în luna aprilie a acestui an, am asistat la una dintre cele mai monumentale realizări în biologie: secvențierea completă a genomului uman. Decodarea și depunerea bazei de date a miliardelor de baze de secvență este punctul de plecare al genomicii funcționale postsecvență. Descoperirea tabelului Periodic a avut un impact important asupra chimiei., Deci, de asemenea, descifrarea completă a genomului uman va avea efecte impresionante asupra sănătății umane și a calității vieții. În prezent, înțelegem funcția unui număr limitat de gene umane. Studierea tuturor funcțiilor genelor umane este o provocare tehnologică. Pentru a face față acestei provocări, au fost dezvoltate noi instrumente de mare capacitate. Testul microarray este o tehnologie moleculară puternică care permite studiul simultan al expresiei a mii de gene sau a produselor lor ARN, oferind o imagine exactă a expresiei genelor în celulă sau eșantion la momentul studiului.,de exemplu, expresia tuturor genelor pentru rezistența la medicamente și metabolism sau a tuturor oncogenelor cunoscute într-o celulă poate fi detectată și măsurată în același interval de timp (Brown și Botstein, 1999; Collins, 1999; Lander, 1999). Microarray-ul poate fi definit ca o colecție ordonată de microspoturi (sondele), fiecare punct conținând o singură specie de acid nucleic și reprezentând genele de interes. Această tehnologie se bazează pe hibridizarea între țintele libere etichetate derivate dintr-o probă biologică și o serie de sonde ADN care sunt imobilizate pe o matrice (Southern et al.,, 1999). Țintele sunt produse prin transcripție inversă și etichetarea simultană a extractelor de ARN dintr-o probă biologică hibridizată cu sonde de fragmente de ADN. Semnalul de hibridizare produs pe fiecare sondă este nivelul de expresie a ARNm al genei corespunzătoare din eșantion la momentul studiului. Semnalele sunt detectate, cuantificate, integrate și normalizate cu software dedicat și reflectă „profilul expresiei genelor” sau „portretul molecular” pentru fiecare probă biologică.,multe mii sau zeci de mii de pete distincte pot fi imprimate pe un diapozitiv de siliciu sau de sticlă sau pe o bază solidă din nailon. Există în principal două variante de microarrays: cDNA și microarrays oligonucleotide (Schena et al., 1995, 1996; Lockhart și colab., 1996). Deși ambele tipuri de microarray sunt utilizate pentru a analiza tiparele de expresie a genelor, aceste variante sunt fundamental diferite (Lipshutz et al., 1999). În microarrazele cDNA, moleculele de ADN relativ lungi sunt imobilizate pe o suprafață solidă. Acest tip de microarray este folosit mai ales pentru screening-ul pe scară largă și studii de Expresie., Microarray-ul oligonucleotidic este fabricat prin sinteză chimică dirijată in situ sau prin sinteză convențională urmată de imobilizare pe o matrice de sticlă. Acest microarray este utilizat pentru detectarea mutațiilor, a cartografierii genelor și a studiilor de expresie și permite detectarea diferențială a membrilor familiei genetice sau a transcrierilor alternative care nu se disting prin microarrays ADNc.chimia microarray-ului în sine nu este nouă, deoarece tehnologia de hibridizare a fost bine stabilită de zeci de ani., Cu toate acestea, studiul simultan al mii de gene transformă tehnica microarray într-un instrument puternic de analiză a întregului sistem. Au trecut aproape 10 ani de la crearea primelor microarrays și totuși această tehnologie se îmbunătățește și avansează. De la introducerea sa inițială, numărul de aplicații microarray sa extins (Figura 1). Pornind de la utilizarea lor în screeningul genei și identificarea țintei, această tehnologie găsește noi aplicații, cum ar fi biologia dezvoltării, clasificarea bolilor, studiile de cale, descoperirea medicamentelor și toxicologia., Tehnologia implicată în producerea și utilizarea microarray-ului depășește domeniul de aplicare al acestei revizuiri, dar a fost revizuită pe larg în altă parte (Schena et al., 1995; Niemeyer și Blohm, 1999; Bowtell, 1999; Brown și Botstein, 1999; Celis și colab., 2000; Cheung și colab., 1999; Duggan și colab., 1999; Graves, 1999; Khan și colab., 1999; Hegde și colab., 2000; Meldrum, 2000). Descriem aici unele dintre evoluțiile recente și rezultatele tehnologiei microarray în cercetarea cancerului, discutăm problemele potențiale, descriem aplicațiile clinice și comentăm viitorul acestei tehnologii.,
