Biomarker - Biomarker

V biomedicínských kontextech je biomarker nebo biologický marker měřitelným indikátorem nějakého biologického stavu nebo stavu. Biomarkery se často měří a vyhodnocují pomocí krve, moči nebo měkkých tkání ke zkoumání normálních biologických procesů , patogenních procesů nebo farmakologických reakcí na terapeutický zásah . Biomarkery se používají v mnoha vědních oborech .

Digitální biomarkery jsou nově se objevující oblastí biomarkerů, které většinou shromažďují inteligentní biosenzory . Digitální biomarkery se dosud zaměřovaly na monitorování životně důležitých parametrů, jako jsou data z akcelerometru a srdeční frekvence, ale také řeč . Stále více jsou k dispozici nové neinvazivní molekulární digitální biomarkery zaznamenané např. Analýzou potu na kůži ( sudorologie s internetovým připojením ), kterou lze považovat za digitální biomarkery příští generace. Digitální biomarkery lze snadno sdílet s odpovědným lékařem a pomocí umělé inteligence lze vyvinout nové diagnostické přístupy.

Lék

Biomarkery používané v lékařské oblasti jsou součástí relativně nové sady klinických nástrojů roztříděných podle jejich klinických aplikací. Tři hlavní třídy jsou molekulární biomarkery, buněčné biomarkery nebo zobrazovací biomarkery. Všechny 3 typy biomarkerů mají klinickou roli při zúžení nebo vedení rozhodování o léčbě a dodržují subkategorii toho, že jsou buď prediktivní, prognostické nebo diagnostické.

Prediktivní

Prediktivní molekulární, buněčné nebo zobrazovací biomarkery, které projdou validací, mohou sloužit jako metoda predikce klinických výsledků. Prediktivní biomarkery se používají k optimalizaci ideální léčby a často indikují pravděpodobnost prospěchu z konkrétní terapie. Například molekulární biomarkery umístěné na rozhraní architektury molekulárních procesů specifických pro patologii a mechanismu účinku léčiva slibují zachycení aspektů umožňujících posouzení individuální léčebné odpovědi. To nabízí duální přístup jak k pozorování trendů v retrospektivních studiích, tak pomocí biomarkerů k predikci výsledků. Například u metastatického kolorektálního karcinomu mohou prediktivní biomarkery sloužit jako způsob hodnocení a zlepšování míry přežití pacientů a v individuálním případě případ od případu mohou sloužit jako způsob, jak ušetřit pacienty od zbytečné toxicity, která vyplývá z plánů léčby rakoviny.

Běžnými příklady prediktivních biomarkerů jsou geny, jako jsou ER, PR a HER2/neu při rakovině prsu, fúzní protein BCR-ABL při chronické myeloidní leukémii, mutace c-KIT v nádorech GIST a mutace EGFR1 v NSCLC.

Diagnostický

Diagnostické biomarkery, které splňují důkazní břemeno, mohou sloužit ke zúžení diagnózy. To může vést k diagnostice, která je výrazně konkrétnější pro jednotlivé pacienty.

Po infarktu lze změřit řadu různých srdečních biomarkerů, aby se přesně určilo, kdy k záchvatu došlo a jak vážný byl.

Biomarker může být sledovatelná látka, která se zavádí do organismu jako prostředek ke zkoumání funkce orgánu nebo jiných aspektů zdraví. Například rubidiumchlorid se používá jako radioaktivní izotop k hodnocení perfúze srdečního svalu.

Může to být také látka, jejíž detekce indikuje konkrétní chorobný stav, například přítomnost protilátky může indikovat infekci . Biomarker konkrétněji indikuje změnu v expresi nebo stavu proteinu, která koreluje s rizikem nebo progresí onemocnění nebo s náchylností onemocnění k dané léčbě.

Jedním příkladem běžně používaného biomarkeru v medicíně je prostatický specifický antigen (PSA). Tento marker lze měřit jako zástupce velikosti prostaty s rychlými změnami potenciálně indikujícími rakovinu. Nejextrémnějším případem by bylo detekovat mutantní proteiny jako biomarkery specifické pro rakovinu pomocí monitorování vybrané reakce (SRM), protože mutantní proteiny mohou pocházet pouze ze stávajícího nádoru, což v konečném důsledku poskytuje nejlepší specifitu pro lékařské účely.

Dalším příkladem je KRAS, onkogen, který kóduje GTPázu zapojenou do několika drah přenosu signálu . Biomarkery pro přesnou onkologii se typicky používají v molekulární diagnostice chronické myeloidní leukémie , rakoviny tlustého střeva , prsu a plic a v melanomu .

Digitální biomarker

Digitální biomarkery se v současné době používají ve spojení s umělou inteligencí (AI) k rozpoznání symptomů mírného kognitivního narušení (MCI).

Prognostický

Prognostický biomarker poskytuje informace o celkovém výsledku pacientů bez ohledu na léčbu nebo terapeutickou intervenci.

