Biomarcatori 2005 Dove siamo ? Dove stiamo andando ? MARCATORI TUMORALI Definizione Metodi di misura Interpretazione del referto Indicazioni all’uso clinico Marcatori Tumorali: definizione Ogni segnale biologico, misurabile nei liquidi corporei, correlato alla presenza di una neoplasia Fattori influenti sui livelli ematici dei marcatori tumorali FATTORE EFFETTO Produzione (da parte del tumore): Aumento (appropriato) Rilascio (da parte del tumore): Aumento (appropriato) Produzione in tessuti non neoplastici: Aumento (spurio) Sostanze cross-reagenti: Aumento (spurio) Diluizione nel volume ematico: Diminuizione Metabolismo: Diminuizione Escrezione: Diminuizione I marcatori cosiddetti “tumorali” nel siero danno informazioni che sono la somma di numerose variabili fra le quali è compreso anche il tumore. Marcatori tumorali ? Marcatori o biomarcatori in oncologia Condizioni non neoplastiche responsabili di incrementi dei biomarcatori Eventi fisiologici e abitudini voluttuarie Patologie non tumorali Manovre diagnostiche Cause diverse di incrementi non specifici dei marcatori Eventi fisiologici ed abitudini di vita CONDIZIONE MARKER Gravidanza AFP, HCG, MCA, CA125, TPA, TG Ciclo mestruale CA125 Attività sessuale PSA Fumo CEA, TPA, TG, SCC Alcool CEA, TPA, Ferritina, SCC Attività sportiva pesante PSA Uso della bicicletta PSA Cause Cliniche di incrementi non specifici del marcatori Malattie benigne (1) CONDIZIONE Cirrosi epatica Epatite acuta Pancreatite acuta Pancreatite cronica Ipertrofia prostatica benigna Ischemia prostatica Prostatite Ritenzione urinaria Endometriosi Flogosi peritoneale Polmonite Pleurite Malattie tiroidee Infarto cerebrale Danni del SNC Psoriasi MARKER CEA, TPA, TPS, Cyfra21.1, CA19.9, CA50, CA15.3, CA125, MCA CA19.9, CA15.3, CA125 CA19.9 CA19.9, CA50, CA125 PSA, PAP PSA, PAP PSA, PAP PSA, PAP CA125 CA125 CA125 CA125 TG NSE S100 SCC Cause Cliniche di incrementi non specifici del marcatori Malattie benigne (2) CONDIZIONE MARKER Ittero CEA, TPA, ferritina, CA15.3, CA19.9, CA50, MCA, Cyfra21.1 Malattie respiratorie croniche Insufficienza renale cronica Malattie reumatiche Diabete Insufficienza cardiaca congestizia CEA, TPA, Cyfra21.1 CEA, CA5., SCC, CA125, TPA, TG, NSE CA19.9 CA19.9, CA50 CA125 Cause cliniche di incrementi non specifici dei marcatori Cause iatrogene Cateterismo vescicale PSA, PAP Agobiopsia prostatica PSA, PSA Agobiopsia tiroidea TG Traumatismo chirurgico TPA Traumatismo chirurgico sul peritoneo CA125 Cardiochirurgia con circ. extracorporea PSA Finasteride PSA G-CSF CA15.3 Classificazione biologico-clinica Biomarcatori di interazione tumore/ospite Biomarcatori di presenza e/o estensione Biomarcatori di funzione Biomarcatori di rischio Biomarcatori di interazione tumore-ospite Indicatori di danno di organo o sistema Risposte immunologiche dell’ospite al fenotipo tumorale Indicatori di danno di organo o sistema Comprendono numerosi parametri ematochimici (es. emocromocitometrico, enzimi, marcatori di metabolismo osseo, …) Sono in genere espressione di danno (meccanico o biochimico) dei tessuti normali indotto dal tumore Possono essere efficaci biomarcatori di estensione nella malattia avanzata Risposte immunologiche dell’ospite al Anticorpi contro molecole espresse dal tumore fenotipo tumorale Anticorpi anti p53 Anticorpi anti p185/neu Anticorpi anti antigene MUC-1 Immunocomplessi circolanti Anticorpi contro molecole espresse dal tumore Identificazione precoce (amplificazione biologica) di fenotipo neoplastico o preneoplastico (es. anticorpi anti p53 in soggetti esposti a cancerogeni occupazionali) Indicazione prognostica (risposta dell’ospite al fenotipo neoplastico) (es. anticorpi anti antigene MUC-1) Indicazione di