PLoS ONE: Prediagnostic Serum Biomarkører så tidlig påvisning Værktøjer til kræft i bugspytkirtlen i et stort prospektivt kohorte Study

Abstrakt

Baggrund

Den kliniske ledelse af kræft i bugspytkirtlen er alvorligt hæmmet af manglen på effektive screening værktøj.

Metoder

Sixty-syv biomarkører blev evalueret i prediagnostic sera opnået fra tilfælde af bugspytkirtelkræft indskrevet i prostata, lunge, tyktarmen og æggestokkene kræftscreening Trial (PLCO).

Resultater

panelet af CA 19-9, OPN, og OPG, identificeret i en tidligere retrospektiv undersøgelse, var ikke effektive. CA 19-9, CEA, NSE, BHCG, CEACAM1 og PRL blev ændret betydeligt i sera opnået fra tilfælde større end 1 år forud for diagnosen. Niveauer af CA 19-9, CA 125, CEA, PRL, og IL-8 var negativt forbundet med tid til diagnose. En uddannelse /valideringsundersøgelse hjælp alternative halvdele af PLCO sættet undladt at identificere en biomarkør panel med betydeligt forbedret ydeevne i forhold til CA 19-9 alene. Når hele PLCO sættet blev anvendt til træning i en specificitet (SP) på 95%, et panel af CA 19-9, CEA, og Cyfra 21-1 billede signifikant forhøjet sensitivitet (SN) niveauer af 32,4% og 29,7% i prøver indsamlet 1 og . 1 år forud for diagnosen, sammenlignet med SN niveauer af 25,7% og 17,2% for CA 19-9 alene

konklusioner

De fleste biomarkører identificeret i tidligere udført case /kontrol studier er ineffektive i prediagnostic prøver dog flere biomarkører blev identificeret som ændret signifikant op til 35 måneder før diagnosen. To nyudvundne biomarkør kombinationer tilbudt fordel over CA 19-9 alene i form af SN, især i prøver indsamlet 1 år forud for diagnosen. Men effekten af ​​biomarkør-baserede værktøjer er stadig begrænset på nuværende tidspunkt. Flere biomarkører viste betydelig hastighed relateret til tid til diagnose, en observation, som kan tilbyde betydeligt potentiale for forbedringer i tidlig påvisning

Henvisning:. Nolen BM, Brand RE, Prosser D, Velikokhatnaya L, Allen PJ, Zeh HJ, et al. (2014) Prediagnostic Serum Biomarkører som tidlig påvisning Værktøjer til kræft i bugspytkirtlen i en stor prospektiv kohorteundersøgelse. PLoS ONE 9 (4): e94928. doi: 10,1371 /journal.pone.0094928

Redaktør: Francisco X. Real, Centro Nacional de Investigaciones Oncológicas (CNIO), Spanien

Modtaget: 28 oktober, 2013; Accepteret: 21 marts 2014; Udgivet: 18 April, 2014

Copyright: © 2014 Nolen et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Dette arbejde blev støttet af finansiering tilvejebringes i følgende NIH priser:. 2R01CA108990, U01CA117452, og 5P30 CA047904 23. finansieringskilderne havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

konkurrerende interesser: forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

kræft i bugspytkirtlen er den fjerde hyppigste årsag til kræft dødsfald i USA.. I 2013 vil en anslået 43,924 mennesker blive diagnosticeret med kræft i bugspytkirtlen og 37.390 vil forsvinde fra [1] sygdom. Den høje dødelighed forbundet med pancreatiske ductale adenocarcinomer (PDAC), som udgør 85-90% af kræft i bugspytkirtlen diagnoser, kan i vid udstrækning tilskrives tilstedeværelsen af ​​fremskreden sygdom på tidspunktet for diagnosen. PDAC er karakteriseret ved kliniske manifestationer, der frembyder sent i den naturlige historie af sygdommen på et stadium, hvor metastase ses hyppigt, hvilket fører til en median overlevelse på 6 måneder og en samlet overlevelse 5% [2]. Resultater er forbedret betydeligt i mindretal af patienter, der med små, kirurgisk-resektable kræftformer, hvor der er en realistisk chance for helbredelse og en 5-års overlevelse på 20-30% [3]. Betydelig indsats er i øjeblikket afsat til forskning og udvikling af blod-baserede biomarkører kan afsløre PDAC på tidligt, præklinisk i passende målrettede demografiske grupper.

