PLoS ONE: Nanocytological Field Carcinogenese Detection at afbøde Overdiagnostik af prostatakræft: En Proof of Concept Study

Abstrakt

Formål

For at bestemme, om der kan bruges nano-arkitektonisk forhør af prostata felt carcinogenese at forudsige prognosen hos patienter med tidlig fase (Gleason 6) prostatakræft (PCA), der er for det meste indolent, men ofte unødigt behandles.

Materialer og metoder

Vi har tidligere udviklet delvis bølge spektroskopisk mikroskopi ( PWS), der muliggør kvantificering af nanoskala intracellulære arkitektur (20-200nm længde skala) med bemærkelsesværdig præcision. Vi tilpasset denne teknik til at vurdere prostata nål core biopsier i en sag kontrol undersøgelse fra mænd med Gleason 6 sygdom, der enten skred (n = 20) eller forblev indolent (n = 18) i løbet af en ~ 3 år opfølgning. Vi målte parameteren uorden styrke (Ld) karakteriserer den rumlige heterogenitet for nanostørrelse cellestruktur og nuklear morfologi fra mikroskopisk normale mucosa ~ 150 histologisk normale epitelceller.

Resultater

Der var en dyb stigning i nano-arkitektonisk lidelse mellem progressorer og ikke-progressorer. Faktisk blev Ld fra fremtidige progressorer dramatisk forøget i forhold til fremtidige ikke-progressorer (1 ± 0,065 versus 1,30 ± 0,0614, henholdsvis p = 0,002). Arealet under modtageren operatør karakteristiske kurve (AUC) var 0,79, hvilket gav en følsomhed på 88% og specificitet på 72% til at skelne mellem progressorer og ikke-progressorer. Dette blev ikke forstyrret af demografiske faktorer (alder, rygning status, race, fedme), dermed støtte robustheden af ​​tilgangen.

Konklusioner

Vi viser for første gang, at nano- arkitektoniske ændringer forekommer i prostatakræft felt carcinogenese og kan udnyttes til at forudsige prognosen for tidligt PSA. Denne fremgangsmåde har løfte i håndteringen af ​​klinisk irriterende dilemma forvaltning af Gleason 6 PCa og kan give et paradigme for håndteringen af ​​større spørgsmål om kræft overdiagnostik

Henvisning:. Roy HK, Brendler CB, Subramanian H, Zhang D , Maneval C, Chandler J, et al. (2015) Nanocytological Field Carcinogenese Detection at afbøde Overdiagnostik af prostatakræft: En Proof of Concept Study. PLoS ONE 10 (2): e0115999. doi: 10,1371 /journal.pone.0115999

Academic Redaktør: Natasha Kyprianou, University of Kentucky College of Medicine, UNITED STATES

Modtaget: November 7, 2014 Accepteret: November 21, 2014; Publiceret: 23 feb 2015

Copyright: © 2015 Roy 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

Data Tilgængelighed: Alle relevante data er inden papiret

Finansiering:. arbejdet blev støttet af National Institutes of Health U01CA111257 HR, VB, https://nih.gov/; National Institutes of Health R01CA156186, HR, VB, https://nih.gov/; National Institutes of Health R01CA165309, HR, VB, https://nih.gov/; National Institutes of Health R01CA128641, HR, VB, https://nih.gov/; National Institutes of Health R01CA155284, HR, VB, https://nih.gov/; National Institutes of Health R42CA168055, HR, VB, https://nih.gov/; og John og Carol Walter Center for Urologiske Sundhed, CB. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:. Drs. Roy, Subramanian og Backman er medstiftere af Nanocytomics LLC og forvaltes af interessekonflikter udvalg i Boston University og Northwestern University. Dette ændrer ikke forfatternes overholdelse PLoS ONE politikker på datadeling og materialer.