radicalità terapeutica (sieroconversione) (es. anticorpi anti p53 dopo chirurgia radicale del ca. esofageo) Classificazione biologico-clinica Biomarcatori di interazione tumore/ospite Biomarcatori di presenza e/o estensione Biomarcatori di funzione Biomarcatori di rischio Biomarcatori di presenza e/o estensione Forniscono indicazioni su presenza, estensione o attività della neoplasia in fase iniziale, durante il monitoraggio dopo la terapia primaria e durante il monitoraggio della terapia per la malattia metastatica. Marcatori tumorali: classificazione Indicatori prodotti in modo quantitativamente prevalente dal tumore Molecole a struttura chimica nota (marcatori classici, es. CEA, AFP, citocheratine, ormoni,….) Glicoproteine immunologicamente identificabili (epitopi noti, CA125, CA15.3, CA19.9, …) Componenti della cellula tumorale (mRNA, DNA) Classificazione biologico-clinica Biomarcatori di interazione tumore/ospite Biomarcatori di presenza e/o estensione Biomarcatori di funzione Biomarcatori di rischio Biomarcatori di funzione Razionale biologico “a priori” Sono associati a variazioni del fenotipo tumorale correlate a comportamenti biologico-clinici (es.: aggressività, sensibilità ai farmaci, ...) Sono uno strumento essenziale per le personalizzazione della terapia Biomarcatori di funzione VEGF VCAM-1 FGF p53 p105/NEU uPA/PAI …. Classificazione biologico-clinica Biomarcatori di interazione tumore/ospite Biomarcatori di presenza e/o estensione Biomarcatori di funzione Biomarcatori di rischio Biomarcatori di rischio Indicano un maggior rischio genetico o metabolico di sviluppare un tumore Idealmente, possono permettere di selezionare gruppi di persone da sottoporre a screening intensivi Hanno caratteristiche diverse nei tumori ereditari, in quelli familiari e in quelli sporadici Tumori ereditari e familiari Tumori ereditari • Rari • Monogenici • Ruolo di fattori ambientali: minimo-assente • Tipo di rischio: si/no Tumori familiari (o etnici) e (forse) sporadici • Comuni • Poligenici • Ruolo di fattori ambientali: rilevante • Tipo di rischio: progressivo Tumori ereditari e familiari - Biomarcatori Tumori ereditari • Mutazioni dei geni bersaglio Tumori familiari (o etnici) e (forse) sporadici • Polimorfismi di geni diversi • Mutazioni di geni diversi • Biomarcatori metabolici (IGFs, IGFBPs) • Biomarcatori ormonali Biomarcatori in oncologia Definizione Metodi di misura Interpretazione del referto Indicazioni all’uso clinico Assay of substances of biological importance fall into two categories Analytical assays result independent of the measuring system Comparative assays result dependent on the measuring system (R. Ekins, 1999) Comparative assays Any statement regarding the relative amounts of the substance is meaningless without an indication of the measuring system employed (R. Ekins, 1999) Biomarcatori in oncologia: il problema del metodo Il confronto fra risultati seriati nello stesso paziente è accurato solo se il dosaggio viene eseguito con lo stesso metodo E’ compito del medico curante spiegare al paziente l’importanza di eseguire il dosaggio di un marcatore sempre nello stesso laboratorio E’ compito del laboratorio informare l’utenza (medico, paziente) in caso di variazione di metodi Biomarcatori in oncologia Definizione Metodi di misura Interpretazione del referto Indicazioni all’uso clinico Situazione ideale VN FP FN VP VN FP FN Situazione reale VP Cut-off Limiti di accuratezza diagnostica In uno scenario reale è importante distinguere fra … • Sensibilità • Valore predittivo … tenendo in considerazione la prevalenza della malattia Sensibilità vs. Valore Predittivo Positivo SS = Veri positivi Veri positivi + Falsi negativi (totale dei malati) Sensibilità