Výzkum

Biomarkery pro přesnou medicínu jsou součástí relativně nové sady klinických nástrojů. V případě metastatického kolorektálního karcinomu (mCRC) byly dosud identifikovány a klinicky implementovány pouze dva prediktivní biomarkery. V tomto případě byl nedostatek údajů nad rámec retrospektivních studií a úspěšných přístupů řízených biomarkery navržen jako hlavní příčina potřeby nových studií biomarkerů v lékařské oblasti kvůli vážnému opotřebení, které doprovází klinická hodnocení.

Oblast výzkumu biomarkerů se také rozšiřuje, aby zahrnovala kombinatorický přístup k identifikaci biomarkerů z multi-omických zdrojů. Kombinace skupin biomarkerů z různých omických dat umožňuje vytvoření panelů, které vyhodnotí odezvu léčby na základě mnoha biomarkerů najednou. Jednou z takových oblastí rozšiřujícího se výzkumu multiomických biomarkerů je sekvenování mitochondriální DNA. Bylo prokázáno, že mutace v mitochondriální DNA korelují s rizikem, progresí a reakcí na léčbu spinocelulárního karcinomu hlavy a krku. V tomto příkladu se ukázalo, že relativně levné sekvenční potrubí je schopné detekovat nízkofrekvenční mutace v buňkách spojených s nádorem. To zdůrazňuje obecnou schopnost snímků biomarkerů založených na mitochondriální DNA při zachycování heterogenity mezi jednotlivci.

Regulační validace pro klinické použití

Early Detection Research Network (EDNR) sestavil seznam sedmi kritérií, podle kterých mohou být biomarkery posuzovat s cílem zefektivnit klinickou validaci.

Ověření konceptu

Tento krok, který byl dříve používán k identifikaci specifických charakteristik biomarkeru, je nezbytný pro validaci těchto výhod in situ . Biologické odůvodnění studie musí být posouzeno v malém měřítku, než může dojít k jakýmkoli rozsáhlým studiím. Mnoho kandidátů musí být testováno, aby vybrali ty nejrelevantnější.

Experimentální validace

Tento krok umožňuje vývoj nejvíce přizpůsobeného protokolu pro rutinní použití biomarkeru. Současně je možné různými metodami (histologie, PCR, ELISA, ...) potvrdit relevanci protokolu a definovat vrstvy na základě výsledků.

Ověření analytických výkonů

Jeden z nejdůležitějších kroků slouží k identifikaci specifických charakteristik kandidátského biomarkeru před vypracováním rutinního testu. Zvažuje se několik parametrů, včetně:

  • citlivost
  • specifičnost
  • robustnost
  • přesnost
  • reprodukovatelnost
  • praktičnost
  • etika

Standardizace protokolu

To optimalizuje ověřený protokol pro rutinní použití, včetně analýzy kritických bodů skenováním celého postupu za účelem identifikace a kontroly potenciálních rizik.

Etické problémy

V roce 1997 National Institute of Health navrhl potřebu vypracování pokynů a legislativy, které by regulovaly etické dimenze studií biomarkerů. Podobně jako způsob, jakým projekt lidského genomu spolupracoval s americkým úřadem pro posuzování technologií, by studie citlivosti biomarkerů měly spolupracovat na vytvoření etických pokynů, které lze implementovat do základů a návrhových požadavků studií.

Zajištění toho, aby všichni účastníci, kteří jsou zahrnuti do každého kroku projektu (tj. Plánování, implementace a kompilace výsledků), měli zajištěnu ochranu etických zásad, které jsou zavedeny před zahájením projektu. Tyto etické ochrany by neměly chránit pouze účastníky studie, ale také neúčastníky, výzkumné pracovníky, sponzory, regulační orgány a všechny další osoby nebo skupiny zapojené do studie. Některé etické ochrany mohou zahrnovat, ale nejsou omezeny na:

  • Informovaný souhlas účastníka
  • Přístup k možnostem účasti nezávislý na rase, socioekonomickém postavení, pohlaví, sexualitě atd. (V rozsahu povoleném experimentálním protokolem)
  • Vědecká integrita
  • Důvěrnost údajů ( anonymita )
  • Potvrzení střetu zájmů z hlediska financování a sponzorství daných sponzorů
  • Transparentnost a uznávání zdravotních a právních rizik spojených s účastí

Buněčná biologie

V buněčné biologii je biomarker molekula, která umožňuje detekci a izolaci konkrétního buněčného typu (například protein Oct-4 se používá jako biomarker k identifikaci embryonálních kmenových buněk ).

V genetice je biomarker (identifikovaný jako genetický marker ) sekvence DNA, která způsobuje onemocnění nebo je spojena s náchylností k chorobám. Lze je použít k vytvoření genetických map jakéhokoli studovaného organismu.