Introduktion

Overdiagnostik er en spirende afskrækkende til gennemførelse af kræft befolkning screening [1]. Påvisningen af ​​indolent /klinisk ubetydelig sygdom ofte udløser et utal af skader fra unødvendige diagnostiske /terapeutiske indgreb, herunder omkostninger, ubehag og komplikationer [2]. Prostatakræft (PCA) er indbegrebet af denne gåde på, at det resulterer i ~ 30.000 dødsfald i amerikanere, men ~ 60% af alle mænd 80 år øvrigt harbor denne malignitet [3]. Den udbredte anvendelse af serum prostata specifikt antigen (PSA) til PCA screening har accentueret påvisning af klinisk-indolente cancere. Da de skadelige virkninger af behandling tidlige fase (t1c /T2a), lav kvalitet (Gleason 6) sygdom (den mest almindelige PCa præsentation) generelt større end fordelene, nu er mange kliniske samfund anbefale forsinke operation til fordel for aktiv overvågning, som indebærer et tæt overvågning med serielle prostata biopsier [4]. Desværre, på grund af de luner forudsige adfærd af en persons PCa (med potentiale progression til dødelig sygdom), kun ~ 10% af de støtteberettigede mænd faktisk undergår aktiv overvågning [5]. Derfor er bedre prognosticering værktøjer presserende behov for at gøre denne strategi mere acceptabel for både patienter og deres læger [6].

En spirende metode for risikovurdering er gennem udnyttelse felt carcinogenese. Felt carcinogenese (alias felt cancerization, ætiologisk felt-effekt, inden for skade etc.) er et veletableret fænomen i cancer biologi at et knudepunkt neoplastisk læsion udvikler sig i en eftergivende mutational miljø fra samspillet mellem genetiske substrat og eksogene faktorer (kost, fedme , rygning, diabetes etc.) [7-9]. kan forekomme Disse ændringer i epitel og /eller stroma [10]. Fra et klinisk perspektiv, er felt cancerization med de tilhørende synkrone /metachronous læsioner vid udstrækning anvendes til styring af neoplasi i tyktarmen, lunge, hoved og hals osv Mens mindre godt udforsket i prostata, der er overbevisende dokumentation for felt carcinogenese såsom multi- focality og abnormiteter i molekylære markører (f.eks genekspression, methylering, microRNA, FISH, mitokondrie ændringer) set i mikroskopisk normal epitel hos patienter, der huser denne malignitet. [11-15]

Vores gruppe har udviklet en ny optik teknologi, delvis bølge spektroskopisk mikroskopi (PWS) eller nanocytology, som giver mulighed for kvantificering af cellestruktur på nanometer længdeskalaer de. [16] Vi har udnyttet PWS nanocytology til påvisning af nano-arkitektoniske konsekvenser af de diffuse genetiske /epigenetiske forandringer, der er kendetegnende for feltet carcinogenese. Vi har tidligere vist, at PWS interrogation af normalt epitel forudsiges nøjagtigt risiko for colon [17] lunge [18], spiserør [19], pancreas [20] og ovariecancere [21]. For at tilpasse denne BioPhotonic gennembrud PCA, vi ønskede at målrette de mest irriterende spørgsmål, forvaltning af tidlig fase (Gleason 6 sygdom). Da dette er typisk diagnosticeret ved nål biopsi, vi hypotese, at nanocytological forhør af mikroskopisk normal prostata epitel ville forudsige prognosen hos mænd med tidlig fase (Gleason 6) sygdom gennemgår aktiv overvågning.

