N.78 – Cómo diferenciar mutaciones

1.- Primer artículo: Biomarcadores epigenéticos en Oncología

Un biomarcador epigenético (BME) es un marcador cuantificable que, en una muestra de tejido, proporciona información sobre un aspecto de la biología de un individuo, por ejemplo: una enfermedad. Se trata de marcas epigenéticas como la metilación o la acetilación, entre otras. Sus principales ventajas son las siguientes: (a) algunos BME pueden ser analizados en diferentes fluidos corporales con técnicas no invasivas (saliva, orina, heces), mientras que otros requieren técnicas semi-invasivas (sangre) o invasivas (biopsias tradicionales), (b) tras su extracción, los BME son estables en diferentes condiciones de preparación de la muestra, y (c) pueden revelar información relevante sobre una enfermedad, facilitando su diagnóstico y monitorización.

En el artículo aquí reseñado se proporcionan ejemplos de diferentes BME útiles para el diagnóstico y monitorización de distintos tipos de cáncer; muchos de ellos son alteraciones de la metilación presentes en las células cancerosas y no en las células sanas. Además de la metilación del ADN, son útiles los ARN no codificantes, moléculas de ARN implicadas en una amplia variedad de procesos biológicos, así como la modificación de las histonas, como es el caso de la dimetilación de la lisina 9 en la histona H3 que se produce en casos de cáncer colorrectal.

2.- Segundo artículo: Un modelo computacional para diferenciar mutaciones que conducen a la proliferación de tumores (2.1.) (2.2.) (2.3.)

Las células tumorales presentan múltiples mutaciones en su genoma, pero no todas contribuyen a su proliferación y al desarrollo del cáncer. De hecho, sólo una pequeña parte de las mutaciones -las denominadas “driver” o “conductoras”– son clave para el desarrollo de un tumor maligno. Si bien es una ardua tarea diferenciar este tipo de mutaciones clave del resto de alteraciones en el genoma, ello es fundamental para comprender los factores genéticos que conducen a la proliferación de tumores.

Actualmente hay descritas diferentes mutaciones “driver” en tumores malignos. Es el caso de las alteraciones en el gen EGFR, que se encuentra mutado en muchos casos de cáncer de pulmón, o en el gen BRAF, que normalmente se encuentra mutado en pacientes con melanoma. En ambos casos se trata de genes codificantes para proteínas, que corresponden a un 2% de todo el genoma y cuya relación con el desarrollo del cáncer resulta más evidente. Sin embargo, todavía se desconocen las posibles mutaciones “driver” que se esconden en el 98% del genoma que no corresponde a regiones codificantes.

En el artículo aquí reseñado, un grupo de investigadores del Instituto Broad del MIT y Harvard presenta un modelo computacional -denominado “Dig”- que permite distinguir entre las mutaciones “driver” y el resto de mutaciones. Al respecto, Bonnie Berger, investigadora en el Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencias Computacionales del MIT y una de las creadoras del nuevo modelo computacional, señala lo siguiente: “Realmente ha habido una falta de herramientas computacionales para buscar estas mutaciones impulsoras fuera de las regiones codificantes de proteínas”. “Eso es lo que hemos procurado hacer aquí: diseñar un método computacional que nos permita observar no solo el 2% del genoma que codifica las proteínas, sino el 100%”, añade.

Para generar el modelo “Dig” los investigadores utilizaron como base un modelo computacional del tipo “red neuronal profunda” y lo “adiestraron” con datos de distintos tipos de cáncer. “Lo realmente bueno de nuestro modelo es que, al entrenarlo una vez para un determinado tipo de cáncer, aprende –simultáneamente- la tasa de mutación en todas las partes del genoma para ese tipo de cáncer en particular”, indica Maxwell Sherman, uno de los creadores del modelo.