Indica la probabilità che un paziente con tumore abbia il marker positivo dipende dalle performances diagnostiche del marker Effetto Effetto della della prevalenza prevalenza sulla sulla sensibilità sensibilità VN FP FN VN VP FP FN FN Cut-off VP VP Sensibilità vs. Valore Predittivo Positivo VPP = Veri positivi Veri positivi + Falsi positivi (totale dei positivi) Valore Predittivo Positivo Indica la probabilità che una persona con marker positivo abbia effettivamente un tumore dipende dalle performances diagnostiche del marker dipende dalle caratteristiche della popolazione esaminata Effetto Effetto della della prevalenza prevalenza sul sul valore valore predittivo predittivo positivo positivo VN FP FN VN VP FP FN FN Cut-off VP VP Sensibilità vs. Valore Predittivo Situazione 1: Diagnosi di ricaduta dopo il trattamento del tumore primitivo sensibilità: 80%specificità: 90% soggetti esaminati: 100 probabilità di ricaduta: 50/100 malati attesi nel campione: 50 Diagnosi di ricaduta dopo la terapia primaria marker cancro si no + 40 (VP) 5 (FP) - 10 (FN) 45 (VN) VPP= VP 40 = = 0.89 VP + FP 40 + 5 VPN= VN 45 = = 0.82 VN + FN 45 + 10 Sensibilità vs. Valore Predittivo Situazione 2: Screening di tumore nella popolazione generale sensibilità: 80% specificità: 90% soggetti esaminati: 100.000 probabilità del tumore: 50/100.000 malati attesi nel campione: 50 Screening di popolazione asintomatica marker cancro si no + 40 (VP) 9995 (FP) - 10 (FN) 89955 (VN) VPP= VP 40 = = 0.004 VP + FP 40 + 9995 VPN= VN 89955 = = 0.999 VN + FN 89955 + 10 Biomarcatori in oncologia Definizione Metodi di misura Interpretazione del referto Indicazioni all’uso clinico Indicazioni all’uso clinico Quando Quali e quanti Quando? Screening ? Diagnosi ? Bilancio in stadiazione ? Dopo la terapia primaria ? Follow-up ? Terapia malattia metastatica ? Fase della malattia Screening Obiettivo Diagnosi precoce in soggetti asintomatici Screening Prevalenza della malattia bassa. Sensibilità e specificità dei marcatori inadeguate I marcatori non devono essere usati di routine per lo screening di neoplasia nella popolazione generale asintomatica I marcatori possono essere usati in programmi di screening SOLO nell’ambito di studi clinici controllati Screening: Patologie in valutazione neoplasia marcatore bersaglio bersaglio prostata ovaio PSA CA125 modalità di impiego stato della valutazione in associazione con alcuni studi già altre indagini aperti variazioni fra campioni seriati uno studio già aperto Fase della malattia Diagnosi di tumore primitivo Obiettivo Diagnosi differenziale fra tumore e malattia benigna in un paziente con sintomi Diagnosi di tumore primitivo In generale, i markers non sono di aiuto nella diagnosi per la limitata sensibilità e specificità Fanno eccezione alcune neoplasie che esprimono markers con alta specificità di istotipo Fase della malattia: diagnosi consenso alto medio neoplasia marcatore ca. a piccole cellule del polmone NSE ca. midollare della tiroide hCT ca. del testicolo hCG, AFP coriocarcinoma hCG tumori neuroendocrini specifici ormoni tumori endocrini specifici ormoni carcinoide amine e metaboliti, cromogranina A ca. a piccole cellule del polmone cromogranina A ca. della prostata PSA (%F/T) Fase della malattia Metastasi a partenza ignota Obiettivo Identificare la sede del tumore primitivo Ricerca sede di origine di metastasi Le metastasi multiple (in particolare quelle epatiche) sono spesso causa di elevazione dei livelli ematici di numerosi marcatori (mucine, CEA, citocheratine, ……) L’uso dei marcatori può essere utile solo nei tumori secernenti marcatori organo specifici Fase della malattia: metastasi a partenza ignota consenso alto medio basso neoplasia