Биомаркер - Biomarker

Для журнала см. Биомаркеры (журнал).

А биомаркер, или же биологический маркер измеримый индикатор какого-то биологического состояния или состояния. Биомаркеры часто измеряются и оцениваются для проверки нормального биологические процессы, патогенный процессы, или фармакологический ответы на терапевтическое вмешательство.[1] Биомаркеры используются во многих научные области.

Лекарство

Основная статья: Биомаркер (лекарство)

Биомаркеры, используемые в медицине или точной медицине, являются частью относительно нового набора клинических инструментов. Они делятся на 3 основных категории в зависимости от их клинического применения. Они классифицируются как молекулярные биомаркеры, клеточные биомаркеры или биомаркеры визуализации. Все 3 типа биомаркеров играют клиническую роль в сужении или принятии решений о лечении и подпадают под подкатегорию, являясь прогностическими, прогностическими или диагностическими.

Прогнозирующий

Прогнозирующие молекулярные, клеточные или визуализирующие биомаркеры, прошедшие валидацию, могут служить методом прогнозирования клинических исходов. Прогностические биомаркеры используются для оптимизации идеального лечения и часто указывают на вероятность получения положительного эффекта от конкретной терапии. Например, молекулярные биомаркеры, расположенные на стыке специфической для патологии архитектуры молекулярного процесса и механизма действия лекарства, обещают улавливать аспекты, позволяющие оценить индивидуальный ответ на лечение.[2] Это предлагает двойной подход как к выявлению тенденций в ретроспективных исследованиях, так и к использованию биомаркеров для прогнозирования результатов. Например, при метастатическом колоректальном раке прогностические биомаркеры могут служить способом оценки и улучшения показателей выживаемости пациентов, а в каждом индивидуальном случае они могут служить способом избавления пациентов от ненужной токсичности, которая возникает из-за планов лечения рака.[3]

Распространенными примерами прогностических биомаркеров являются гены, такие как ER, PR и HER2 / neu при раке молочной железы, слитый белок BCR-ABL при хроническом миелоидном лейкозе, мутации c-KIT при опухолях GIST и мутации EGFR1 при NSCLC.[4]

Диагностический

Диагностические биомаркеры, требующие доказательства, могут сыграть определенную роль в сужении диагноза. Это может привести к постановке диагноза, который будет значительно более конкретным для каждого пациента.

После острое сердечно-сосудистое заболевание ряд различных сердечные биомаркеры можно измерить, чтобы точно определить, когда произошло нападение и насколько оно было серьезным.

Биомаркером может быть отслеживаемое вещество, которое вводится в организм как средство исследования функции органа или других аспектов здоровья.[5] Например, рубидий хлорид используется как радиоактивный изотоп для оценки перфузии сердечной мышцы.

Это также может быть вещество, обнаружение которого указывает на конкретное болезненное состояние, например, наличие антитело может указывать на инфекционное заболевание.[5] Более конкретно, биомаркер указывает на изменение экспрессии или состояния белка, которое коррелирует с риском или прогрессированием заболевания или с восприимчивостью заболевания к данному лечению.[5]

Одним из примеров широко используемого биомаркера в медицине является простатоспецифический антиген (PSA). Этот маркер можно измерить как показатель размера простаты с быстрыми изменениями, потенциально указывающими на рак. В самом крайнем случае было бы обнаружение мутантных белков как специфических биомаркеров рака с помощью Мониторинг выбранных реакций (SRM), поскольку мутантные белки могут происходить только из существующей опухоли, что в конечном итоге обеспечивает лучшую специфичность для медицинских целей.[6]

Другой пример - KRAS, онкоген который кодирует GTPase участвует в нескольких пути передачи сигналов. Биомаркеры для точной онкологии обычно используются в молекулярной диагностике хронический миелоидный лейкоз, двоеточие, грудь, и легкое рак, и в меланома.[7]

Прогностический

Прогностический биомаркер предоставляет информацию об общем исходе пациента независимо от терапии.[4]

Исследование

Биомаркеры для точной медицины являются частью относительно нового набора клинических инструментов. В случае метастатического колоректального рака (mCRC) только два прогностических биомаркера были идентифицированы и внедрены в клиническую практику.[3] В этом случае было высказано предположение, что отсутствие данных помимо ретроспективных исследований и успешных подходов, основанных на биомаркерах, является основной причиной потребности в новых исследованиях биомаркеров в области медицины из-за серьезного истощения, сопровождающего клинические испытания.

