Profily nízkomolekulárního proteomového spektra získané pomocí hmotnostní spektrometrie SELDI-TOF v sérech pacientů s diseminovaným maligním melanomem: pilotní studie

Česká verzia English info

Profiles of Low-Molecular Proteome Spectrum Obtained through SELDI-TOF Mass Spectrometry in the Sera of Patients with Metastatic Malignant Melanoma: Pilot Study

Backgrounds:
Recently, research at genetic and molecular levels has extensively accelerated due to advances in new technologies. Since the mid-90s, a relatively new discipline – clinical proteomics, has evolved, which focuses on studying gene products – proteins. The evaluation of protein profiles may contribute to the more accurate stratification of patients in the future, in terms of both prediction of treatment results and prognosis. In pursuing this objective, proteomic approaches are currently used for the identification of new biomarkers. This is also the case with malignant melanoma, a disease without typical serum marker possessing high sensitivity and high specificity. Methods: We analyzed human blood serum samples from 25 patients with metastatic malignant melanoma treated with palliative chemotherapy at the Masaryk Memorial Cancer Institute, Brno, in 2004–2006. The analysis was performed by Surface Enhanced Laser Desorption/Ionisation Time of Flight Mass Spectrometry (SELDI-TOF-MS). Our patients were divided into two subgroups: a group relatively resistant to chemotherapy – 14 patients – and a group with certain clinical benefit from the treatment (complete and partial remission, stabilized disease) – 11 patients. We were searching for a new biomarker or typical protein profile in the selected two subgroups. Then, we recategorized our patients into three groups according to the similarity of their protein profiles regardless of sensitivity to chemotherapy. Finally, we evaluated differences in laboratory and clinical parameters, between both the groups of chemo resistant and chemo-sensitive patients, and newly defined subgroups with similar protein profiles. Conclusion: We did not identify any significant differences in protein profiles or laboratory parameters in the predefined chemo-sensitive or chemo resistant groups of patients. However, with regard to the new groups with similar protein profiles, we identified a subgroup of patients with different laboratory and clinical parameters. The results are very interesting and merit further research.

Key words:
proteomic – biomarkers – SELDI-TOF-MS

Autoři: R. Lakomý ¹; K. Greplová ²; R. Pilný ²; E. Budinská ³; D. Valík ²; A. Poprach ¹; R. Němeček ¹; R. Vyzula ¹
Působiště autorů: Klinika komplexní onkologické péče, Masarykův onkologický ústav, Brno2 Oddělení laboratorní medicíny, Masarykův onkologický ústav, Brno3 Institut biostatistiky a analýz, Masarykova univerzita, Brno ¹
Vyšlo v časopise: Klin Onkol 2009; 22(5): 228-232
Kategorie: Původní práce

Souhrn

Úvod:
Výzkum na genetické a molekulární úrovni dosahuje v posledních letech nebývalého rozvoje. Od poloviny 90. let se rozvíjí vědní obor – proteomika, která se zabývá studiem genových produktů – bílkovin. Hodnocení bílkovinných profilů v budoucnu pravděpodobně přispěje k přesnější stratifikaci pacientů z pohledu jak predikce léčebné odpovědi, tak i prognózy. S tímto cílem je v dnešní době proteomika využívána k identifikaci nových biomarkerů. Jinak tomu není ani u maligního melanomu, diagnózy bez jasného sérového markeru s vysokou senzitivitou a specificitou. Metody: Pomocí surface-enhanced laser desorption/ionisation time of flight mass spectrometry (SELDI-TOF-MS) jsme provedli pilotní analýzu proteinového spektra u 25 pacientů s diseminovaným maligním melanonem, léčených paliativní systémovou chemoterapií na našem pracovišti v letech 2004–2006. Soubor byl rozdělen na dvě skupiny: skupina s nádory rezistentními k chemoterapii – 14 pacientů – a skupina, která měla určitý klinický benefit z podané léčby (kompletní a parciální remise, stabilizace onemocnění) – 11 pacientů. Cílem experimentu bylo objevit proteinové profily charakteristické pro tyto skupiny a dále na základě všech proteinových profilů bez ohledu na léčebnou odpověď provést rozdělení celého souboru pacientů do nových podskupin. Závěrem nás zajímaly rozdíly v laboratorních a klinických parametrech, a to jak mezi skupinami chemorezistentních a chemosenzitivních pacientů, tak i mezi nově vytvořenými podskupinami s podobnými proteinovými profily. Závěr: U klinických skupin chemorezistentních a chemosenzitivních pacientů se nám nepodařilo najít signifikantní rozdíly v proteinových profilech ani laboratorních parametrech. U nově vytvořených podskupin z hlediska podobných proteinových profilů se nám podařilo vytipovat pacienty, kteří se od ostatních lišili v laboratorních i klinických parametrech. Výsledky jsou velmi zajímavé a je vhodné pokračovat v dalším výzkumu.