Materialer og Metoder

Patienter

Denne undersøgelse blev godkendt af Institutional Review Board på NorthShore University sundhedssystem. Prøver blev opnået fra NorthShore Universitet aktiv overvågning retssag indledt i november 2008. informeret skriftligt samtykke blev opnået fra deltagerne. Inklusionskriterierne for kohorte af patienter inkluderet: 1) alder ≥60; 2) klinisk fase ≤T2a; 3) Gleason score (grad) 7; 4) ≤3 /12 positive kerner på indledende biopsi; og 5) 50% lineær involvering af en enkelt kerne. Patienterne gennemgik deres første biopsi overvågning 6-12 måneder efter indskrivning. Progression blev defineret som enhver ændring i kriterierne 3, 4 eller 5. Tredive-otte patienter blev tilfældigt udvalgt fra databasen af ​​patienter afgjorte som progressorer og ikke-progressorer af den ledende undersøgelse urolog (CBB).

Sample Indkøb og forberedelse

transrektal biopsier blev opnået under tredimensional (3-D) ultralyd vejledning. Fire af disse kerner blev betegnet som forskningsbaseret og blev fikseret i en alkohol-baseret fiksativ og paraffin-indstøbt. Fire mikrometer snit blev skåret på ladede objektglas og afparaffineres for PWS. Hematoxylin og eosin (H 95% af positive var falsk positive [30]. Vigtigere, har nanocytological felt carcinogenese detektering blevet påvist at være anvendelige til screening for en række forskellige cancere, der åbenbart felt carcinogenese (colon, lunge, spiserør, bugspytkirtel, ovarie osv) [19-22,31]. En af de store nye aspekter ved denne undersøgelse er, at det er den første til ikke blot at vurdere tilstedeværelse /fravær af tumor (screening), men snarere prognose. Dette er blevet fremmet af vores evne til at overvinde tekniske udfordringer og rent faktisk udfører PWS nanocytology på intakte vævssnit (de tidligere rapporterede undersøgelser var alle fra cytologiske børstninger). Således PWS nanocytology repræsenterer en platform teknologi, der kan anvendes til screening /prognosticering af et stort antal af maligniteter.

Vores tilgang for at udnytte felt carcinogenese er særligt apropos for PCa givet sin multifokal natur. Faktisk er Gleason score beregnes ved at vurdere karakteren af ​​de mest almindelige og næste mest almindelige (eller mest aggressive) klon. Mens vurdere individuelle tumor kloner (fx 3-gen immunhistokemisk underskrift) kan korrelere med den naturlige historie af nogle PCa [32], i betragtning af den klonal heterogenitet fleste PCa og semi-kvantitativ karakter af disse tests, kan de have begrænset klinisk anvendelighed. Intuitivt analysering felt carcinogenese inden prostata prøver med eller uden PCa er potentielt mere attraktivt end at fokusere på genetiske underskrifter opnået fra prøver, der kun indeholder PCa, som i øjeblikket tilbydes af tests såsom Oncotype Dx, Prolaris, dechifrere etc. [33]. Der har været mange andre felt effekt markører (methylering, microRNA, genekspression) med formodet prognostisk evne, omend hidtidige resultater har været beskedne [13,33,34]. Vurdering af nano-arkitektur er særlig stærk, da det afspejler den endelige fællesnævner over konvergerende uensartede molekylære veje. Mens andre modaliteter (transmission elektronmikroskopi [35] eller karyometry [36] har bemærket abnormiteter, deres udnyttelse som kliniske værktøjer er ikke muligt. Evnen til at destillere PWS oplysninger i enkelt biomarkør (Ld) har stor appel fra både en praktisk og robusthed perspektiv . Desuden PWS kvantificerer nano-arkitektur af specifikke rum samt hele cellen

Vores tidligere arbejde på nanocytological felt carcinogenese har været at vurdere tilstedeværelsen af ​​neoplasi,. dermed denne rapport er et stort ny ansøgning om denne tilgang, dvs. prognosticering. Intuitivt det synes logisk at tro, at marken carcinogenese profilering kan være mere lovende end at fokusere på tumoren alene på grund af den multi-klonalitet der er kendetegnende for prostatakræft. Faktisk er Gleason score baseret på karakteren af ​​de mest almindelige og derefter enten den næste mest almindelige eller mest aggressive klon. således ville det være uklart, hvilket klone at analysere eller hvordan man syntetisere genekspression data fra en række kloner. Vores arbejde paralleller nogle af dataene med leverkræft (en anden ofte multifokal sygdom), at profilering de uengagerede hepatocytter forudsagte gentagelse i leveren efter resektion. [37]

