종양 단백질과 유전자를 분석하는 데 훨씬 적은 조직을 사용하는 새로운 접근 방식

종양 단백질과 유전자를 분석하는 데 훨씬 적은 조직을 사용하는 새로운 접근 방식

2020년 2월 27일

유전적 변이를 검사하기 위해 종양을 분석하는 것은 환자가 특정 표적 요법의 후보인지와 같은 중요한 정보를 제공할 수 있으며, 증가하는 암 치료에 있어 중요한 면이다. 그러나 종양 생물학자들은 종양 세포의 단백질에 대한 보다 자세한 정보를 포함하여 종양이 어떻게 작용하는지를 이해하기 위해 DNA를 넘어 여러 층의 정보를 통합하는 것의 가치를 점점 더 이해하게 되었다.

현재, 연구자들은 이전에 사용했던 것보다 훨씬 적은 양의 조직을 사용하는 결합 분자 분석을 하는 방법을 개발했다. 이 "미세" 접근법을 사용하여, 연구원들은 왜 일부 유방암에 걸린 여성들은 표적 치료법에 잘 반응하고 다른 여성들은 그렇지 않은지 알아낼 수 있었다.

이 접근방식은 단백질체학(단백질 유전 정보학)으로 알려진 종양의 단백질 분석을 암 치료에 도입하는 한 단계의 진전이 될 수 있다고 연구 저자들은 믿고 있다. 지금까지 단백체 분석은 너무 많은 조직을 즉각적인 임상 효용이 되도록 요구해 왔지만, 이 연구에서 중심부 바늘 생체검사에서 얻은 조직의 양은 종양의 단백질 프로필과 그 유전적 변화를 분석하기에 충분했다.

HER2 양성 유방암을 앓고 있는 14명의 여성에게서 치료를 시작하기 전과 직후에 채취한 중심부 생검으로, 베일러 의과대학과 브로드 연구소의 한 연구팀은 다른 9명은 반응한 반면에 왜 이들 여성 중 5명이 HER2 표적 치료에 반응하지 않는지 설명할 수 있었다.

NCI가 지원하는 연구 결과들은 1월 27일 네이처 커뮤니케이션즈에서 발표되었다.

"이것은 매우 흥미로운 접근입니다,"라고 유방암을 전공한 스탠포드 대학 의학 센터의 종양학자인 조지 슬레지 박사는 말했다. 그는 이 접근법이 특히 여러 의료 센터에 걸쳐 더 큰 규모의 환자 그룹에서 검증된다면 더 넓은 유방암 커뮤니티에서 관심을 끌 것으로 기대하고 있다.

게놈의 끝 부분

암은 종종 게놈의 질병으로 묘사되는데, 이는 암이 DNA의 변이에 의해 발생한다는 것을 의미한다. 게놈은 단백질을 만드는 지침을 제공하며, 세포 성장을 조절하는 단백질이며, 전형적으로 정밀 의학의 표적이 된다.

"단백질은 암세포를 포함한 거의 모든 세포의 주요 기능을 수행하는 게놈의 끝 부분이다,"라고 브로드 연구소 단백체학 연구의 수석 책임자인 스티븐 카 박사는 말했다. 그러나 임상 환경에서 적용될 수 있는 테스트에서 단백질과 그 작용에 영향을 미치는 화학적 변화를 전 세계적으로 측정하는 방법은 없었다.

많은 종류의 유전자 검사들이 이미 클리닉에서 사용되고 있다. 예를 들어, 많은 표적 치료법들은 "동반 진단법"이라고 알려진 것을 가지고 있는데, 이 약들이 작용하는 종양의 특정 유전자 변이를 식별하기 위해 승인된 것이다. 그리고 미 식품의약국은 보다 포괄적인 게놈 분석을 승인했는데, 슬레지 박사는 전이성 암을 분석하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다고 말했다.

"대부분의 약은 단백질을 뒤쫓는다. 당신이 표적으로 삼는 분자를 직접 분석하는 것이 약이 효과적인지 여부를 알 수 있는 가장 효과적인 방법이 될 것입니다,"라고 NCI의 암 클리닉 단백체학 연구소(OCCPR)장인 헨리 로드리게스 박사는 말했다. OCCPR은 베일러와 브로드 팀이 속한 Clinical Protectomic Tumor Analysis Consortium을 감독한다.