importanța măsurare globală a expresiei genice în cancerul uman
Caracterizarea populației de transcris gene a dus la crearea unui termen nou, transcriptomului (Su et al., 2002)., Acest concept definește setul complet de gene transcrise exprimate ca ARN-uri mesager pentru o anumită specie. Transcriptomul, prin urmare, reprezintă universul mesagerilor ARN care pot codifica proteinele. Doar aproximativ 5% din gene sunt active într-o anumită celulă la un moment dat. Majoritatea genelor sunt reprimate, iar acest control poate apărea fie la nivel transcripțional, fie la nivel translațional. Deoarece reglarea expresiei proteinelor la nivelul transcripției este mai eficientă, majoritatea controlului are loc la acest nivel., Profilul expresiei genetice a unei celule determină funcția, fenotipul și răspunsul la stimuli externi. Prin urmare, profilurile de expresie a genelor pot ajuta la elucidarea funcțiilor celulare, a căilor biochimice și a mecanismelor de reglementare. În plus, profilurile de Expresie genică ale celulelor/țesuturilor bolii, comparativ cu controalele normale, pot promova înțelegerea patologiei bolii și pot identifica noi puncte terapeutice de intervenție, îmbunătățind diagnosticul și clarificând prognosticul.,în ultimii ani, au apărut mai multe metode de profilare a expresiei genelor și au fost aplicate cu succes cercetării cancerului. Acestea includ afișarea diferențială, analiza serială a expresiei genelor și microarrays (Velculescu et al., 1995; Granjeaud și colab., 1999; Cheng și colab., 2002). Microarrazele au devenit importante deoarece sunt mai ușor de utilizat, nu necesită secvențiere ADN pe scară largă și permit cuantificarea paralelă a mii de gene din mai multe probe., Profilarea expresiei genetice a cancerelor reprezintă cea mai mare categorie de cercetare folosind tehnologia microarray și pare a fi cea mai cuprinzătoare abordare pentru a caracteriza molecular cancerul. Deși fenotipul cancerului este determinat doar parțial de transcriptomul său, acesta oferă încă o imagine clară a stării fiziologice a celulei. Puterea de această abordare a fost demonstrată în studiile efectuate pe o mare varietate de tumori maligne, inclusiv cancerul de san, cap și gât, ficat, plămân, ovar, pancreas, prostată și stomac (Bhattacharjee et al.,, 2001; Dhanasekaran și colab., 2001; Garber și colab., 2001; Tonin și colab., 2001; al Moustafa și colab., 2002; Belbin și colab., 2002; Chen și colab., 2002; Han și colab., 2002; Hedenfalk și colab., 2002; Hippo și colab., 2002; Luo și colab., 2002a).,comparativ cu cea corespunzătoare eșantion de control, în scopul de a măsura diferențele și asemănările între cele două fenotipuri, cancer de stratificare, în care expresia genelor profile din diferite probe de același tip de cancer sunt comparate pentru a descoperi subgrupuri distincte de a defini mai bine moleculară clasificare de comun tipul histologic de cancer, și în cele din urmă temporale de evaluare a tumorii, în care expresia genelor modele din probele tumorale derivate din diferite etape de progresie sunt comparate pentru a elucida diferențele între începutul și stadiile avansate ale bolii., Deși au fost publicate numeroase studii de analiză microarray în boala umană, prezentăm aici unii dintre cei care au un interes clinic pentru oncologie.