Klíčová slova:
proteomika – biomarkery – SELDI-TOF-MS

Úvod

Lidský genom je tvořen jen cca 40 000 geny, kdežto proteom – funkční produkt genetické informace (soubor proteinů) – je podstatně složitější a dle odborných odhadů je cca 10–20krát početnější. Jeho podoba je dosti variabilní a je podmíněna mnoha faktory, jako je věk, pohlaví, vnější prostředí, přidružená onemocnění, farmakologická léčba. Jeho dynamičnost je nezbytná pro přežití a je základem adaptačních mechanizmů organizmu.

V oblasti výzkumu nádorových chorob je stále více úsilí věnováno identifikaci nových biomarkerů, podle kterých by bylo možné relativně rychle, levně a spolehlivě diagnostikovat počáteční stadia nádorových onemocnění, event. jejich recidivu, dále hodnotit léčebnou odpověď, predikovat efekt protinádorové léčby a podat bližší informace stran celkové prognózy pacientů.

Na základě zkušeností z klinické praxe je zřejmé, že prognóza pacientů s diseminovaným maligním melanomem je velmi vážná. Onemocnění je obecně považováno za chemo- a radiorezistentní a i multimodální přístup zahrnující kombinovanou chemo-(imuno-)terapii, radioterapii a paliativní chirurgické výkony špatnou prognózu pacientů většinou významně neovlivní.

Přesto se mezi nemocnými s diseminovaným maligním melanomem objeví jedinci s relativně lepší prognózou, bez tendence k časné multiorgánové diseminaci, onemocnění relativně chemosenzitivní, u kterých systémová léčba může prodloužit období bez příznaků nemoci i celkové přežití. Na druhé straně jsou naopak jedinci s evidentně chemorezistentním onemocněním, progredující i přes intenzivní kombinovanou systémovou léčbu a umírající na rychlou progresi během několika málo měsíců.

Dle klinických průběhů onemocnění je jasné, že rozdílné odpovědi k systémové léčbě (chemoterapie, imunoterapie) nesouvisí jen s léčbou samotnou, ale jsou též ovlivněny rozdílným biologickým chováním vlastního nádorového onemocnění a složitými vztahy mezi hostitelem a nádorem (graf. 1).

**Graf 1. Incidence a mortalita na zhoubný melanom kůže.**

Materiál a metoda

Předmětem zájmu byli pacienti s diseminovaným maligním melanomem (chemoterapií dosud nepředléčení), kteří podstoupili paliativní chemoterapii (± imunoterapii) 1. linie (tab. 1).

**Tab. 1. Popisná charakteristika analyzovaného souboru pacientů.**

Volba režimu byla určována celkovým stavem pacienta, věkem, interkurencemi a rozsahem onemocnění. U pacientů v mladším věku, v dobrém celkové stavu, bez závažných kardiovaskulárních onemocnění, s normálními renálními funkcemi byl preferován režim CVD (cisplatina-vinblastin dakarbazin) ± imunoterapie (interferon alfa 2a, interleukin 2) – režim dle Leghy. Pro pacienty s vysokým rizikem kardiovaskulárních komplikací, renální insuficiencí nebo postižením CNS v dobrém stavu byl indikován režim s nitrosureou – BOLD (bleomycin vinkristin lomustin dakarbazin) a u pacientů starších, polymorbidních byl doporučen pouze dakarbazin v monoterapii.

