La utilización de biomarcadores relacionados con el cáncer -ácidos nucleicos libres de células, proteínas, lípidos, metabolitos- medibles en sangre y orina es una estrategia prometedora para la detección temprana de esta enfermedad.
Las principales características que ha de tener cualquier biomarcador son su especificidad y sensibilidad. Cuanto más específico sea un marcador, menor será el número de casos sobrediagnosticados evitando así la realización de otras pruebas médicas innecesarias. Asimismo, la alta sensibilidad permitirá detectar incluso niveles muy bajos de biomarcadores tumorales. Este aspecto es clave, ya que se cree que algunos tumores podrían permanecer sin diagnosticar más de 10 años desde el inicio del proceso cancerígeno. Esta situación suele ocurrir con aquellos tumores que no causan dolor. Por otro lado, los tumores de crecimiento rápido y agresivos, tienen una ventana más estrecha para la detección temprana. Por esta razón, necesitan de biomarcadores altamente sensibles.
ABYNTEK RESEARCH REAGENTS te ofrece un amplio catálogo de marcadores y productos relacionados con diversos tipos de cáncer.
En la actualidad, el PSA (Prostate Specific Antigen) es el marcador sanguíneo más utilizado a nivel clínico para detectar el cáncer de próstata. Una de las limitaciones del análisis del PSA es su no tan alta especificidad, ya que se observan niveles altos de PSA no solamente cuando existe un cáncer de próstata sino también en casos de crecimiento benigno.
Es por esto que existe una gran oportunidad para el desarrollo de biomarcadores para la detección del cáncer de forma temprana. Sin embargo, existen dos fenómenos que dificultan la detección de biomarcadores en biofluidos como la sangre o la orina: por un lado, el corto tiempo de circulación de los biomarcadores tumorales debido a su degradación y, por otro lado, la dilución de dichos marcadores. Cuanto más pequeño es el tumor, menor concentración de biomarcadores en sangre u orina y, por tanto, más difícil será su detección.
Un tipo de biomarcadores son los marcadores sintéticos. Estos biomarcadores para el diagnóstico precoz del cáncer abarcan un conjunto de estrategias que se están desarrollando para superar los desafíos asociados a la detección de biomarcadores tumorales en las etapas tempranas de desarrollo del cáncer. Existen dos estrategias principales de biomarcadores sintéticos que se están desarrollando para abordar los problemas anteriormente mencionados (Kwong et al. 2021): los biomarcadores basados en actividad y los biomarcadores codificados genéticamente. A continuación, describimos brevemente ambas estrategias:
1. BIOMARCADORES BASADOS EN LA ACTIVIDAD TUMORAL
La principal característica de los biomarcadores sintéticos basados en actividad es que consisten en un sensor que es activado por enzimas presentes en el microambiente tumoral. La idea es que, gracias a la actividad enzimática asociada al tumor, el sensor se active y en consecuencia produzca un analito o molécula que pueda detectarse y utilizarse como indicador del biomarcador.
A continuación, describimos dos ejemplos:
Biomarcadores sintéticos activados por proteasas
Las proteasas son enzimas capaces de cortar gran variedad de secuencias proteicas y están implicadas en numerosos procesos celulares incluida la activación de proteínas, la degradación de la matriz extracelular o la apoptosis.
En cáncer, se ha descrito que ciertas proteasas, como las metaloproteinasas de matriz (MMPs, matrix metalloproteinases), están sobreexpresadas, quizás para contribuir al proceso de angiogénesis y facilitar así el crecimiento tumoral.
Los biomarcadores sintéticos activados por proteasas se basan en un sustrato peptídico que puede ser escindido por enzimas presentes en el microambiente tumoral. La acción enzimática resulta en la liberación de un indicador en la sangre u orina el cual puede ser detectado. En este método, el péptido que se utiliza como sustrato se conjuga con un portador compatible, como el polietilenglicol (PEG).
Teniendo en cuenta que una única enzima presente en el microambiente tumoral puede escindir un gran numero de péptidos, este sistema conduce rápidamente a la amplificación de la señal. No obstante, el uso de un único sensor, en este caso para una única enzima, puede no tener suficiente especificidad.
Por este motivo, se está investigando utilizar en paralelo un panel de sensores (multiplexed library of sensors) con el objetivo de identificar y medir un conjunto de biomarcadores que se asocien de forma especifica con una enfermedad concreta. El objetivo de esta estrategia es poder medir y cuantificar cada uno de los indicadores asociados a cada biomarcador que son liberados en sangre. Una forma de llevar esto a cabo consiste en conjugar o etiquetar cada indicador de forma distinta.
Un ejemplo de esta estrategia ha sido publicado recientemente por Kirkpatrick et al., 2021. En este estudio, los investigadores han desarrollado un panel multiplexado de sensores que es capaz de detectar cáncer de pulmón en estadio temprano en un modelo de ratón con adenocarcinoma de pulmón (mutante de Kras, Tp53) con 92% de sensibilidad y 100% de especificidad.
El panel de sensores está basado en la actividad enzimática de 14 proteasas que se sobreexpresan específicamente en el adenocarcinoma de pulmón. La acción de estas proteasas sobre los sensores generará unos indicadores que son detectados en la orina. Cada indicador está marcado o ´etiquetado´ mediante el uso de aminoácidos marcados con isótopos, de forma que se pueden detectar mediante espectrometría de masas con gran especificidad. Este método permite una evaluación cuantitativa de cada uno de los indicadores liberados en la orina y permite discriminar a los ratones con cáncer de pulmón en estadio temprano de aquellos ratones control.
Sondas de moléculas pequeñas
Las sondas de moléculas pequeñas son sondas diseñadas sintéticamente que permiten detectar la actividad enzimática asociada al tumor. Comprenden un sitio de reconocimiento de enzimas que está vinculado a un indicador escindible. Por tanto, tras la administración sistémica de la sonda, las enzimas específicamente sobreexpresadas en el cáncer escindirían la sonda generando un biomarcador sintético. Dependiendo del indicador, el biomarcador podría detectarse por varios medios. A continuación, describimos dos ejemplos de indicadores que están siendo investigados:
Una estrategia consiste en el uso de compuestos orgánicos volátiles (COV) como indicadores, ya que éstos pueden analizarse y medirse en el aire expirado. De hecho, la medición de los COV en el aire expirado se utiliza en las pruebas para Helicobacter Pylori (ensayo de urea de carbono 13) o para evaluar el crecimiento excesivo de bacterias del intestino delgado (medición de metano). Si bien se han intentado identificar COVs asociados al cáncer, la alta variabilidad y la baja concentración de COVs dificulta su uso directo como biomarcadores endógenos. Sin embargo, utilizar los VOCs como indicadores en biomarcadores sintéticos puede ser una estrategia con mayor potencial.
En otro estudio reciente (Lange et al. 2019), se utilizó un sensor que, en contacto con la enzima β-glucoronidasa, la cual es secretada por tumores sólidos, se generaba el metabolito D5-etanol. Este indicador, difunde al plasma sanguíneo y puede ser detectado en el aire expirado mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. Este estudio demostró que este biomarcador sintético permitió discriminar entre ratones con tumores de aquellos ratones sanos.
2. Biomarcadores codificados genéticamente
Los biomarcadores sintéticos codificados genéticamente aprovechan ciertas características del microambiente tumoral con el objetivo de secretar indicadores que puedan detectarse en los biofluidos. Hay tres tipos principales: sensores basados en vectores, basados en células de mamíferos y basados en bacterias. Cada tipo difiere entre sí en la naturaleza del biomarcador endógeno que detectan y en cómo amplifican la señal.
Biomarcadores sintéticos basados en vectores
Son biomarcadores que contienen un promotor específicamente activo en células cancerígenas. La activación de dicho promotor resulta en la transcripción de un biomarcador sintético que puede liberarse en la sangre u orina para su detección. La administración sistémica del vector con el transgén resultaría en la expresión del mismo al estar en contacto con tejido cancerígeno.
Un ejemplo de un promotor que se ha utilizado para probar esta estrategia es el del gen TERT, ya que se sobreexpresa en cánceres humanos, mientras que su expresión está silenciada en casi todas las células somáticas. Con respecto al transgén que actúa como indicador, la fosfatasa alcalina embrionaria secretada (SEAP) y un gen de luciferasa (Gluc) son dos de los indicadores que más han sido investigados.
La principal limitación de este tipo de sensores está relacionada con el transporte de los vectores al tumor, ya que el uso de vectores virales en este contexto sigue siendo controvertido.
Biomarcadores sintéticos basados en células de mamíferos
El fundamento de esta estrategia es utilizar células de mamíferos modificadas genéticamente como un sensor celular vivo. La ventaja de utilizar los llamados «diagnósticos basados en células» es que algunas células son capaces de localizar e infiltrarse en ciertos tumores. No es el caso de las sondas moleculares anteriormente descritas, ya que su localización en el tumor dependerá en mayor medida de la vascularización del tumor y de su capacidad de difusión a través de los tejidos.