Microarray și cancerul de prostată
Mai multe studii care utilizează microarrays pentru a caracteriza profilurile de expresie a genelor cancerului de prostată au fost publicate recent. Aceste studii au folosit tehnologia microarray ca instrument de descoperire a genelor pentru a identifica markerii genetici care discriminează între țesuturile normale și canceroase ale prostatei., Un studiu simplu microarray a fost efectuat folosind matrice de membrane reperate pentru a analiza țesuturile normale și canceroase și liniile celulare (Bull et al., 2001). Constatările microarray ale membranei sunt limitate de insensibilitatea relativă a acestei tehnici pentru a detecta transcrierile exprimate la niveluri scăzute și numărul mic de pete care pot fi plasate pe membrane; cu toate acestea, acest studiu a dat markeri candidați ai cancerului de prostată pentru o evaluare ulterioară., Cinci studii publicate au analizat profilurile de expresie a genelor în câteva mii de gene în țesuturile normale și de prostată și au folosit analize ierarhice nesupravegheate de grupare pentru a sorta specimene (Dhanasekaran et al., 2001; Luo și colab., 2001, 2002b; Welsh și colab., 2001a; Singh și colab., 2002). Dhanasekaran și colab. (2001) au fost capabili să distingă prostata normală, hiperplazia benignă de prostată (BPH), cancerul de prostată localizat și probele de cancer de prostată metastatic folosind microarrays 9,984 element-reperat. Folosind analiza grupării ierarhice, Luo și colab., (2001) au fost capabili să discrimineze 16 probe de cancer de prostată din nouă specimene BPH pe baza diferențelor în profilurile de expresie a genelor măsurate pe 6,500 microarrays cDNA reperate. Welsh și colab. (2001a) a raportat o sortare similară a probelor normale și maligne de țesut de prostată utilizând microarrays oligonucleotidice. Interesant, toate cele cinci grupuri identificate transmembranar serin-protează hepsin fi afișarea crescut semnificativ expresia în țesuturile maligne comparativ cu țesutul normal de prostată (Dhanasekaran et al., 2001; Luo și colab., 2001, 2002b; Welsh și colab.,, 2001a; Singh și colab., 2002). Multe alte candidat markeri de cancer de prostata, cum ar fi proto-oncogene PIM1 au apărut din alte studii și sunt investigate în continuare ca potențiali markeri de diagnostic. Diminuat PIM1 expresie pe imunohistochimie de prostata tumora probe conferă un risc crescut de reaparitie dupa o interventie chirurgicala (Dhanasekaran et al., 2001). Alte grupuri care utilizează combinații de hibridizare substractivă și analiză microarray au identificat mai mulți potențiali candidați pentru terapia imunomodulatoare a cancerului de prostată, inclusiv prostein (Xu et al.,, 2001), STEAP (Hubert et al., 1999) și p504S/Alfa-Metilacil-CoA-Racemază (Jiang et al., 2001). Într-un studiu foarte recent, Virolle și colab. (2003) a folosit o linie celulară de cancer de prostată care exprimă un nivel constitutiv ridicat al proteinei Egr1, un factor de transcripție supraexprimat în majoritatea celulelor tumorale agresive de cancer de prostată. Ei au evaluat Egr1 transcriptionala, prin efectuarea unui oligonucleotid analiza microarray folosind celule prestate deficitare în Egr1 ca eșantionul de referință pentru identificarea Egr1 genelor țintă., Pentru prima dată în țesuturile prostatei, acest studiu a confirmat creșterea-amplificator rolul de Egr1 observate anterior în alte sisteme celulare și a identificat mai multe noi gene tinta specific care controlează creșterea, progresiei ciclului celular și căilor apoptotice.până în prezent, au fost publicate doar câteva studii microarray relevante pentru cancerul oral. Chang și colab. (1998) a ilustrat utilizarea microarrazelor cDNA pentru a caracteriza genele legate de transformare în cancerul oral. Villaret și colab., a folosit o combinație de scădere ADN complementară și analiza microarray pentru a evalua genele unice specifice pentru carcinomul cu celule scuamoase al capului și gâtului (HNSCC) ca potențiali markeri tumorali și candidați la vaccin. Nouă gene cunoscute s-au dovedit a fi semnificativ supraexprimate în HNSCC în comparație cu țesutul normal. În plus, patru gene noi au fost supraexprimate într-un subset de tumori (Villaret et al., 2000). Alevizos și colab. (2001) a analizat transcriptomul în carcinomul cu celule scuamoase din cavitatea bucală., Ei au descoperit aproximativ 600 de gene candidate (oncogene, supresoare tumorale, factori de transcripție, markeri de diferențiere, proteine metastatice și enzime xenobiotice) care au fost exprimate diferențiat în cancerul oral, validând doar trei dintre aceste gene prin PCR.