Para probar la eficacia del modelo computacional “Dig”, el equipo lo utilizó sobre datos del genoma de 37 tipos de cáncer tomados del Roadmap Epigenomic Project y de la colección de datos Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes (PCAWG). Mediante la utilización del “Dig”, los autores encontraron potenciales mutaciones “driver” en regiones no codificantes de ciertos genes supresores como ELF3 y TP53. Los investigadores determinaron que estas mutaciones, que pueden alterar el procesamiento del ARN, podrían suponer un 5% de todas las mutaciones “driver” que se encuentran en genes supresores de tumores.

Los autores recalcan la importancia de determinar nuevas mutaciones “driver” en el desarrollo de tratamientos para el cáncer. “Si pudiéramos hacer que la mutación desaparezca de alguna manera, resolveríamos el problema. Esos genes supresores de tumores podrían seguir funcionando y tal vez combatir al cáncer”.

Los resultados de este estudio prueban la eficacia del modelo computacional “Dig” como herramienta para la búsqueda de mutaciones “driver” en diferentes tipos de cáncer, a la vez que suponen una mejora en el conocimiento de las potenciales mutaciones conductoras que se encuentran en regiones no codificantes del genoma. Se prevé que futuras investigaciones basadas en los datos reunidos en este trabajo ayudarán a definir mejor este tipo de mutaciones “driver” en diferentes tipos de cáncer.

Los datos obtenidos de este trabajo podrían contribuir al desarrollo de fármacos dirigidos a nuevas mutaciones “driver” en diferentes tipos de tumores. Además, sugieren la posibilidad de ampliar la utilización de terapias dirigidas a ciertas mutaciones “driver” para su uso en un mayor número de tumores. Estos resultados podrían ayudar a adecuar los ensayos clínicos para ampliar la aprobación de fármacos para diversos tipos de cáncer, lo cual permitiría ayudar a más pacientes.

3.-Tercer artículo: Detección y análisis de células tumorales circulantes: Oportunidades, desafíos y posibles líneas de desarrollo (3)

Las metástasis tumorales, principal causa de muerte en todo el mundo, resultan de una serie de procesos (intravasación, extravasación, migración y regeneración) por los que las células cancerosas de un tumor primario se desprenden e invaden tejidos distantes utilizando al torrente sanguíneo como via de traslado; por ello se denominan células tumorales circulantes (CTC).

Dado que el estudio de las características funcionales y moleculares de las CTC puede proporcionar un conocimiento profundo de enfermedades tumorales altamente letales, se avanza notablemente en el diseño de dispositivos y desarrollo de métodos analíticos -con sensibilidad y especificidad mejoradas- para capturar y detectar CTC en sangre. El análisis de las CTC es útil para el control del cáncer, así como para evaluar el diseño y la eficacia de métodos para el tratamiento del cáncer.

El artículo aquí reseñado es una revisión sistemática de las CTC; aporta una descripción general de su biología, aborda las técnicas (actuales y emergentes) de detección de CTC, escribe los aspectos clínicos de las CTC y expone ejemplos de cómo las CTC pueden contribuir al seguimiento del desarrollo del cáncer y de las respuestas a la terapia farmacológica, presenta un conjunto de desafíos actuales y previsibles, y señala posibles líneas sobre el desarrollo futuro de las CTC.

4.- Cuarto artículo: Definición de nuevos biomarcadores en melanoma mediante un mapa tridimensional de la expresión génica (4.1.) (4.2.) (4.3.)

El melanoma es un tipo de cáncer que se produce en los melanocitos, unas células pigmentadas que protegen a la piel de la radiación solar. Dado que se trata del tipo de cáncer de piel con mayor tasa de mortalidad, la mejora en la detección y diagnóstico precoz del melanoma podría ayudar a evitar numerosas muertes.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California en Davis y de la empresa biotecnológica NanoString Technologies ha encontrado nuevos biomarcadores que podrían contribuir al desarrollo de técnicas de detección temprana de melanomas. El equipo analizó el perfil de expresión génica de más de 1.000 genes en 134 regiones del genoma relacionadas con el desarrollo de este tipo de cáncer en 12 muestras de melanoma. Para el análisis, se sirvieron de la técnica High-Plex Spatial RNA Profiling, que permite detectar el perfil de expresión génica de un tejido concreto, respetando la posición de las células que lo conforman. Con base en esta técnica los autores pudieron elaborar un mapa tridimensional de la expresión génica de las 12 muestras de tumores, para analizar qué genes se expresan en el desarrollo del melanoma.