Befolkning-baserede screening for kræft i bugspytkirtlen blandt asymptomatiske individer forbliver upraktisk baseret på sjældenhed af sygdommen og manglen på diagnostiske test med tilstrækkelig nøjagtighed. En effektiv screeningstest i denne indstilling ikke blot kræver en høj følsomhed (SN) for kræft i bugspytkirtlen, men også en grad af specificitet (SP), der overstiger 99% for at opretholde et acceptabelt lavt niveau af falsk positive resultater. Screening programmer rettet mod højrisiko-individer er tilbøjelige til at være effektiv på mere opnåelige ydeevne på grund af berigelse af PDAC prævalens inden for disse populationer. Det mucin-associerede sialylerede Lewis (a) antigen CA 19-9 er en biomarkør for PDAC vist sig at være ineffektive som en enkeltstående screening test. CA 19-9 har vist beskedne virkning, når den anvendes som et diagnostisk redskab i symptomatiske individer på en ambulant basis med en median SN på 79% (interval 70-90%) og median SP på 82% (interval 68-91%), men det ikke er nyttigt i massen screening af asymptomatiske forsøgspersoner [4]. De vigtigste begrænsninger CA 19-9 omfatter dens hyppige elevation forbundet med pancreatitis og obstruktiv gulsot, betingelser, som ofte co-forekomme med bugspytkirtelkræft og en række godartede tilstande.

Anvendelse af multiplex biomarkør kombinationer har givet nogle avancement i søgningen efter effektive diagnostiske tests for PDAC. De seneste resultater har skabt interesse i to potentielle biomarkører, osteopontinet (OPN) og TIMP-1, i tidlig påvisning af kræft i bugspytkirtlen [5] – [7]. TIMP-1 blev også inkluderet i en tre-biomarkør panel sammen med CA 19-9 og carcinoembryonisk antigen (CEA), som gav en SN /SP af 76/90 til klassificering af kræft i bugspytkirtlen fra godartet sygdom i bugspytkirtlen [8]. I samme undersøgelse, et panel bestående af CA 19-9, ICAM-1 og osteoprotegerin (OPG) forudsat en SN /SP af 88/90 for diskrimination af kræft i bugspytkirtlen fra raske kontrolpersoner. Senest er kombinationen af ​​OPN, TIMP-1 og CA 19-9 fundet at være effektive i diskrimination af patienter med kræft i bugspytkirtlen fra en gruppe af raske kontrolpersoner og patienter diagnosticeret med pancreatitis [9]. Den største begrænsning i forbindelse med disse resultater er anvendelsen af ​​serumprøver opnået nær eller efter tidspunktet for PDAC diagnose. Flere grupper har forsøgt at identificere PDAC biomarkører i præ-diagnostiske prøver. I en undersøgelse af Faca et al., Et panel af syv proteiner med eller uden tilsætning af CA 19-9, valgt på grundlag af resultaterne i en musemodel, var i stand til at skelne menneskelige kræfttilfælde pancreas fra matchede kontroller i en lille gruppe af præ-symptomatisk og præ-diagnostiske emne indgår i karet (caroten og Retinol Effekt Trial) kohorte [10]. Andre har udnyttet større prospektive kohorter til separat implicere C-peptid niveauer og IGF-1 /IGFBP-3-forhold som markører for bugspytkirtelkræft risiko [11], [12].

I den aktuelle undersøgelse undersøgte vi effekt af en stor gruppe af serum biomarkører, herunder flere kombinationer tidligere vist sig at være effektive i en retrospektiv case /kontrol kohorte, i præ-diagnostiske prøver indsamlet fra patienter diagnosticeret med PDAC som blev inkluderet i den store Prostate, Lung, tyktarmen og æggestokkene Kræft Screening Trial (PLCO).