Do souboru bylo zařazeno celkem 25 pacientů, 18 mužů a 7 žen, kteří započali paliativní systémovou chemo-(imuno) terapii v MOÚ od srpna 2005 do února 2007. Všichni pacienti měli před zahájením paliativní chemoterapie proveden odběr krve, který jsme uskutečnili do uzavřeného odběrového systému Monovette firmy Sarstedt (Německo) do zkumavky Neutral. Krev jsme nechali srazit po dobu alespoň 45 min, centrifugovali 20 min při 1 000g a vzniklé sérum jsme zamrazili při –70 °C, z alikvotu dále byly provedeny standardní laboratorní vyšetření včetně CRP, laktátdehydrogenáza – LDH, protein S100b, flowcytometrie a další.

Po absolvování 2–3 cyklů chemoterapie následovalo přešetření zobrazovacími metodami ke zhodnocení léčebné odpovědi.

Na podzim 2007 jsme séra pacientů podrobili proteomické analýze pomocí SELDI-TOF-MS. Měření jsme prováděli na čtyřech typech aktivních chromatografických čipů – a) afinitní chromatografie na imobilizovaných iontech kovů (Cu2+), tzv. IMAC, b) chromatografie vázající hydrofobní proteiny vazbou na nepolární povrch C12, tzv. H50, a c,d) chromatografickým hydrofilním povrchem, tzv. normální fází, která byla promývána kyselou nebo zásaditou organickou směsí [1]. Přípravu vzorku jsme provedli denaturací séra v roztoku vzniklém smícháním 9 mol/l^–1 močoviny (Fluka, USA), v níž jsme rozpustili iontový detergent 3-(3-cholamidopropyl)dimethylammonio)-propansulfonát (CHAPS, Fluka, USA) v koncentraci 20g/l^–1 a následně přidali dithiothreitol (DTT, Sigma Aldrich, USA) na výslednou koncentraci 10 mmol/l^–1. Sérum jsme smíchali s touto denaturační směsí v poměru 1 + 1. Takto připravený vzorek jsme 30 min inkubovali při laboratorní teplotě, poté 10 min promíchali na třepačce a 10 min centrifugovali při 14 000g a 4 °C. Všechny vzorky jsme měřili v triplikátu, tj. celkem jsme naměřili 75 spekter na čtyřech površích, naměřené proteomické profily jsme statisticky vyhodnotili programem Biomarker Wizard dodávaným firmou Ciphergen (USA, dnes Bio-Rad USA). Výsledky našeho měření jsme pak spolu s dalšími laboratorními parametry postoupili statistické analýze.

Cílem pilotního projektu pomocí SELDI-TOF-MS bylo nejprve objevit proteinové profily charakteristické pro skupiny pacientů absolutně chemorezistentních a pacientů s určitou léčebnou odpovědí (stabilizace, parciální a kompletní remise), poté celý soubor dle podobnosti proteinových profilů přerozdělit do nových podskupin, bez ohledu na léčebnou odpověď a na závěr zjistit rozdíly mezi laboratorními a klinickými parametry u skupin chemorezistentních a chemosenzitivních pacientů a též mezi nově vytvořenými podskupinami s podobnými proteinovými profily.

Pro tyto účely byly použity následující metody: Significance analysis of microarrays (SAM), shluková analýza s maticí vzdáleností odvozenou od Spearmanovy korelace a algoritmy shlukování – average linkage, complete linkage, Ward a DIANA a Mann Whitney test pro porovnání parametrů mezi skupinami chemorezistentních a chemosenzitivních pacientů a Kruskall Wallis test pro porovnání parametrů mezi nalezenými novými skupinami.

Výsledky

Převážně byl použit režim CVD – 14 pacientů, režim BOLD – 6 pacientů a dakarbazin v monoterapii – 5 pacientů. U 4 pacientů léčených režimem CVD byly do kombinace přidány cytokiny, ve dvou případech interleukin 2 a v dalších dvou kromě interleukinu-2 i interferon alfa 2a (režim dle Leghy).