Los autores hallaron diferentes biomarcadores del desarrollo de los melanomas, algunos en las propias células cancerosas y otros en las células adyacentes (“microambiente tumoral”). “La observación más llamativa fue que S100A8, que es un conocido marcador de melanoma que se cree que se expresa en células inmunitarias, se expresó en los queratinocitos que forman la capa más externa de la piel (epidermis)”, explica Maija Kiuru, autora del estudio e investigadora en el Departamento de Dermatología de la Universidad de California en Davis. Los queratinocitos son las células predominantes en la epidermis y se encargan de protegerla de los microorganismos externos del calor, o de la pérdida de agua, entre otros factores. Se trata de células muy ricas en queratina, una molécula que les confiere una dureza característica y que tiene la capacidad de estimular el crecimiento y proliferación de otras células de la piel, como los melanocitos.

“Inesperadamente, descubrimos que los queratinocitos expresan S100A8 dentro del microambiente tumoral durante el crecimiento del melanoma”, explica Kiuru. “Además, analizamos la expresión de S100A8 en 252 tumores melanocíticos benignos y malignos, que mostraron una expresión prominente de S100A8 derivada de queratinocitos en melanoma, pero no en tumores benignos. Esto sugiere que la expresión de S100A8 en la epidermis puede ser un indicador fácilmente detectable del desarrollo de melanoma”.

Los resultados de este estudio contribuyen a expandir la batería de marcadores tumorales que pueden utilizarse para la detección temprana del melanoma. Además, demuestra la importancia del análisis del microbioma tumoral en la búsqueda de nuevos métodos de diagnóstico para pacientes con cáncer. El próximo paso, tal y como indican los autores en el estudio, es ampliar el análisis a un mayor número de muestras, con el objetivo de determinar los mecanismos biológicos que relacionan los nuevos marcadores con el desarrollo de melanomas.

5.- Quinto artículo: Cómo la activación de p53 (supresor de tumores) puede inducir carcinogénesis en hígado (5.1.) (5.2.) (5.3.)

El gen p53 (o TP53) es ampliamente conocido por su papel protector del ADN y supresor de tumores. Por su importante función, la proteína que codifica p53, se conoce como “guardián del genoma”. Pero también se observó una activación de p53 en diversas enfermedades hepáticas crónicas como la hepatitis vírica o cirrosis de origen alcohólico, lo cual resultaba intrigante, especialmente porque se desconocía el impacto que podía tener en estas enfermedades.

Un reciente estudio de la Universidad de Osaka indica que esta activación promueve el desarrollo de cáncer. Para determinar el efecto de la activación de p53 los investigadores recurrieron a modelos en ratón y al análisis de diversos datos en pacientes con enfermedades hepáticas crónicas. En primer lugar, los investigadores activaron de forma selectiva el gen p53 (mediante la inactivación de su regulador Mdm2) en los hepatocitos de ratones, observando que la activación de p53 aceleraba el desarrollo de cáncer hepático. A través de sucesivos experimentos los investigadores encontraron que la activación de p53 no induce un comportamiento tumoral en las células en las que se produce, sino que crea las condiciones propicias para que otras células más proclives se transformen en tumorales. Estos efectos no se producían si, además de inactivar Mdm2, se inactivaba p53. Por otra parte, al analizar biopsias de pacientes con enfermedades hepáticas crónicas, se halló una correlación entre la actividad de p53 hepática y la apoptosis y senescencia en el tejido, así como con la incidencia de cáncer hepático. Los investigadores concluyen que tanto la pérdida de p53 como su activación pueden aumentar la carcinogénesis en hígado: la pérdida, a través del quebranto de su función supresora de tumores, que favorece la acumulación de mutaciones y pérdida de control celular, y la activación a través de la inducción de apoptosis y senescencia en el tejido.