Materialer og metoder

Etik erklæring

Alle emner involveret i denne undersøgelse var over 18 år, og forudsat skriftligt informeret samtykke. Da underskrevet informeret samtykke var et kriterium for berettigelse til at deltage i PLCO forsøget, hver Screening center bestemmes den foreløbige støtteberettigede potentielle deltagere og fået deres samtykke, før indskrive dem i undersøgelsen. Koordinatoren for hver Screening Center var formelt ansvarlig for, at informeret skriftligt samtykke blev opnået fra hver undersøgelse deltager. Desuden Institutional Review Board (IRB) ved hver Screening center godkendt informeret samtykke formular (er) og procedurer for prøveudtagning. PLCO screeningcentre omfattede følgende: University Of Colorado, Georgetown University, Pacific Health Research Uddannelse Institute, Henry Ford Health System, University Of Minnesota, Washington University, University of Pittsburgh, University Of Utah, Marshfield Clinic Research Foundation, University of Alabama i Birmingham, UCLA Immunogenetics Center. Den aktuelle undersøgelse blev godkendt af University of Pittsburgh IRB.

Udvælgelse af cases og kontroller

PLCO kræftscreening Trial er et randomiseret multicenterstudie i USA, som tidligere beskrevet i detaljer [13 ], der havde til formål at evaluere virkningen af ​​tidlige procedurer til påvisning for prostata-, lunge-, tyktarms-, og kræft i æggestokkene på sygdomsspecifikke dødelighed. Undersøgelsen rekruttering og randomisering begyndte i november 1993 og blev afsluttet i juli 2001. kohorte bestod 152,810 mænd og kvinder i alderen 55 til 74 år ved baseline.

bugspytkirtelkræft sager til stede blandt kohorte deltagere blev identificeret ved selv- rapport i årlige mail-i undersøgelser, statslige kræftregistre, dødsattester, læge henvisninger, og rapporter fra pårørende til afdøde personer. Alle medicinske og patologiske journaler relateret til kræft i bugspytkirtlen diagnose og dokumentation blev opnået og abstraheret af uddannede medicinske rekord specialister til bekræftelse kræft. Incident tilfælde af primær adenokarcinom i eksokrine pancreas (International Classification of Disease for Oncology, 3

rd edition kode C250-C259) blev inkluderet i aktuelle undersøgelse. Der var et hundrede femogtredive indfaldende tilfælde af pancreas adenocarcinomer mellem 1994 og 2006 (opfølgning til 11,7 år median, 5,4 år) bekræftede gennem medicinsk gennemgang. Controls, live på det tidspunkt, hvor indekset sagen blev diagnosticeret, blev tilfældigt udvalgt fra alle PLCO deltagere. Kontroller blev matchet til tilfælde i forholdet 4:1 (kontroller: sager). Baseret på den fordeling af alder (± 5 år), race, køn, og dato for blod uafgjort kalender i 2-måneders blokke inden sagen kohorte

Studie design

Serum prøver blev leveret af de PLCO administratorer til UPCI i et blindet mode for biomarkør analyse (tabel 1). Ifølge PLCO krav, blev analysen foretaget i 5 trin som følger.

Trin 1. Grunduddannelse på en retrospektiv case /kontrol sæt.

Hele sagen /kontrol sæt rapporteret i [8] blev brugt til træning til at identificere optimale biomarkør kombinationer, fastsætte regler klassificering, og beregne scoring funktioner ved hjælp af MMC-algoritmen (beskrevet nedenfor). Dette sæt bestod af 343 patienter diagnosticeret med PDAC (163 mænd, 180 kvinder, median alder 68, alder range 29-92) og 227 raske kontrolpersoner (88 mænd, 139 kvinder, median alder 56, alder range 18-87). Scenen fordeling for sager var 2,3% etape 1, 20% fase 2, 10% fase 3, 25% fase 4, og 39% ukendt.