V daném souboru pacientů byla u 14 konstatována progrese onemocnění (PD), u 7 stabilizace onemocnění (SD), u 3 parciální remise (PR) a pouze u 1 pacienta byla zaznamenána kompletní remise (CR) (tab. 2).

**Tab. 2. Výsledek léčby v závislosti od použitého režimu.**

Dle očekávání měli pacienti s postižením kůže, podkoží a uzlin delší přežití a vyšší četnost léčebných odpovědí. Výjimkou byli dva pacienti, kteří měli masivní kožní postižení končetiny, bez tendence k orgánové diseminaci, relativně dlouhou dobou přežití (téměř dva roky), a přesto zcela rezistentní k podávané systémové léčbě. V případě postižení vnitřních orgánů na tom byli lépe pacienti s plicními metastázami. Nejhorší výsledky z hlediska léčby i přežití měli pacienti s postižením jater, kostí, střev a mozku.

Statistické zhodnocení

Hodnocení proteinových profilů u skupin pacientů absolutně chemorezistentních a pacientů s určitou léčebnou odpovědí (stabilizace, parciální a kompletní remise)
Metodou SAM se nám nepodařilo nalézt specifické proteiny nebo proteinové spektrum v daných skupinách pacientů. Celkem bylo hodnoceno 142 píků.
Shluková analýza všech proteinových profilů a rozdělení do nových podskupin bez ohledu na léčebnou odpověď.
Metodou shlukové analýzy jsme shlukovali proteinové profily každého povrchu zvlášť a na základě podobnosti daných profilů jsme soubor přerozdělili na 3 podskupiny (tab. 3–4; obr. 2).
Porovnání laboratorních a klinických parametrů u pacientů chemorezistentních vs chemosenzitivních a též mezi podskupinami s podobnými proteinovými profily.

**Tab. 3. Rozdělení souboru na tři podskupiny dle podobnosti proteinových profilů a ztah k léčebné odpovědi.**

Tab. 4. Exprese píků definujících shluky vytvořené shlukováním všech povrchů algoritmem DIANA. + znamená zvýšenou, – sníženou hladinou výskytu v oblasti píku oproti ostatním shlukům.

Mezi skupinami chemorezistentních a chemosenzitivních pacientů jsme neshledali signifikantní rozdíly v laboratorních parametrech, z klinických parametrů měli chemosenzitivní pacienti častěji postižení kůže a podkoží.
Mezi skupinami 1–3 (rozdělení dle podobných proteinových profilů) jsme nalezli významné trendy jak v laboratorních, tak i v klinických parametrech, a to především ve skupině 1. Tato skupina čtyř pacientů měla signifikantně vyšší hladinu proteinu S100B (p = 0,008), CRP (p = 0,021) a signifikantně nižší hladinu albuminu (p = 0,007) a hemoglobinu (p = 0,013). Z klinických parametrů u 1. skupiny dominovalo postižení jater (p < 0,001), plic (p = 0,021) a uzlin (p = 0,001). Vzhledem k nízkému počtu pacientů ve skupině 1 jsou uvedené p-hodnoty spíše orientační a nelze z nich vyvozovat obecně platné závěry.

Závěr

Ve skupinách chemorezistentních a chemosenzitivních pacientů s diseminovaným maligním melanonem se nám metodou SELDI-TOF-MS zatím nepodařilo identifikovat evidentní odlišný protein nebo specifické proteinové spektrum. Pomocí shlukovací analýzy se nám ale podařilo rozdělit soubor na podskupiny s podobnými proteinovými profily, které měly také korelaci v určitých laboratorních a klinických parametrech, což hodnotíme jako zajímavý a nečekaný výsledek. Výsledky našeho pilotního hodnocení mohou být jistě ovlivněny malým souborem pacientů, jeho nehomogenitou jak z pohledu použité léčby, tak z pohledu rozdílného rozsahu onemocnění.