En estas condiciones, los investigadores resaltan la importancia de optimizar la actividad de p53 en los hepatocitos para prevenir el desarrollo de tumores en pacientes con enfermedades hepáticas crónicas. Por ejemplo, en los modelos de ratón, el equipo observó que el tratamiento con un retinoide sintético –ACR- conocido por suprimir la carcinogénesis en células hepáticas in vivo, reducía el efecto tumorigénico de la activación de p53. En resumen, los resultados del trabajo destacan un nuevo mecanismo de desarrollo tumoral en el hígado y resuelven la paradoja de cómo la activación del gen supresor de tumores p53 puede inducir el cáncer.

6.- Sexto artículo: La edición genética CRISPR/Cas9 puede provocar toxicidad celular e inestabilidad genómica (6.1.) (6.2.)

CRISPR/Cas9 es una técnica de edición genética usual en investigación biomédica. Comúnmente conocida como “tijeras genéticas”, la técnica permite introducir la secuencia de ADN deseada en (prácticamente) cualquier punto del genoma. En el trabajo aquí reseñado, investigadores del IRB Barcelona, liderados por Fran Supek (ICREA), han hallado ahora que, dependiendo del punto del genoma al que se dirija, la edición genética con CRISPR puede dar lugar a toxicidad celular e inestabilidad genómica. Este efecto no deseado está coordinado por el gen p53 (“supresor de tumores” o “guardián del genoma”) y depende de la secuencia de ADN cercana al punto de edición y de factores reguladores en la región circundante. El gen detecta los daños en el ADN, hace que las células dejen de dividirse y puede dirigirlas hacia una muerte celular programada, impidiendo así que se reproduzcan y expandan los “errores” en su ADN. Por lo tanto, p53 constituye un mecanismo de protección natural contra el cáncer y otras complicaciones relacionadas con el daño del ADN.

La edición genética CRISPR suele requerir el corte de ambas cadenas de ADN. En algunos casos, esta manipulación puede desencadenar una respuesta de p53, en la que las células editadas pueden ser “etiquetadas” como dañadas y resultar eliminadas, reduciéndose así la eficacia del proceso de edición genética. Sin embargo, la principal complicación reside en que las células que superan la edición con CRISPR podrían hacerlo precisamente por tener defectos en p53. Es decir, estas células podrían no ser capaces de detectar daños en el ADN y/o de marcar a las células para su muerte programada. Como consecuencia, la edición genética podría estar favoreciendo a las poblaciones celulares con genomas inestables, con mayor propensión a acumular mutaciones, aumentando así el riesgo de desarrollar tumores malignos. “Esta consecuencia no deseada podría suponer un riesgo de inestabilidad genómica, lo cual es sumamente indeseable en el contexto de las terapias CRISPR ex vivo, en las que las células de un paciente se editan en el laboratorio y se reintroducen nuevamente en su cuerpo. Se espera que el estudio proporcione algunas directrices sobre cómo diseñar reactivos CRISPR más seguros, y que promueva más investigación sobre esta cuestión”, concluye Supek.

Utilizando métodos computacionales, los investigadores del laboratorio de Genome Data Science analizaron la biblioteca CRISPR más difundida para células humanas y detectaron 3.300 posibles puntos de edición en el genoma que muestran fuertes efectos tóxicos. El trabajo también devela que alrededor del 15% de los genes humanos contienen al menos un punto de edición tóxico. “Nuestro trabajo aborda una cuestión importante y controvertida en relación con la toxicidad de Cas9 asociada al TP53 y también proporciona directrices sobre cómo sortear el problema. Evitar la edición en estos puntos “riesgosos” contribuiría a que la edición CRISPR fuera más eficiente y segura”, señala Supek. Por su parte, Miguel-Martín Álvarez, investigador principal del estudio, afirma: “Como recomendación general, deberían evitarse las regiones importantes para la regulación o que tienen determinados marcadores epigenéticos, que son las que tienen más probabilidades de desencadenar la respuesta de p53”. El trabajo tuvo financiamiento del Consejo Europeo de Investigación (ERC) y del Ministerio de Ciencia e Innovación español.