Trin 2. Validering af en indledende algoritme i den første, blindet halvdelen af ​​PLCO sættet.

den første, blindet halvdelen af ​​PLCO sættet blev analyseret for biomarkører indgår i de optimale kombinationer identificeret i trin 1. To scoringsfunktioner bestemt i trin 1, blev anvendt til denne halvdelen af ​​PLCO sat for at tildele diagnoser til hvert emne. Disse eksperimentelle diagnoser blev derefter videresendt til de PLCO administratorer til sammenligning med de faktiske diagnoser og den diagnostiske effektivitet [SN, SP, areal under ROC-kurven (AUC)] af hver biomarkør kombination blev rapporteret tilbage til UPCI.

Step 3. uddannelse på den første halvdel af PLCO indstillet efter afblinding.

Så snart resultaterne af de blindede PLCO træningsanalyse blev rapporteret, case /kontrol status af disse prøver den var ublindet for at muliggøre yderligere biomarkør analyser. Dette halvdelen af ​​sættet blev evalueret for hele panelet af 67 biomarkører og anvendes som et træningssæt til udvikling af forbedrede algoritmer.

Trin 4. Validering af resultaterne fra trin 3 i den anden, blindet en -Halvdelen af ​​PLCO sættet.

den forbedrede algoritme blev anvendt til den anden blindede halvdelen af ​​PLCO sæt og scoring funktioner og diagnoser (kræft /sunde) blev derefter sendt til PLCO. De eksperimentelle diagnoser blev igen i forhold til de faktiske diagnoser og den diagnostiske effektivitet (SN, SP, AUC) af hver biomarkør kombination blev rapporteret tilbage til UPCI.

Trin 5. Træning på hele PLCO sættet.

hele PLCO sættet var ublindet, blev det fulde sæt af 67 kandidat biomarkører målt i alle PLCO prøver, og hele datasættet blev anvendt til udvikling af en yderligere optimeret algoritme.

Multiplexed Biomarkør Analyse

i alt 67 multiplexede perle-baserede immunoassays rettet mod specifikke protein biomarkører blev anvendt i løbet af den aktuelle undersøgelse (tabel 2). Vi har tidligere rapporteret udførelsen af ​​flere biomarkør kombinationer i diskrimination af PDAC sager fra raske kontrolpersoner i en stor retrospektiv case /kontrol undersøgelse [8]. Ud over biomarkører rapporteret ændres betydeligt i [8], blev en række yderligere kandidat biomarkører analyseret, herunder AGRP, BDNF, CNTF, Cathepsin D, NCAM, MIC-1, MIP4, supplerer C4, clusterin, IGFBP3, periostin, og TTR. Analyser målrettet CEACAM-1, CEACAM-6, ALCAM, og HIF-1α udviklet i henhold til strikse kvalitetskontrol standarder ved UPCI Luminex Core Facility [14] og blev udført som beskrevet tidligere [15]. Assays målrettet TIMP’er 1-4 og MMP-3 blev opnået fra R 0,03. Hver signifikant ændret biomarkør blev observeret ved højere niveauer i tilfælde end i kontroller, med undtagelse af PRL, som blev observeret ved lavere niveauer i de tilfælde. CA 19-9, CEA, NSE, og BHCG demonstrerede forskelle i både MTD 1-12 og MTD 12-25 delmængder, mens forskelle i CA 125 og IL-8 nåede statistisk signifikans i kun MTD 1-12 delmængde. Forskelle i CEACAM1 og PRL var signifikant i de 12-35 MTD og 24-35 MTD grupper, men ikke i de 1-12 MTD grupper.

Niveauer af 67 biomarkører blev evalueret i sera opnået fra 135 forsøgspersoner tilmeldt PLCO kræftscreening forsøg, der efterfølgende blev diagnosticeret med kræft i bugspytkirtlen og 540 matchede kontroller. Cirkulerende niveauer af biomarkører demonstrerer signifikante forskelle mellem sager og raske kontrolpersoner præsenteres. Niveau af betydning: * – p 0,03, ** – p 0,01, *** – p 0,001, **** – p 0,0001

fotos

biomarkør foreninger med tiden. til diagnose og korrelationer med CA 19-9 niveauer.