미소微小 프로테오지노믹스의 관로 개발

※프로테오지노믹스(proteogenomics) : 단백체학(protemics)과 게놈학(genomics)을 포괄하는 연구 분야

지금까지 단백질과 유전자변이에 대한 합동분석은 수술 중 제거된 "10센트 동전 크기의 종양 조각"을 필요로 했다고 베일러 소재 레스터& 수 스미스 유방센터의 메튜 엘리스 박사가 설명했다.

이와는 대조적으로, 진단을 내리고 치료의 초기 과정을 지시하기 위해 수술보다는 먼저 환자의 치료에서 외래환자 대상으로 중심 생체검사를 한다. 중심 생체검사는 수술 중 제거하는 조직보다 훨씬 적은 양을 함유하고 있기 때문에 Broad와 Baylor의 연구원들은 이 훨씬 더 작은 샘플에서 유사한 정보를 얻을 수 있는 기법을 개발했다.

"수술 표본에 대한 단백체유전학(프로테오지노믹스) 분석을 할 때 조직은 일반적으로 동결된 후 분말로 분쇄되어 DNA, RNA, 단백질 분석에 균일한 물질을 사용할 수 있다"고 브로드 연구소 소속의 샹카 셋파티 박사는 설명했다. 그러나 중심 생체검사로는 그러한 접근법을 취할 충분한 조직을 채취할 수 없다. 대신 균일한 샘플을 분석하기 위해 중심생검 조직을 얇은 조각으로 나누어 조각들을 균일하게 섞이도록 잘 섞었다.

아주 작은 물질에서 가능한 한 많은 정보를 추출할 수 있기 위해, 연구원들은 DNA와 단백질을 동시에 추출한 다음 질량 분석계라고 알려진 장치에서 검출하고 분류하기 쉽게 하는 방법으로 단백질에 라벨을 붙였다. 그들은 또한 샘플 간의 정확한 비교를 가능하게 하는 방법으로 단백질 샘플을 결합했다고 연구원들은 보고했다.

임상 실습에서 유용하기 위해서는 단백체유전체학(프로테오지노믹스) 분석이 조직뿐만 아니라 시간을 효율적으로 사용할 필요가 있다. 현재, 게놈 분석은 2주에서 3주가 걸린다고 슬레지 박사는 말한다. 그는 "환자들을 기다리게 하는 것은 고통스러운 일이지만, 더 확실한 정보를 제공하고 치료 선택사항에 대해 좀 더 미묘한 관찰이 가능하다면 지연할 만한 가치가 있다"고 말했다.

카 박사는 추가적인 개발로, 이러한 프로테오지노믹 기법이 게놈과 단백체학적 결과를 유전학만으로 유사한 기간 내에 전달할 수 있기를 희망한다고 말했다.

개념의 증명: HER2-양성 유방암

단백체유전자 분석을 위한 그들의 새로운 접근방식이 실제 상황에서 어떻게 작용하는지 보기 위해, 연구원들은 HER2 양성 유방암으로 진단받은 여성들로부터의 종양 샘플에서 프로테오지노믹스를 실험했는데, 그들은 HER2 단백질에 결합하고 그들이 작용하는 항체인 트라스투즈맙(상표명 ; 허셉틴)으로 치료받고 있었다.

HER2 양성 유방암 진단을 받은 환자 중 적어도 5분의 1은 트라스투주맙에 적절하게 반응하지 않는다고 엘리스 박사는 설명했다. 이 환자들이 누구인지 알아낼 수 있다는 것은 큰 가치가 있을 것이다. 트라스투주맙은 비싸고 심각한 부작용을 일으킬 수 있다. 게다가, 환자에게 더 도움이 될 수 있는 치료법의 사용을 지연시키는데 반응하지 않는 약을 주는 것은 더 도움이 될 수 있다고 그는 덧붙였다.

연구원들은 치료 전 그리고 트라스투주맙 치료가 시작된 지 48‒72시간 후에 HER2 양성 유방암에 걸린 소수의 여성에게서 채취한 중심 생검 샘플을 분석했다. 연구원들은 단백체유전체학 분석을 통해, 왜 어떤 환자들이 그 약에 반응하지 않는지 설명할 수 있다는 것을 발견했다.