7.- Séptimo artículo: Nanopartículas que mejoran la eficacia y disminuyen la toxicidad de la inmunoterapia contra el cáncer (7.1.) (7.2.)

Una de las funciones del sistema inmunitario es identificar y eliminar células cancerígenas, pero dichas células suelen desarrollar mecanismos para evitar que el sistema inmunitario pueda localizarlas y eliminarlas. En inmunoterapia se está investigando cómo desarrollar nuevos fármacos que mejoren la identificación y eliminación de células cancerígenas que pueden  pasar desapercibidas en el organismo. En nanomedicina se trabaja combinando nanopartículas que permiten manipular la respuesta inmune, actuando específicamente en las células cancerígenas y no en las células sanas.

Investigadores del Centro de Investigación del Cáncer (CIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Salamanca, diseñaron un fármaco a partir de nanopartículas que ha mostrado eficacia en el tratamiento y seguimiento de la inmunoterapia oncológica. “Hemos evaluado unas nanopartículas que integran tanto un fármaco antitumoral derivado del cisplatino como una molécula que permite el seguimiento y trazabilidad de la nanopartícula en sistemas biológicos”, explica Manuel Fuentes, investigador del CIC. Una ventaja de las nanopartículas es que detectan las células cancerígenas y transportan el fármaco de forma dirigida al tumor para mejorar su eficacia y disminuir la toxicidad en la zona del daño tisular. Así, permite el desarrollo de la medicina personalizada y de precisión, al actuar solo en las células que deben ser eliminadas, evitando gran parte de los efectos secundarios de la quimioterapia.

8.- Octavo artículo: Ataque a células cancerosas en hígado mediante histotricia (8.1.) (8.2)

El cáncer de hígado es una de las diez causas principales de muertes relacionadas con el cáncer en todo el mundo. El carcinoma hepatocelular (CHC) representa el 75% de todos los casos de cáncer de hígado. El hígado es también un sitio frecuente de metástasis provenientes de cáncer colorrectal, de páncreas, de pulmón, de mama y melanoma. Según la ubicación, la gravedad y la etapa del cáncer de hígado, existen diversas opciones de tratamiento disponibles, que incluyen resección quirúrgica, trasplante de hígado, técnicas de ablación (incluida la ablación por radiofrecuencia (RFA), ablación por microondas (MWA), ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU), crioablación), quimioterapia, radioterapia, farmacoterapia dirigida e inmunoterapias.

Investigadores de la Universidad de Michigan (UM) utilizaron una nueva técnica para eliminar tumores dentro de ratas mediante el empleo de ondas de ultrasonido no invasivas. El nuevo tratamiento -denominado “histotricia”- dirige ondas de ultrasonido de manera no invasiva para que el tejido objetivo se destruya mecánicamente, y con precisión milimétrica. Dicha técnica se está implementando actualmente en ensayos de cáncer de hígado humano tanto en EE.UU. como en Europa. Las primeras pruebas sugirieron que las ondas de sonido diezmaron con éxito hasta el 75% del material tumoral hepático en las ratas, lo que permitió que los propios sistemas inmunológicos eliminaran los tejidos cancerosos remanentes. “Incluso si no nos dirigimos a todo el tumor, aún podemos reducirlo y también reducir el riesgo de metástasis en el futuro”, dijo el profesor Zhen Xu del departamento de ingeniería biomédica de la UM, quien también es autor corresponsal del estudio. Esto es significativo porque un gran número de situaciones clínicas impiden intervenciones directas invasivas, debido al tamaño del tumor, su ubicación o estadio.

Se concluye que la histotricia podría superar las limitaciones de otras modalidades de ablación y proporcionar una ablación de tumores hepáticos no invasiva segura y eficaz, previéndose que los aprendizajes de este estudio motivarán futuras investigaciones preclínicas y clínicas para pacientes con cáncer de hígado.