Biologisk, øget cellulær nano-arkitektonisk lidelse er nært forbundet med molekylære begivenheder. Fra et fysisk synspunkt, en øget Ld indebærer “sammenklumpning” ved 20-200 nm længdeskalaer. Disse længdeskalaer omfatte strukturer, der spænder fra makromolekylære komplekser til små organeller. I kernen, uorden styrke (Ld) er et mål for høj orden kromatin organisation, som indvirker på flere processer, der kontrollerer genekspression. ,, I tråd denne dette, vi har vist, at den nukleare Ld korrelerer med transkriptionel aktivitet [38]. I feltet carcinogenese det er velkendt, at genekspression er ændret [37,39]. Desuden forskellige genændringer er blevet vist, skal ændres i prostata felt carcinogenese. Men i betragtning af genetiske heterogenitet i tumorer, at finde den nøjagtige gen array er vanskelig. Da det viser sig, at nano-arkitektur kan være en “endelig fællesnævner” til det utal af genetiske /epigenetisk ændringer i tidlig carcinogenese, bør det være særligt effektivt. [20] I cytoplasmaet, determinanter er mere varieret, men en overordnet tema er cytoskeletorganisation [40]. Talrige cytoskeletale proteiner (f.eks glat muskulatur gamma actin) har vist sig at være dysreguleret i prostata epitel, yderligere underbygger relevans for PCa [41].

Der er mange stærke sider af denne undersøgelse, herunder dens innovative karakter og godt -characterized, prospektivt fulgte kohorte af mænd, der gennemgår aktiv overvågning. Den kliniske nyhed inkluderer brug af marken carcinogenese at forudsige naturhistorie tidligt stadium PSA. Fra et biologisk perspektiv, dette giver vigtig indsigt i nano-arkitektoniske abnormiteter i tidlig carcinogenese. Teknologisk denne undersøgelse ikke kun bruges PWS at vurdere prognose, snarere end blot tilstedeværelsen af ​​tumor, men også overvandt den udfordring at udføre nanocytology på hele vævssnit.

svagheder, der skal kvitteres omfatter beskedne kohortestørrelse og opfølgning. På den anden side, denne undersøgelse repræsenterer guldstandard med prøver, der stammer en probe-lignende måde (prøver prospektivt indsamlet og sidste halvdel af datasæt blindet, eftersom selv i afblindet datasæt investigator ansvarlig for dataopsamling var uvidende om den kliniske status, er der ingen mulighed for bias). En anden potentiel svaghed ved denne undersøgelse var manglen på klinisk entydige endepunkter, f.eks metastase eller død fra PSA. Begge disse endepunkter ville imidlertid kræve mindst 10 års opfølgning og ville derfor være upraktisk. Desuden er vores definition af progression (øget Gleason score eller øget volumen af ​​kræft) er godt valideret og almindeligt anvendt i klinisk praksis.

Som konklusion, vi demonstrere der er dybe nano-arkitektoniske ændringer i prostatakræft felt carcinogenese. Vurdering af dette gennem PWS nanocytology kan udgøre en kraftfuld biomarkør til at forudsige progression for mænd med tidligt PSA. Denne tilgang kan gøre PCa befolkning screening mere levedygtige ved at afbøde skader forbundet med identifikation af indolent sygdom. Desuden er denne proof of principle undersøgelse tyder på, at PWS nanocytology potentielt kan have en rolle i den kliniske udrustning mod screening overdiagnostik gåde for en række maligniteter.

Tak

Forfatterne takker Ms Beth Parker for fremragende støtte i manuskriptet forberedelse.