치료에 반응한 9명의 환자 모두에게서, 연구원들은 치료가 시작된 후 HER2 단백질 활동 수준이 치료 전 보다 낮다는 것을 발견했다. 반응하지 않은 5명의 환자 중 단백체유전학은 그 이유에 대한 중요한 단서를 제공했다. "예를 들어, 종양 세포가 HER2 증폭을 가졌지만, HER2 단백질 발현이 낮아서, 위(거짓) 양성 임상실험을 암시하고 있다"라고 셋파티 박사는 설명했다.

또 다른 환자의 종양은 HER2 발현율이 높았지만 세포 표면을 코팅하고 트라스투주맙이 암세포에 HER2에 결합되는 것을 막을 수 있는 단백질인 뮤신 또한 과도하게 발현되었다.

환자의 종양에 대한 추가 분석 결과 mTOR라는 단백질의 활동이 증가했다. 뮤신과 HER2 단백질을 과다하게 발현하는 유방암 세포의 실험실에서 트라스투주맙과 mTOR를 표적으로 삼는 약인 에버롤리무스(상표명 : 아피니토르)를 결합하여 세포를 죽이는 데 성공했다.

엘리스 박사는 "표적요법 시대에는 한 치료법이 올바른 선택이고 효과가 있을 것이라는 것을 아는 것이 중요하다"고 말했다.

슬레지 박사는 "이 자료는 HER2 양성 모집단에 속하지만, 3중 음성 유방암과 잠재적으로 다른 암에 걸린 여성과 같이 단백질 분석 접근법이 다른 사람들에게 적용될 수 없는 이유는 없다"고 말했다.

New Approach Uses Much Less Tissue to Analyze Tumor Proteins and Genes

February 27, 2020, by NCI Staff

Analyzing tumors for genetic changes can provide important information, such as whether a patient is a candidate for a specific targeted therapy, and is an important aspect of treatment for a growing number of cancers. But tumor biologists are increasingly coming to understand the value of integrating multiple layers of information beyond DNA changes to understand how tumors function, including more detailed information about the proteins in tumor cells.

Now, researchers have developed a way to do combined molecular analyses that uses a much smaller amount of tissue than has previously been possible. Using this “microscaled” approach, the researchers were able to find out why some women with breast cancer responded well to a targeted treatment and others did not.

This approach could be a step toward bringing the analysis of proteins in tumors, known as proteomics, into cancer care, the study authors believe. Until now, proteomic analysis has required too much tissue to be of immediate clinical utility, but in this study the amount of tissue obtained in single core needle biopsies was enough to analyze a tumor’s protein profile as well as its genetic changes.

With core needle biopsies collected from 14 women with HER2-positive breast cancer both before and just after starting treatment, a research team from Baylor College of Medicine and the Broad Institute was able to explain why 5 of those women did not respond to HER2-targeted therapy while the other 9 did.

The findings from the NCI-supported study were published January 27 in Nature Communications.

“This is a very interesting approach,” commented George Sledge, M.D., an oncologist at Stanford University Medical Center who specializes in breast cancer. He expects the approach to draw interest from the wider breast cancer community, especially if it is validated in a larger group of patients across multiple medical centers.

The Business End of the Genome

Cancer is often described as a disease of the genome, meaning that cancer is caused by changes in DNA. The genome provides the instructions for making proteins, and it is proteins that control cell growth and are typically the target of precision drugs.

“Proteins are the business end of the genome, carrying out nearly all key functions in cells, including in cancer cells,” said one of the study investigators, Steven Carr, Ph.D., the senior director of proteomics research at the Broad Institute. But there hasn’t been a way to globally measure proteins and the chemical changes that affect their behavior in a test that could be applied in a clinical setting.

Many types of genetic tests are already being used in the clinic. For example, many targeted therapies have what are known as “companion diagnostics” that are approved to identify the specific genetic alterations in tumors that those drugs act on. And the Food and Drug Administration has approved more comprehensive genomic assays, which Dr. Sledge said are increasingly being used to analyze metastatic cancers.