Obr. 1. Heatmapa zobrazující výsledek shlukování DIANA na všech površích. Řádky představují jednotlivé pacienty, sloupce jednotlivé m/ z. Barevně jsou dále odlišeni pacienti (modrá – chemosenzitivní pacient, červená – chemorezistentní pacient) i povrchy (H50 – černá, IMAC – modrá, NP20 kys – zelená, NP20zas – červená). Jednotlivé buňky zobrazují intenzitu výskytu jednotlivých fragmentů na příslušných m/ z, a to na barevné škále v rozmezí od nejnižší hodnoty (0 – červená), po nejvyšší (100 – bílá; viz Color Key). Černé horizontální přímky vymezují tři skupiny pacientů.

Zavedení analýz proteomových profilů do onkologické praxe k přesnější stratifikaci pacientů a jejich nádorových onemocnění má pravděpodobně obrovský potenciál. Dle typických proteinových profilů bude šance s určitou pravděpodobností odhalit časná stadia onemocnění, optimalizovat léčbu, predikovat a hodnotit její efektivitu, blíže podat informace o předpokládané prognóze. Své místo může mít potenciálně i k zachycení časného, terapií ovlivnitelného relapsu onemocnění.

MUDr. Radek Lakomý
Klinika komplexní onkologické péče
Masarykův onkologický ústav
Žlutý kopec 7
656 53 Brno
e-mail: lakomy@mou.cz

Zdroje

1. Pilný R, Michalová E, Brožková K et al. Příprava biologického materiálu pro metodu SELDI TOF MS. Brno: Edukační sborník XXXI. Brněnské onkologické dny 2007: 360.

2. Wilson LL, Tran L, Morton DL. Detection of differentially expressed proteins in early stage melanoma patients using SELDI-TOF mass spectrometry. Ann NY Acad Sci 2004, 158: 40–50.

3. Helanová S, Vyzula R, Žaloudík J et al. Technologie ciphergen – nová perspektiva v proteomice. Klinická onkologie 2004; 17 (5): 157–161.

4. Liotta LA, Petricoin EF. General keynote: proteomic patterns in sera serve as biomarkers of ovarian cancer. Gynecol Oncol 2003; 88(1Pt 2): S25–S28. Discussion S37–S42.

5. Mian S, Ugurel S, Parkinson E. Serum Proteomic Fingerprinting Discriminates Between Clinical Stages and Predicts Disease Progression in Melanoma Patients. J Clin Oncol 2005; 23: 5088–5093.

6. Litvak A, Gupta R, Yee R. Endogenous Immune Response to Early and Intermediate-Stage Melanoma Is Correlated with Outcomes and Is Independent of Locoregional Relapse and Standard Prognostic Factors. J Am Coll Surg 2004; 198: 27–35.

7. Ding Y, Prieto V, Zhang P. Nuclear Expression of the Antiapoptotic Protein Survivin in Malignant Melanoma. Cancer 2006; 106: 1123–1129.

8. Geilen Ch, Georgieva J, Milling A. Malignant Melanoma – Markers for Progression and Prognosis in Malignant Melanoma, Front Radiat Ther Oncol. Basel: Karger 2006; 39: 120–126.

9. Češková P, Brožková K, Hernychová L et al. Hmotnostní spektrometrie v kvantitativní a diagnostické proteomice: možnosti a limitace. Chem listy 2006; 100 (11): 974–979.

10. Brožková K, Knoflíčková D, Hernychová L et al. Identifikace potenciálních biomarkerů karcinomu prsu metodou SELDI-TOF-MS. Klin onkol 2007; 20(6): 377–383.

11. Pilny R, Bouchal P, Borilova S et al. Surface-Enhanced Laser Desorption Ionization/Time-of-Flight Mass Spectrometry Reveals Significant Artifacts in Serum Obtained from Clot Activator-Containing Collection Devices. Clin Chem 2006; 52(11): 2115–2116.

12. Dušek L, Mužík J, Kubásek M et al. Český národní webový portál epidemiologie nádorů [online]. Masarykova univerzita. Přístup z 2. 2. 2008. http://www.svod.cz. Verze 7.0.

13. Tusher VG, Tibshirani R et al. Significance analysis of microarrays applied to the ionizing radiation response. Proc NaH Aca Sci USA 2001; 98(9): 5116–5121.