Lu și colab. (2001) a folosit abordarea microarray pentru a evalua modificările profilului expresiei genelor în timpul inițierii și progresiei carcinomului cu celule scuamoase al esofagului., Ei au examinat profilurile de expresie a genelor în diferite etape ale inițierii și progresiei cancerului esofagian pentru a identifica genele exprimate diferențiat între aceste etape. Frierson și colab. (2002) a folosit analiza microarray oligonucleotidă pentru a studia expresia a 8.920 de gene umane diferite în 15 carcinoame adenoide chistice (ACC), o linie celulară ACC și cinci glande salivare majore normale., Printre gene, cu alterarea expresiei în ACC au fost cele care codifică factori de transcripție SOX4 și AP-2 gamma, cazeină kinaza 1, precum și epsilon și carliontat-7, ambele din care sunt membri ai Wnt/beta-catenin cale de semnalizare. Într-un studiu foarte recent, Leethanakul et al. (2003) a generat biblioteci cDNA de înaltă complexitate din captarea cu laser a epiteliului scuamos normal și canceros microdissected. În acest studiu, autorii au studiat informațiile de secvență disponibile folosind instrumente bioinformatice și au identificat 168 de gene noi exprimate diferențiat în epiteliul normal și malign., Mai mult decât atât, folosind matrice ADNc, au obținut dovezi că un subset al acestor gene noi ar putea fi foarte exprimate în HNSCC.având în vedere eterogenitatea clinică a cancerului de sân, tehnologia microarray poate fi un instrument ideal pentru a stabili o clasificare mai precisă. Studiile inițiale care utilizează profilarea expresiei bazate pe microarray au demonstrat capacitatea sa de a clasifica corect cancerele de sân negative ale receptorului de estrogen și ale receptorului de estrogen pozitiv (Perou et al., 2000; West și colab.,, 2001)și pentru a diferenția tumorile legate de BRCA1 de tumorile legate de BRCA2 și sporadice (Hedenfalk et al ., 2001; van ‘ t Veer și colab., 2002).
studiul lui van ‘ t Veer și colab. a fost unul dintre cele mai ample și informative studii efectuate până în prezent. Autorii au examinat 117 probe primare de sân prin profilarea expresiei genelor pe bază de microarray pentru a dezvolta profiluri prognostice și a le compara cu markerii prognostici cunoscuți în cancerul de sân. Din cele 5000 de gene cu profiluri de Expresie variabilă, 70 au fost identificate pentru o precizie optimă în predicția bolii recurente., Folosind această clasificare, autorii au prezis corect rezultatul real al bolii pentru 65 din cei 78 de pacienți. Cinci pacienți cu prognostic bun și opt pacienți cu prognostic slab au fost desemnați incorect. Markerii standard de prognostic în cancerul de sân au fost utilizați pentru a estima riscul de recurență a cancerului și pentru a ajuta la luarea deciziilor cu privire la terapia adjuvantă. Din păcate, markerii prognostici actuali nu identifică în mod adecvat cea mai corectă terapie pentru pacient., Puterea predictivă a abordării microarray este mult mai mare decât cea a abordărilor utilizate în prezent, dar trebuie validată în studii clinice mai prospective. Dacă valoarea prognostică a acestei abordări a fost confirmată, clasificatorul de profilare a expresiei ar avea ca rezultat o scădere de aproximativ patru ori la pacienții care au primit inutil terapie adjuvantă (Caldas și Aparicio, 2002).Martin și colab. (2001) a descris o metodă de identificare a cancerului de sân circulant printr-un proces în două etape de afișare diferențială și profilare de Expresie bazată pe matrice de înaltă sensibilitate., Chiar dacă potențialul acestei tehnici este promițător, sensibilitatea și specificitatea acesteia trebuie încă îmbunătățite și este necesară mai multă muncă pentru a determina semnificația clinică a detectării profilului expresiei genice în sângele periferic. Unele articole au demonstrat acum o legătură între profilurile de Expresie tumorală folosind tehnologia microarray și rezultatul clinic. De exemplu, Sorlie și colab. (2001) a demonstrat că subclasele tumorale definite prin profilarea expresiei pot prezice supraviețuirea fără boală și supraviețuirea globală, iar Sotiriou și colab., (2002) a arătat că profilurile de Expresie pretratament a prezis răspunsul clinic