marcatore problemi ca. testicolo hCG - ca. prostatico PSA - ca. tiroide (differenziato) hTG - carcinoide cromogranina A, amine e metaboliti identificazione approssimativa della sede di origine ca. tiroide (midollare) hCT ca. a piccole cellule del polmone NSE possibile produzione da altre neoplasie neuroendocrine - - - Marcatori di tipo mucinico: specificità d’organo marker immunogeno neoplasie frequentemente causa di incremento quando avanzate CA 125 linee cell. di ca. ovarico ovaio, mammella, pancreas, polmone, colon-retto CA 19.9 linee cell. di ca. del colon colon-retto, stomaco, pancreas, ovaio CA 15.3 meta. di ca. mammario e HMFGM mammella, ovaio, polmone, pancreas Fase clinica Tumore primitivo diagnosticato Obiettivo Bilancio iniziale prima del trattamento Bilancio iniziale: ruolo dei marcatori valore basale prima del trattamento indicazioni sulla estensione della malattia (indicatori di stadio, indicatori generici di estensione) indicazioni prognostiche (indipendenti dallo stadio) e predittive Fase della malattia: tumore primitivo diagnosticato Obiettivo: bilancio iniziale (prognosi, predittività) neoplasia marcatori materiale biologico ca. a cellule germinali hCG, AFP sangue CA125 sangue ca. prostatico PSA sangue ca. mammario ER tessuto medio ca. colon-retto CEA sangue basso ca. mammario MUC1 (CA15.3) sangue consenso alto ca. ovarico Fase della malattia Monitoraggio a breve termine dopo la terapia primaria Obiettivo Radicalità della chirurgia Dopo il trattamento della malattia primaria con intenti di radicalità specificità tissutale emivita assoluta nota con precisione no non stabilita marcatore informazione sulla radicalità hCG, (AFP), PSA, hTG affidabile e precoce altri orientativa solo se positivi pre-chirurgia Fase della malattia Monitoraggio a lungo termine dopo la terapia primaria (follow-up) Obiettivi - Riconoscimento precoce della ricaduta - Trattamento precoce della ricaduta (?) Follow-up I marcatori sono efficaci L’incremento dei livelli del marcatore è associato alla presenza e/o estensione del tumore (associazione del marcatore con il processo biologico) La presenza di tumore è sinonimo di progressione (associazione del processo biologico con il comportamento clinico) Follow-up I marcatori sono utili ? L’impatto clinico del marcatore è condizionato da: efficacia della terapia disponibile end-point considerato (sopravvivenza, qualità di vita, costi, … ) Fase clinica: monitoraggio a lungo termine consenso alto neoplasia marcatore coriocarcinoma hCG, AFP sopravvivenza ca. del testicolo ca. del colon-retto medio CEA ca. mammario CA 15.3 ca. ovarico CA125 ca. prostatico end point PSA qualità di vita e/o costi Fase della malattia Malattia disseminata Obiettivi Monitoraggio ed aggiustamento tempestivo della strategia terapeutica Fase della malattia: monitoraggio terapia per la malattia avanzata alto ca. a cellule germinali medio ca. prostatico PSA ca. colon-retto CEA ca. ovarico basso hCG, AFP CA125 ca. mammario CA15.3, CEA varie neoplasie marcatori specifici Biomarcatori in oncologia: quando? Screening NO. In attesa di studi controllati Diagnosi SOLO marcatori istotipo-specifici Bilancio in stadiazione SI Dopo la terapia primaria SI (diverso grado di utilità) Follow-up SI (identificare gli end points) Terapia malattia metastatica SI Indicazioni all’uso clinico Quando Quali e quanti Carcinoma del colon-retto obiettivo marcatori da usare tempi criteri decisionali 1 scelta 2 scelta diagnosi differenziale nessuno nessuno - - bilancio di base CEA (1) CA19.9 (3) prima della chirurgia valore soglia dopo la chirurgia CEA (2) CA19.9 (3) 1 mese dopo la chirurgia variazione follow-up CEA (1) CA19.9 (3) regolarmente (ogni 2 - 3 mesi) variazione