Область исследования биомаркеров также расширяется и включает комбинаторный подход к идентификации биомаркеров из многомерных источников. Объединение групп биомаркеров из различных данных дает возможность разработки панелей, которые оценивают реакцию на лечение на основе множества биомаркеров одновременно. Одной из таких областей расширяющихся исследований многомерных биомаркеров является секвенирование митохондриальной ДНК. Было показано, что мутации в митохондриальной ДНК коррелируют с риском, прогрессированием и ответом на лечение плоскоклеточного рака головы и шеи.[8] В этом примере было показано, что относительно дешевый конвейер секвенирования может обнаруживать низкочастотные мутации в опухолево-ассоциированных клетках. Это подчеркивает общую способность биомаркеров на основе митохондриальной ДНК улавливать неоднородность среди людей.[8]

Нормативная валидация для клинического использования

В Сеть исследований раннего обнаружения (EDNR) составили список из семи критериев, по которым можно оценивать биомаркеры, чтобы упростить клиническую валидацию.[9]

Доказательство концепции

Этот шаг, который ранее использовался для определения конкретных характеристик биомаркера, необходим для проведения на месте подтверждение этих преимуществ. Биологическое обоснование исследования должно быть оценено в малом масштабе, прежде чем могут быть проведены какие-либо крупномасштабные исследования.[9] Многие кандидаты должны пройти тестирование, чтобы выбрать наиболее подходящих.[10]

Экспериментальная проверка

Этот шаг позволяет разработать наиболее адаптированный протокол для повседневного использования биомаркера. Одновременно можно подтвердить актуальность протокола различными методами (гистология, ПЦР, ELISA, ...) и определить страты на основе результатов.

Проверка аналитических характеристик

Один из наиболее важных шагов, он служит для определения конкретных характеристик кандидата в биомаркеры перед разработкой стандартного теста.[11] Учитываются несколько параметров, в том числе:

  • чувствительность
  • специфичность
  • надежность
  • точность
  • воспроизводимость
  • практичность [9]
  • этичность [12]

Стандартизация протокола

Это оптимизирует утвержденный протокол для повседневного использования, включая анализ критических точек путем сканирования всей процедуры для выявления и контроля потенциальных рисков.

Этические вопросы

В 1997 году Национальный институт здравоохранения высказал предположение о необходимости разработки руководящих принципов и законодательства, регулирующих этические аспекты исследований биомаркеров.[9] Подобно тому, как проект «Геном человека» сотрудничал с Управлением по оценке технологий США, исследования восприимчивости к биомаркерам должны сотрудничать для создания этических руководящих принципов, которые могут быть внедрены в основу и требования к предложениям исследований.

Обеспечение того, чтобы все участники, включенные на каждом этапе проекта (т.е. планирование, реализация и обобщение результатов), были защищены этическими принципами, которые вводятся в действие до начала проекта. Эти этические меры защиты должны защищать не только участников исследования, но и не участников, исследователей, спонсоров, регулирующих органов и всех других лиц или группы, участвующие в исследовании.[9] Некоторые этические меры защиты могут включать, но не ограничиваются:[9]

  • Информированное согласие участника
  • Доступ к возможностям участия независимо от расы, социально-экономического статуса, пола, сексуальной ориентации и т. Д. (В пределах диапазона, разрешенного протоколом эксперимента)
  • Научная честность
  • Конфиденциальность данных (анонимность )
  • Признание конфликта интересов в отношении финансирования и спонсорства со стороны данных спонсоров
  • Прозрачность и признание медицинских и юридических рисков, связанных с участием