niveauer af CA 19-9, CA 125, CEA, PRL, AGRP, og IL-8 viste negative associationer med tid til diagnose med lineær regression skråninger forskellige betydeligt fra nul (figur 3). Vigtigere, CA 19-9, viste PRL, og AGRP skråninger væsentligt afviger fra nul i prøver indsamlet mere end 12 måneder før diagnosen. Derudover flere biomarkører (Cyfra 21-1, TNFR1, ErbB2, CNTF, IL-6R, HIF-1a, TIMP-4 og Alcam) viste regression skråninger, der var betydelig, når analyseres prøver indsamlet mere end 12 måneder før diagnose, men ikke i den samlede sæt (figur 3). Kun CA 125 (r

2 = 0,5361,

s

0,0001) og CEA (r

2 = 0,6947,

s

0,0001) blev observeret til være signifikant korreleret med CA 19-9.

biomarkør niveauer blev plottet mod den forløbne tidsintervallet mellem blodprøve og kræft diagnose og parceller blev evalueret ved lineær regression. Biomarkører demonstrerer skråninger afviger væsentligt fra nul præsenteres.

Diskussion

Vi rapporterer her en systematisk analyse af 67 serum protein biomarkører i præ-diagnostiske prøver indsamlet fra patienter diagnosticeret med PDAC i løbet af PLCO undersøgelsen. Offentliggjorte rapporter og vores tidligere sag /kontrolanalyse udnytte sera trukket på tidspunktet for kræft i bugspytkirtlen diagnosen gav et bredt og varieret spektrum af biomarkør ændringer [20] – [46]. Ud fra disse resultater konkluderes det, at de lokale og systemiske reaktioner på tumorprogression i at fremme og /eller symptomatisk sygdom betød en lang milieu faktorer påviselige i sera fra patienter med pancreascancer. Resultaterne af vores aktuelle undersøgelse afspejler de udfordringer, der er forbundet med påvisning af tidlig asymptomatisk sygdom i, at kun en subtil vifte af 8 biomarkør ændringer blev observeret. Vores analyse af biomarkør niveau tendenser på tværs af prediagnostic løbet af PDAC viser, at CEACAM1 og PRL er tidligst at blive opdaget til væsentligt ændrede niveauer på tidspunkter op til 35 måneder før diagnosen. Efterfølgende ændringer i CA 19-9, CEA, NSE, og BHCG observeret, at kan påvises i op til 24 måneder før diagnosen. Endelig niveauer af CA 125 og IL-8 påviseligt forhøjet op til 12 måneder, før diagnosen. Vigtigt er det, disse resultater viser begrænsningerne ved at bruge CA 19-9 som biomarkør for meget tidligt eller pre-neoplastisk sygdom.

Vores resultater tyder på, at flere cirkulerende PDAC biomarkører, der er blevet identificeret i tilfælde /kontrol studier, herunder MIC-1, TIMP-1, ICAM1, HE4, OPG, MUC1, MMP9, SAA, og andre [10], [34], [47], kan ikke være nyttigt for vurderingen prediagnostic risiko. Men som en række biomarkører differentielt udtrykte i pre-diagnostiske prøver i den aktuelle undersøgelse (CA 19-9, CEA, CA 125, CEACAM1, IL-8, PRL, og BHCG), blev oprindeligt rapporteret for case /kontrol undersøgelser [ ,,,0],23], [26], [34], [48], det koncept, at case /kontrol indstilling er passende for indledende identifikation af biomarkør kandidaterne kan vise sig gældende i meget selektive tilfælde. Derfor bør de igangværende bestræbelser være rettet mod validering af cirkulerende niveauer af yderligere biomarkører bevisligt er udtrykkes forskelligt i pancreas tumorer og præneoplastiske læsioner, såsom dem opsummeret i [49], i prækliniske serum /plasma prøver.