monitoraggio terapia in M+ CEA (2) CA19.9 (3) prima di ogni ciclo di CHT variazione Forza Forza delle delle raccomandazioni:(1) raccomandazioni:(1) buone buone evidenze; evidenze; (2) (2) discrete discrete evidenze; evidenze; (3) (3) opinione opinione di di esperti esperti (M.Gion, (M.Gion, 2002) 2002) Biomarcatori 2005 Dove siamo ? Dove stiamo andando ? Current approaches to biomarkers discovery Hypothesis-driven research Discovery-based research Ranshoff D.F, Developing Molecular Biomarkers for Cancer. Science 2003;299:1679-81 Hypothesis-driven research molecules thought to be involved in the biology of cancer provide the target for which the marker is developed plausibly important candidate genes or proteins are assessed one by one Discovery-based research “product” include complicated patterns of gene expression and mass spectroscopy peaks these patterns may be used to identify with conventional methods new candidate genes or proteins the patterns themselves may be used as the test without needing to understand which proteins or genes account for the pattern A new family of biomarkers expression signatures algorithms-interpreted proteomic patterns ............. Use of serological proteomic methods to find biomarkers associated with breast cancer • 76 patients with breast cancer, 54 controls • 2D PAGE + MALDI-TOF • HSP27 up-regulated, 14-3-3-sigma down-regulated in the serum of cancer patients • The two protein biomarkers were used to classify an independent set of 104 masked serum samples • The discriminatory pattern correctly identified all 69 breast cancer (100% sensitivity) and 34/35 controls (97% specificity) (Rui Z et al, Proteomics 3:433-439, 2003) Proteomic pattern in biological fluids: a valuable tool for cancer diagnosis ? These techniques appear to detect early as well as advanced disease with similar efficiency They are candidate tools for cancer screening Proteomic patterns in serum for prostatic cancer diagnosis Adam et al 2002 Petricoin et al 2002 Qu et al 2002 83% 95% 97 - 100% Diagnostic Specifity 97% 78 - 83% 97 - 100% SELDI-TOF chip type IMAC-Cu Hydrophobic C16 IMAC-Cu Diagnostic Sensivity Bioinformatic analysis Boosted Decision tree Proprietary decision tree algorithm (cluster analysis) algorithm Comparison of three reports for prostate cancer diagnosis based on SELDI-TOF Two authors, even using the same chip and the same instrument, identified very different distinguishing peaks The same peak (m/z ratio of 7820) was identified as distinguishing for cancer vs. noncancer patient by Adam et al, and by Qu et al. as distinguishing healthy subjects vs. BPH patients, but not between cancer and non cancer patients E.P. E.P. Diamandis, Diamandis, Clin Clin Chem Chem 49, 49, 1272-1275, 1272-1275, 2003 2003 Some open questions related to SELDI-TOF Mass spectrometry is a largely qualitative technique (the relationship between peak height and molecule abundance is not linear) Non specific absorption matrices favour extraction of high abundance proteins/peptides at the expense of low abundance ones Matrices used for sample treatment are not specific for any type of protein Data are not easily reproducible between laboratories making validation difficult E.P. E.P. Diamandis, Diamandis, Clin Clin Chem Chem 49, 49, 1272-1275, 1272-1275, 2003 2003 Serum proteomic profiling can discriminate prostate cancer from benign prostates in men with total PSA levels between 2.5 and 15 ng/mL − Chip: WCX2 (weak cation exchange protein) − MS: API QUASAR pulsar i LC/MS/MS − Pattern recognition: Proteoma Quest beta version − Training group: 63 men − Testing group: 91 men Sensitivity 100% Specificity 67% (unnecessary biobsy avoided) Ornstein Ornstein DK, DK, JJ Urol Urol 172:1302-1305, 172:1302-1305, 2004 2004 (Oct) (Oct) Biomarcatori in oncologia oggi Area diagnostica in espansione Strumento chiave per ottimizzare il rapporto costo/efficacia dei processi diagnostici Strumento chiave per i nuovi approcci terapeutici Nuove tecnologie Utilizzati ancora in modo parzialmente inappropriato Biomarcatori Verso un uso appropriato Condotta tattica Strategia a lungo termine Biomarcatori: verso un uso appropriato 1. Condotta tattica Osservatorio permanente delle modalità d’uso Preparazione di raccomandazioni d’uso Aggiornamento continuo (referto come strumento informativo, consulenza telefonica) Biomarcatori: verso un uso appropriato 2. Strategia a lungo termine Definizione di linee guida per il disegno di studi clinici per la valutazione dei biomarcatori Preparazione e disseminazione di linee guida per l’uso clinico Attivazione di organismi deputati all’aggiornamento, alla disseminazione ed alla verifica dell’impatto di linee guida Diapositive di approfondimento Follow-up mammella Il valore predittivo cambia in relazione alla prevalenza La prevalenza (probabilità di ricaduta) cambia in relazione : 1) caratteristiche della malattia (stadio, ER, …) 2) trattamento 3) durata del follow-up Le performances diagnostiche dei marcatori cambiano in relazione a queste variabili Annual hazard of recurrence of 3,585 breast cancer patients stratified on the basis of nodal status 0.3 Recurrence hazard rate NN1-3 N>3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Years 8 9 10 11 12 (Saphner (Saphner TT et et al, al, JJ Clin Clin Oncol Oncol 14:2738,1996) 14:2738,1996) Tumor markers in breast cancer monitoring should be scheduled according to initial stage and follow-up time. A prospective study on 859 patients Gion M, Peloso L, Mione R, Vignati G, Fortunato A, Saracchini S, Biasioli R, Gulisano M, Cappelli G Cancer J Sci Am, 2001 Marker tumorali nel follow-up del carcinoma mammario Studio multicentrico nazionale Obiettivo: ottimizzare i criteri decisionali - Disegno prospettico Inizio 1989 - fine 1997 Istituzioni partecipanti: 10 Pazienti reclutate: 917; valutabili: 859 Follow-up mediano: 7 anni Markers considerati: CA 15.3 (14330 determinazioni), CEA (13337 determinazioni) - Criteri decisionali: dicotomici, dinamici Criteri decisionali combinati Criterio dicotomico (valutazione con tre valori soglia sull’ultimo prelievo) confermato da un criterio dinamico (variazione ultimo prelievo vs. media dei primi 3) Positivo se positivi entrambi i criteri Valore Predittivo Positivo > 50% Casi N - VPP > 50% VPN > 90% Criterio decisionale combinato (positivi: > cut-off e incremento x 1.5 ultimo/primi 3) Anni di follow-up cut- off SS SP 1 2 3 55 55 78 79 4 5 67 61 6 7 8 9 10 11 12 basso 0.63 0.94 medio 0.63 0.96 alto 0.48 0.99 75 (Gion (Gion M M et et al, al, 2001) 2001) Casi N + (1-3) VPP > 50% VPN > 90% Criterio decisionale combinato (positivi > cut-off e incremento x 1.5 ultimo/primi 3) Anni di follow-up cut-off SS SP 1 2 basso 0,63 0,94 0,48 0,96 4 5 6 7 8 9 10 65 75 68 69 63 11 12 52 medio 0,63 0,96 alto 3 78 57 62 58 59 80 83 81 74 (Gion (Gion M M et et al, al, 2001) 2001) Casi N+ (≥ 4) VPP > 50% VPN > 90% Criterio decisionale combinato (positivi: > cut-off e incremento x1.5 ultimo/primi 3) Anni di follow-up cut-off 1 2 3 4 5 basso 0.63 0.94 59 76 71 65 58 medio 0.63 0.96 68 83 78 73 68 59 0.48 0.99 87 94 92 89 86 82 alto SS SP 6 7 8 9 10 11 12 74 84 79 80 63 65 (Gion (Gion M M et et al, al, 2001) 2001) Biomarcatori nel follow-up Impiego routinario Possibile ruolo sostitutivo rispetto ad altre indagini strumentali Sconsigliabile nei casi N- (VPP basso) Possibile nei casi con 1-3 N+ (finestra 2-5 anni) Consigliabile nei casi con ≥ 4 N+