“The vast majority of drugs go after proteins. To directly analyze the molecule that you’re targeting would be the most effective way to tell if a drug will be effective,” said Henry Rodriguez, Ph.D., director of NCI’s Office of Cancer Clinical Proteomics Research (OCCPR). The OCCPR oversees the Clinical Proteomic Tumor Analysis Consortium, of which the Baylor and Broad teams are members.

Developing a “Microscaled Proteogenomics Pipeline”

Until now, joint analysis of proteins and genetic changes, known as proteogenomics, required “dime-sized pieces of tumor” that were removed during surgery, explained Matthew Ellis, M.D., Ph.D., director of the Lester and Sue Smith Breast Center at Baylor.

By contrast, core needle biopsies are collected in an outpatient setting, earlier in a patient’s care than surgery, to help make a diagnosis and to direct the initial course of therapy. Core needle biopsies contain much less tissue than is removed during surgery, so researchers at Broad and Baylor developed techniques to obtain similar information from these much smaller samples.

When doing proteogenomic analysis on surgical samples, the tissue is typically frozen and then pulverized into powder so that uniform material can be used for DNA, RNA, and protein analysis, explained Shankha Satpathy, Ph.D., of the Broad Institute and member of the study team. But there is not enough tissue in core biopsies to take that approach. Instead, to analyze uniform samples, the needle biopsy tissue was carved into thin slices, which were then shuffled to uniformly mix the slices.

To be able to extract as much information as possible from so little material, the researchers extracted both DNA and protein simultaneously and then labeled proteins in a way that made them easier to detect and classify in a device known as a mass spectrometer. They also combined protein samples in a way that allowed for accurate comparison between samples, the researchers reported.

To be useful in clinical practice, proteogenomic analysis needs to make efficient use of time as well as tissue. Currently, genomic analysis takes 2 to 3 weeks, Dr. Sledge says. The wait can be wrenching for patients, but “the delay is worthwhile if it gives more definitive information and a more nuanced look at treatment options,” he said.

Dr. Carr said he is hopeful that with further development, these proteogenomic techniques will deliver genomic and proteomic results in a similar time frame as genomics alone.

Proof of Concept: HER2-Positive Breast Cancer

To see how their refashioned approach for proteogenomic analysis might work in a real-world situation, the researchers tested it on tumor samples from women diagnosed with HER2-positive breast cancer who were undergoing treatment with trastuzumab (Herceptin), an antibody that works by binding to HER2 proteins and blocking them from working.

At least one-fifth of patients diagnosed with HER2-positive breast cancer do not adequately respond to trastuzumab, Dr. Ellis explained. Being able to figure out who these patients are would be of great value. Trastuzumab is expensive and can have serious side effects. Plus, giving patients drugs they don’t respond to delays the use of treatments that may be more helpful, he added.

The researchers analyzed core needle biopsy samples taken from a small number of women with HER2-positive breast cancer both before treatment and again 48‒72 hours after trastuzumab treatment was initiated. The researchers found that, with proteogenomic analysis, they were able to explain why some patients responded to the drug and others did not.

In all nine patients who responded to treatment, the researchers found that HER2 protein activity levels were lower after treatment started than before treatment. Among the five patients who didn’t respond, proteogenomics provided important clues as to why. “For example, in two cases, although the tumor cells had HER2 amplification, they had low HER2 protein expression, suggesting a false-positive clinical test,” Dr. Satpathy explained.

Another patient’s tumor did have high levels of HER2 expression, but it also overexpressed mucin, a protein that coats cell surfaces and that may block trastuzumab from binding to HER2 on cancer cells.

Further analysis of that patient’s tumor showed elevated activity of a protein called mTOR. In laboratory tests of breast cancer cells that overexpress mucin and HER2 proteins, combining trastuzumab with everolimus (Afinitor), a drug that targets mTOR, successfully killed the cells.

“In the era of targeted therapy, it is critical to know that a therapy is the right choice and is going to be effective,” Dr. Ellis said.

“These data are in the HER2-positive population, but there is no reason why this proteogenomic analysis approach can’t be applied to others,” Dr. Sledge said, such as women with triple-negative breast cancer and potentially other cancers.