la chimioterapie intr-un mic eșantion de tumori de San. Deși studiul lui Sorlie și colab. a fost foarte provocator, autorii nu au comparat valoarea prognostică a grupurilor identificate prin gruparea ierarhică cu factorii de prognostic utilizați în prezent în cancerul de sân., Deoarece rezistența la medicamente în cancer este un obstacol major în calea chimioterapiei de succes, fezabilitatea obținerii unui profil molecular potențial sau a amprentei medicamentelor anticanceroase în celulele canceroase prin tehnologia microarray este esențială pentru a prezice răspunsul la chimioterapie. Kudoh și colab. (2000) a demonstrat această capacitate de a defini modificări ale profilurilor de expresie a genelor într-o linie celulară de cancer de sân tratată cu chimioterapie. Ei au monitorizat profilurile de Expresie ale celulelor cancerului de sân MCF-7 care au fost tratate tranzitoriu cu doxorubicină sau selectate pentru rezistență la doxorubicină., Acest studiu a arătat că tratamentul tranzitoriu cu doxorubicină a modificat expresia unui grup divers de gene într-o manieră dependentă de timp.în ultimii ani, mai mulți anchetatori au publicat studii interesante privind profilarea expresiei cancerelor ovariene. Martoglio și colab. (2000) a analizat profilurile expresiei genetice a cinci ovare normale și a patru probe de adenocarcinom ovarian papilar seros slab diferențiate., Folosind un mic „in-house” membrana de nailon adnc microarray, au găsit o creștere generală în angiogeneza legate de markeri (de exemplu, angiopoietin-1, VEGF), apoptotice și neoplazice markeri, răspuns imun mediatori și noi potențiali markeri de cancer ovarian (de exemplu, cofilin, moesin și neuron-restrictive amortizor factor de proteine) în țesutul tumoral. Studiul a fost interesant, deoarece au folosit o matrice low-cost ADNc adaptate pentru studii de cai specifice, cum ar fi angiogeneza și tumorigenesis., Deoarece este problematică accesarea unei cantități adecvate de țesut tumoral ovarian timpuriu, cercetătorii au folosit diferite strategii pentru a eluda nevoia de cantități de țesut cerute de obicei prin analiza microarray. De exemplu, Ismail și colab. (2000) a raportat un studiu de 864 de elemente ADN ecranate pe 10 linii de celule canceroase ovariene și cinci linii celulare epiteliale normale folosind culturi celulare pe termen scurt pentru a extinde epiteliul de suprafață ovarian înainte de extracția ARN., Alți investigatori purificat epiteliu ovarian prin proceduri in vitro, cum ar fi aderarea la sticlă sau îmbogățire imunomagnetică (Ono et al., 2000; Welsh și colab., 2001b). Cu toate acestea, aceste două abordări pot introduce prejudecăți în expresia genelor observate. De fapt, prima abordare (Ismail et al., 2000) utilizează celule canceroase cultivate, care pot să nu reflecte cancerele in vivo din cauza posibilității unor modificări secundare ale expresiei genelor care apar in vitro ca urmare a condițiilor de cultură. A doua strategie (Ono et al., 2000; Welsh și colab.,, 2001b) este foarte lungă și poate duce la degradarea mesagerilor ARN mai puțin stabili. Pentru a evita posibilele prejudecăți inerente culturilor in vitro utilizate în unele studii (Ismail et al., 2000; Matei et al., 2002), alți anchetatori au studiat modelele de expresie a genelor direct din tumorile rezecate chirurgical (Shridhar et al., 2001). Microarrays mici, specializate au mai multe avantaje practice și pot dezvălui informații care pot fi pierdute în microarrays mai mari. Sawiris și colab., (2002) au folosit-o extrem de specializate adnc microarray numit ‘Ovachip’, și a găsit acest microarray extrem de sensibile la diferențierea ovarian cancer de colon cancer pe baza modelelor de expresie genetică. Screeningul biomarkerilor pentru cancerul ovarian este foarte important din cauza stadiului tardiv al diagnosticului și a supraviețuirii slabe asociate cu acest tip de cancer., Recent, două studii au utilizat tehnologia microarray pentru a identifica două supraexprimate potențial cancer ovarian markeri serici numit osteopontin și prostasin, și raportate de validare preliminară de utilizare a acestora pentru depistarea precoce a bolii (Mok et al., 2001; Kim și colab., 2002).
