋白酶,通过将纤维蛋白原转化成纤维蛋白而引起血液凝固。值得注意的是,纳米机器人有效地靶向肿瘤细胞,而不是正常的健康细胞。

阻断血管生长有许多优点,包括适用于多种类型的实体瘤和降低发展风险的阻力。这是首次报告纳米级机器人成功地将药物输送到特定的地方,来治疗哺乳动物的肿瘤。

每个纳米机器人由排列在片材中的DNA片段组成,四个凝血酶分子附着在表面上。

每片被折叠成中空的管状,以包裹凝血酶,保护其免受降解,并防止其与健康细胞的相互作用。将纳米机器人静脉注射到小鼠体内,它们通过血流到达肿瘤部位。通过将DNA适体(即与特定靶分子结合的寡核苷酸或肽分子)附着在其表面上,将纳米机器人编程为仅附着于癌细胞。

在这种情况下,DNA适体直接靶向在肿瘤相关内皮细胞上发现的核仁。

在2天内,纳米机器人成功地附着在肿瘤血管上,导致凝块和抑制血液供应,导致肿瘤细胞死亡。值得注意的是,纳米机器人只接触肿瘤细胞,对正常细胞没有影响。

纳米机器人已经在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌和肺癌小鼠模型中进行了测试,希望将该技术移植到人类身上。这可能是癌症治疗的一个重大突破。


许多抗癌疗法通过一种叫做凋亡的过程诱导癌细胞死亡,这需要激活被称为半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的蛋白质。

细胞凋亡通常是由线粒体膜电位的破坏引起的,这导致线粒体外膜透化(MOMP)。凋亡的过程并不总是杀死所有的癌细胞,这可能导致复发,有时导致癌症进展的增加。

一个新的和有前途的研究领域涉及一种称为胱天蛋白酶非依赖性细胞死亡(CICD)的过程,在该过程中,即使在没有半胱氨酸天冬氨酸酶活性的情况下,细胞也会在MOMP后死亡。


CRISPR/CAS9在美国的临床试验

科学家建议使用CRISPR DNA切割技术来删除程序性死亡-1(PD-1)受体,并用一种新的受体去除和替换缺损的T细胞受体(TCR),该新的受体被设计来对特定癌症(NyCE T细胞)发出警报。

收集患者血液,T细胞将被隔离和用CRISPR编辑,然后再输回受试者。基本上,这项研究将将正常人体免疫细胞转化为癌细胞杀手,宾夕法尼亚大学官员希望这项试验能在2018年初很快开始。稍后将在欧洲进行更多的试验。


胶质母细胞瘤的研究进展

科学家开发了两种新的策略,可以延长GBM患者的寿命。第一个策略涉及一种被称为肿瘤治疗领域(TTFs)的新技术。

TTFs是低强度电场,被认为能够通过阻断细胞分裂来抑制癌症的生长。GBM病人头上戴一个装置持续至少18小时,电场通过皮肤治理病人。

该装置被批准与替莫唑胺(即烷化剂)化疗、手术、化疗或放疗联合使用。

与仅接受化疗的患者相比,使用该装置的患者的中位生存率从5%增加到13%,5年生存率增加了一倍多。

对GBM的第二个主要进展,是发现对老年GBM患者,在短疗程放疗中加入替莫唑胺化疗,比单纯放疗的生存时间更长。


大数据处理进展

概念证明研究使用了beta版的Watson基因组学技术来帮助解释从病人获取的GBM样本的全基因组测序数据。

目标是用三个不同的平台分析样本,并比较每个平台潜在的可操作调用。

该平台包括商业靶板、全基因组测序(WGS)和RNA测序(RNA-Seq)的DNA分析。

WGS和RNA SEQ获得的数据由肿瘤学家和生物信息学专家或IBM Watson基因组分析(WGA)进行分析。

WGA是一个自动化的系统,优先考虑体细胞变异和识别候选药物。

WGS/RNA的变异鉴定最好,特别是WGA在10分钟内完成分析,而人分析要160小时。因此,结合WGA与手动分析可以有效地帮助医生在较短的时间内识别更多的患者。


液体活组织检查

研究表明,肿瘤衍生的DNA变化可以用癌症患者血浆中的无细胞DNA(CFDNA)检测,这通常在正常人中没有发现。

循环肿瘤细胞或循环肿瘤衍生的CFDNA有潜力被用作预后或预测生物标志物,来监测患者的治疗反应。

正在开发的技术将允许更敏感和具体的测序血浆中的CFDNA。这种测序CFDNA的技术被称为液体活组织检查,并且比肿瘤测序具有一些优点。

肿瘤活检是很有侵袭性的,在患者中是不可重复的,而液体活检只需要血液样本,可以重复一次以上。液体活组织检查有可能有效地监测治疗反应,并可作为早期检测工具。

而关于CFDNA的生理学或生物学的知识,它的起源、它是如何进入循环的,这些问题,需要更多的研究来回答。


精确肿瘤学现在包括精确免疫疗法、精确信息学、精确靶向治疗和基于下一代测序和基因组分析的特异性细胞工程。新兴的临床癌症治疗正在逐步和越来越多地结合不同和不同的靶向治疗,并将这些疗法与传统疗法如化疗和放疗配对,以解决癌症的许多方面。


基因图谱中最大的挑战之一是对结果的解释。在大量的基因中会观察到变化,但哪些变化将被认为是“可操作的”、或功能相关的、或生物学意义重大的?

如何应对耐药?这几乎普遍发生在癌症靶向治疗中。

在临床中成功实施精确肿瘤学最重要的变量是什么?显然,我们必须确定已证实的、有效的治疗靶点,并开发直接与这些靶相互作用的药物,从而使其失活和消除。


单个机构不能完全负责理解癌症复杂性的各个方面。如果机构不相互交谈,那么有效和高效的肿瘤学的实现是行不通的。

了解这些疾病,以及如何准确地治疗这些疾病,绝对需要全球范围内的研究和医疗机构之间的巨大协作和综合努力。



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参考文献

Recent advances in precision oncology research

Ann M. Bode & Zigang Dong


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