Aplikace v chemii, geologii a astrobiologii

Biomarkerem může být jakýkoli druh molekuly indikující existenci, minulých nebo současných, živých organismů. V oblasti geologie a astrobiologie jsou biomarkery oproti geomarkerům známé také jako biosignatury . Termín biomarker se také používá k popisu biologického zapojení do výroby ropy . Biomarkery byly použity při geochemickém vyšetřování úniku ropy v San Francisco Bay v Kalifornii v roce 1988. Ve dnech 22. – 23. Dubna bylo rafinérským a výrobním komplexem omylem vypuštěno do údolí San Joaquin přibližně 400 000 galonů ropy. Společnost Shell Oil . Olej zasáhl mnoho okolních oblastí. Vzorky surové ropy byly shromážděny v různých oblastech, kde se rozšířila, a porovnávaly se vzorky, které nebyly uvolněny, ve snaze rozlišit mezi vylitým olejem a petrogenním pozadím přítomným v oblasti úniku. Byla provedena hmotnostní spektra pro identifikaci biomarkerů a cyklických alifatických uhlovodíků ve vzorcích. Byly zjištěny rozdíly v koncentraci složek vzorků ropy a sedimentů.

Ekotoxikologie

Rachel Carson , autorka knihy Silent Spring , nastolila otázku používání organochlorových pesticidů a diskutovala o možných negativních účincích, které tyto pesticidy mají na živé organismy. Její kniha nastolila etické problémy proti chemickým korporacím, které řídily obecný příjem účinku pesticidů na životní prostředí, což propagovalo potřebu ekotoxikologických studií. Za prekurzory studií biomarkerů lze považovat ekotoxikologické studie. Biomarkery se používají k označení expozice nebo účinku xenobiotik, které jsou přítomny v životním prostředí a v organismech. Biomarker může být samotná vnější látka (např. Částice azbestu nebo NNK z tabáku) nebo varianta vnější látky zpracovávané tělem ( metabolit ), kterou lze obvykle kvantifikovat.

Dějiny

Rozsáhlé používání výrazu „biomarker“ se datuje již od roku 1980. Způsob, jakým bylo životní prostředí monitorováno a studováno na konci 80. let, stále stále závisel hlavně na studiu chemických látek, které byly považovány za nebezpečné nebo toxické, když nachází se v mírných koncentracích ve vodě, sedimentech a vodních organismech. Metody používané k identifikaci těchto chemických sloučenin byly chromatografie, spektrofotometrie, elektrochemie a radiochemie. Ačkoli tyto metody byly úspěšné při objasňování chemického složení a koncentrací přítomných v prostředí kontaminantů a dotyčných sloučenin, testy neposkytly údaje, které by byly informativní o dopadu určité znečišťující látky nebo chemikálie na živý organismus nebo ekosystém. Bylo navrženo, že charakterizace biomarkerů by mohla vytvořit varovný systém, který by zkontroloval blaho populace nebo ekosystému, než by mohla znečišťující látka nebo sloučenina způsobit v systému katastrofu. Díky vývoji studií biomarkerů lze nyní biomarkery používat a používat v oblasti humánní medicíny a při detekci nemocí.

Definice

Termín „biologický marker“ byl zaveden v padesátých letech minulého století.

  • V roce 1987 byly biologické markery definovány jako „indikátory signalizující události v biologických systémech nebo vzorcích“, které lze rozdělit do tří kategorií: markery expozice, účinku a citlivosti.
  • V roce 1990 McCarthy a Shugart definovali biomarkery jako „měření na molekulární, biochemické nebo buněčné úrovni buď v divokých populacích z kontaminovaných stanovišť, nebo v organismech experimentálně vystavených znečišťujícím látkám, které naznačují, že organismus byl vystaven toxickým chemikáliím a velikosti reakce organismu “.
  • V roce 1994 Depledge definoval biomarker jako „biochemickou, buněčnou, fyziologickou nebo behaviorální změnu, kterou lze měřit v tělesných tkáních nebo tekutinách nebo na úrovni celého organismu, která odhaluje expozici jedné nebo více chemikáliím znečišťující látky. "
  • V roce 1996 se Van Gestel a Van Brummelen pokusili předefinovat biomarkery, aby jednoznačně odlišili biomarker od bioindikátoru. Podle Van Gestel a Van Brummelena by biomarker podle definice měl být používán pouze k popisu subletálních biochemických změn vyplývajících z individuální expozice xenobiotikům.
  • V roce 1998 definovala pracovní skupina definic biomarkerů National Institutes of Health biomarker jako „charakteristiku, která je objektivně měřena a hodnocena jako indikátor normálních biologických procesů, patogenních procesů nebo farmakologických reakcí na terapeutickou intervenci“.
  • V roce 2000 definoval De Lafontaine termín biomarker jako „biochemickou a/nebo fyziologickou změnu (změny) v organismech vystavených kontaminantům, a představuje tak počáteční reakce na narušování životního prostředí a kontaminaci“.

Aktivní biomonitoring

De Kock a Kramer vyvinuli koncept aktivního biomonitoringu v roce 1994. Aktivní biomonitoring je srovnání chemických/biologických vlastností vzorku, který byl přemístěn do nového prostředí, které obsahuje jiné podmínky než jeho původní prostředí.

Viz také

Reference