Microarray și alte tipuri de cancer
aplicarea tehnologiei microarray la alte tipuri de cancer uman se extinde rapid. Studiul de pionierat al lui Golub și colab., (1999) au demonstrat posibilitatea de a distinge leucemie mieloidă acută și leucemie limfoblastică acută (ALL), bazate pe exprimarea genelor de monitorizare și cum, în situații simulate „oarbe” pentru diagnosticul histologic, cele două clase ar fi putut fi descoperit de expresia genelor modele singur. Alizadeh și colab. (2000) a identificat cele două forme de limfom difuz cu celule B mari (DLBCL) pe baza profilurilor de expresie a genelor care indică diferite etape ale diferențierii celulelor B., Interesant este că această clasificare moleculară are o valoare prognostică independentă de stratificare prin clasificarea clinică obișnuită. Pentru a studia expresia genelor în limfoide maligne, un mare grup de colaborare creat o specialitate microarray, numit ‘Lymphochip’, care este îmbogățit în genele care sunt selectiv exprimată în limfocite și în gene care reglementează funcția limfocitelor (iulia corina al et al., 1999). Acest grup a folosit acest microarray pentru a examina DLBCL și a găsit două forme diferite molecular ale acestei tumori., Mai mult, au demonstrat că subgrupurile DLBCL au definit un subgrup de pacienți cu un prognostic clinic distinct. Pentru a testa ipoteza că leucemia limfocitară cronică cu celule B (LLC) este mai mult de o boală, Rosenwald și colab. (2001) a legat tiparele de expresie a genelor CLL la statutul lor mutațional Ig și la alte tipuri de celule B normale și maligne. Interesant este că genele identificate ca fiind puternic exprimate în LLC în comparație cu DLBCL au fost exprimate echivalent în toate probele CLL, indiferent de statutul lor mutațional Ig., Acest studiu a sugerat că toate cazurile de LLC au împărtășit un mecanism comun de transformare și/sau celulă de origine. Un studiu recent (Stratowa et al., 2001) a propus o listă de potențiali noi markeri prognostici implicați în traficul de limfocite și asociați cu stadializarea bolii și/sau supraviețuirea pacientului.într-un studiu foarte recent, Gariboldi și colab. (2003) a analizat profilurile de expresie a genelor în țesutul normal al șoarecilor sensibili și rezistenți la tumori cutanate pentru a identifica genele care joacă un rol funcțional în susceptibilitatea genetică., Acest studiu a sugerat un rol al genei Scca2, membru al superfamiliei inhibitorului de serin protează, în predispoziția genetică la tumorile cutanate.
tehnologia Microarray a fost, de asemenea, utilizată în analiza melanomului (Bittner et al., 2000). Acest studiu a sugerat că profilurile de expresie a genelor din țesutul unui pacient individual pot fi conservate remarcabil în timp și că analiza globală a transcrierii poate identifica subtipurile nerecunoscute de melanom cutanat și poate prezice caracteristicile fenotipice verificabile experimental.,studiile asupra celulelor și țesuturilor cancerului de colon au demonstrat o suprimare semnificativă a genei kinazei, WEE1Hu (Backert et al., 1999).multe transcriptomi se schimbă după o supraexpresie specifică a genelor legate de tumori. De exemplu, am utilizat un sistem de Expresie mediat de adenovirus al genei supresoare tumorale RB2/p130 într-o linie celulară non-mică de cancer pulmonar pentru a identifica genele specifice care sunt reglementate de pRb2/p130 (Russo et al., 2003)., Rezultatele noastre microarray au identificat o varietate de gene implicate în multe procese celulare, inclusiv diviziunea celulară, semnalarea celulară/comunicarea celulară, structura celulară/motilitatea și expresia genelor și metabolismul. Aceste rezultate sugerează noi biomarkeri terapeutici potențiali în carcinomul pulmonar. În plus, rezultatele unui alt adnc microarray studiu indică faptul că supraexpresia de gena supresoare tumorală PTEN poate inhiba cancerul pulmonar invazie de creand un grup de gene (Hong et al., 2000)., Având în vedere datele de mai sus, este clar că abordarea microarray este foarte importantă în analiza unei varietăți de tipuri de tumori.