Mens de højtydende paneler identificeret i vores tidligere tilfælde /kontrolanalyse undladt at udføre tilstrækkeligt i den aktuelle undersøgelse, bør identifikation af potentielle alternative paneler giver et godt grundlag for yderligere udvikling af screening-værktøjer. I uddannelsen /validering fase af undersøgelsen, at kombinationen af ​​CA 19-9 /CEA klarede sig bedst, selv om en statistisk signifikant fordel overfor CA 19-9 alene ikke blev nået i valideringen sæt. Inddragelsen af ​​CEA var noget overraskende i betragtning af observation, at niveauer af CEA var signifikant korreleret med de CA 19-9, hvilket begrænser dets potentiale for diagnostisk komplementering. Imidlertid CEA tidligere er blevet kendt for sin relativt høje SP men lav SN for PDAC [48], [50], en tendens modsat den CA 19-9, og det kan være, at forbedringer i SP førte til effektiv udførelse af denne kombination . I ublindet analyse af hele PLCO sættet, kombinationen af ​​CA 19-9, CEA, og Cyfra 21-1 forudsat det højeste niveau af ydeevne med over 30% af tilfældene korrekt identificeret på 95% SP.

Ifølge en nyligt beskrevet beregningsmæssige model af klonal evolution af PDAC udvikling, 6,8 år gå mellem udviklingen af ​​en ondartet klon og metastase indebærer, at vinduet for tidlig påvisning og indgriben er bredere end oprindeligt troede [51], [52]. Den tidsmæssige udtryk mønster af PDAC biomarkører beskrevet her, med ændringer, der sker op til 35 måneder før diagnose, indikerer tilstedeværelsen af ​​en systemisk PDAC signatur på pre-metastatiske stadier. Baseret på den beregningsmæssige model af PDAC progression, vil brugen af ​​biomarkør paneler identificeret her som screening-værktøjer sandsynligt identificere nogle, men ikke alle tilfælde af PDAC forud for udvikling af metastase. Selvom den kliniske effekt af en sådan screening strategi stadig skal vurderes, disse fund tyder på, at en højere detektion af resektabel sygdom, der er forbundet med bedre resultater, kan være opnåelige i visse højrisikogrupper. Grupper med høj risiko for kræft i bugspytkirtlen omfatter familier identificeret med Peutz-Jeughers syndrom (relativ risiko på 132), arvelig pancreatitis (relativ risiko på 50 til 67), familiær atypisk multipel muldvarp melanom (relativ risiko fra 13 til 39), arvelig nonpolyposis kolorektal cancer (relativ risiko på 8,6), familiær adenomatøs polypose (relativ risiko på 4,5), bryst- og ovariecancer syndrom (relativ risiko på 2 til 9), og individer med multiple førstegradsslægtninge diagnosticeret med PDAC [53]. Screening blandt disse grupper er stadig muligt med flere grupper rapporterer seneste effekt udnytte billedbehandling og CA 19-9 /CEA baserede strategier (revideret i [54]).

Vores analyse dokumenterer, at flere biomarkører demonstrerer betydelig hastighed relateret til tiden til diagnosticering af PDAC. En statistisk model baseret på hastigheden af ​​serielle CA 125 serum målinger i æggestokkene kræftpatienter, betegnes risikoen for kræft i æggestokkene Algorithm (ROCA), har vist effekt i tidlig påvisning af kræft i æggestokkene ved at tilbyde en betydelig forbedring i SN i forhold til single målinger af CA 125 [55]. En simuleret undersøgelse viste også, at ROCA kan fordoble SN af CA 125 for tidlige stadier af kræft i æggestokkene (S. Skøjter, personlig kommunikation). To af biomarkører indgår i de mest effektive panel, CA 19-9 og CEA, viste signifikant hastighed relateret til tid til diagnose, hvilket antyder, at seriel måling af disse biomarkører kan føre til lignende forbedringer i panel ydeevne. En undersøgelse vedrørende resectability af præsymptomatisk pancreascancer hos diabetespatienter viste, at en kort vindue på flere år foreligger, når tumorer i bugspytkirtlen kan visualiseres ved CT og resektion [56]. Den slående finde i denne undersøgelse er den hurtige progression fra en normal pancreas til en inoperabel tumor. Disse resultater, kombineret med den molekylære model af PDAC progression [52], tyder på, at prøver indsamlet 1 til 4 år før diagnosen ville sandsynligvis føre til en vellykket identifikation af kandidater til kirurgisk resektion.