En un estudio de prueba de concepto (Aalipour et al. 2019) se modificaron genéticamente macrófagos que codificasen un indicador sintético tras su reprogramación al fenotipo M2. La polarización hacia este fenotipo suele ocurrir en los macrófagos dentro del microambiente tumoral como mecanismo para generar un microambiente inmunosupresor. Este estudio utilizó el promotor de la arginasa-1, debido a que la proteína ARG-1 se sobreexpresa en macrófagos M2. Como transgén indicador se utilizó la luciferasa. Tras introducir los macrófagos modificados en modelos de ratón con cáncer de mama y colorrectal, se observó que dichos macrófagos se localizaron en el sitio del tumor, activaron la arginasa-1 y, en consecuencia, comenzaron a expresar luciferasa. La luciferasa se pudo detectar mediante bioluminiscencia y también mediante análisis de la sangre. Este método fue extremadamente sensible, permitiendo la detección de tumores muy pequeños (entre 25-50 mm3).
No obstante, esta estrategia supone un alto coste, lo que dificultaría su uso como herramienta rutinaria de cribado para la detección precoz del cáncer.
Biomarcadores sintéticos basados en bacterias
El descubrimiento de que algunas bacterias pueden localizarse e infiltrar selectivamente algunos tumores ha abierto nuevas estrategias para la detección del cáncer basadas en el uso de bacterias manipuladas genéticamente. Al igual que en los casos anteriores, la idea es que la bacteria, al entrar en contacto con el tumor, comience a codificar un biomarcador sintético particular que pueda ser fácilmente detectado. Una ventaja de este enfoque es que el crecimiento bacteriano amplificará aún más la señal de detección. Este método exige utilizar bacterias atenuadas y uno de los principales problemas de seguridad que pueden darse es que la bacteria recupere, en cierta medida, su virulencia. El campo de la biología sintética podría proporcionar algunas soluciones para superar esta limitación actual.
En resumen, hemos descrito varias estrategias que se están investigando actualmente para usar biomarcadores sintéticos para el diagnóstico precoz del cáncer. Una de las limitaciones actuales observadas en los estudios preclínicos es la activación del biomarcador sintético en ausencia de tumor ya sea porque detecta el biomarcador endógeno o porque es activado por otra molécula no deseada (off-target).
Por otro lado, es necesario seguir desarrollando modelos de investigación preclínicos que imiten con mayor fidelidad las primeras etapas del desarrollo del cáncer. Esto permitirá evaluar con mayor rigurosidad la eficacia de los biomarcadores sintéticos desarrollados. Por último, es fundamental que los biomarcadores sintéticos de sangre u orina también puedan informarnos sobre la localización del tumor.
En conclusión, aunque existen muchos desafíos, incluyendo la heterogeneidad tumoral o las variaciones entre pacientes, el campo avanza rápidamente en la investigación de estrategias innovadoras que permitan la detección temprana del cáncer.
¿Necesitas anticuerpos, proteínas o kits ELISA para el estudio de biomarcadores? Consulta nuestro catálogo.
Te asesoramos técnicamente para encontrar el producto que mejor se adapte a tu investigación. Contáctanos aquí.
Desde Abyntek, queremos contribuir a la investigación contra el cáncer, no solo proporcionando reactivos de primer nivel para investigaciones oncológicas, sino también destinando parte de los beneficios obtenidos de las ventas de ABYNTEK RESEARCH REAGENTS a líneas de investigación en cáncer de mama.
Referencias
Aalipour, Amin et al. 2019. “Engineered Immune Cells as Highly Sensitive Cancer Diagnostics.” Nature biotechnology 37(5): 531–39.
Kirkpatrick, Jesse D et al. 2020. “Urinary Detection of Lung Cancer in Mice via Noninvasive Pulmonary Protease Profiling.” Science translational medicine 12(537).
Kwong, Gabriel A et al. 2021. “Synthetic Biomarkers: A Twenty-First Century Path to Early Cancer Detection.” Nature reviews. Cancer 21(10): 655–68.
Lange, Justin et al. 2019. “Volatile Organic Compound Based Probe for Induced Volatolomics of Cancers.” Angewandte Chemie (International ed. in English) 58(49): 17563–66.