Клеточная биология

Основная статья: Биомаркер (клетка)

В клеточная биология, а биомаркер представляет собой молекулу, которая позволяет обнаруживать и изолировать определенный тип клеток (например, белок Октябрь-4 используется как биомаркер для идентификации эмбриональные стволовые клетки ).[13]

В генетика, биомаркер (обозначенный как генетический маркер ) это Последовательность ДНК что вызывает болезнь или связано с восприимчивостью к болезням. Их можно использовать для создания генетических карт любого изучаемого организма.

Приложения в химии, геологии и астробиологии

Основные статьи: Биосигнатура, Биомолекула, и Биомаркер (нефть)

Биомаркером может быть любой вид молекула указывает на существование живых организмов в прошлом или настоящем. В полях геология и астробиология, биомаркеры по сравнению с геомаркерами также известны как биосигнатуры. Термин биомаркер также используется для описания биологического участия в производство нефти. Биомаркеры использовались при геохимическом исследовании разлива нефти в заливе Сан-Франциско, Калифорния, в 1988 году.[14] 22–23 апреля около 400 000 галлонов сырая нефть был случайно выпущен в Долина Сан-Хоакин НПЗ и производственным комплексом Shell Oil Company. Нефть затронула многие прилегающие районы. Образцы сырой нефти были собраны в различных регионах, где она распространилась, и сравнены с образцами, которые не были выпущены, в попытке провести различие между разлитой нефтью и петрогенным фоном, присутствующим в зоне разлива.[14] Масс-спектры был выполнен для выявления биомаркеров и циклических алифатические углеводороды внутри образцов. Были обнаружены вариации в содержании компонентов в пробах сырой нефти и отложений.[14]

Экотоксикология

Основная статья: Биомаркеры оценки воздействия
Смотрите также: Биоиндикатор

Рэйчел Карсон, автор Тихая весна, поднял вопрос об использовании хлорорганических пестицидов и обсудил возможные негативные эффекты, которые указанные пестициды оказывают на живые организмы.[15] В ее книге поднимались этические вопросы против химических корпораций, которые контролировали общее восприятие воздействия пестицидов на окружающую среду, что впервые потребовало экотоксикологический исследования. Экотоксикологические исследования можно рассматривать как предшественники исследований биомаркеров.[16] Биомаркеры используются для обозначения контакт к или эффекту ксенобиотики которые присутствуют в Окружающая среда и в организмах. Биомаркером может быть само внешнее вещество (например, асбест частицы или ННК из табака) или вариант внешнего вещества, обрабатываемого организмом ( метаболит ), которые обычно можно определить количественно.

История

Термин «биомаркер» получил широкое распространение еще в 1980 году.[17] Методика мониторинга и изучения окружающей среды в конце 1980-х годов все еще в основном зависела от изучения химических веществ, которые считались опасными или токсичными при обнаружении в умеренных концентрациях в воде, отложениях и водных организмах.[16] Для идентификации этих химических соединений использовались следующие методы: хроматография, спектрофотометрия, электрохимия и радиохимия.[16] Хотя эти методы оказались успешными в выяснении химического состава и концентраций загрязняющих веществ и рассматриваемых соединений, присутствующих в окружающей среде, тесты не предоставили данных, которые были информативными о воздействии определенного загрязнителя или химического вещества на живой организм или экосистему. Было предложено, чтобы характеристики биомаркеров могли создать систему предупреждения для проверки благополучия населения или экосистемы до того, как загрязнитель или соединение могут нанести ущерб системе. Теперь, благодаря развитию исследований биомаркеров, биомаркеры могут использоваться и применяться в области медицины человека и для выявления заболеваний.[16]

Определение

Термин «биологический маркер» был введен в 1950-е годы.[18][19]

  • В 1987 году биологические маркеры были определены как «индикаторы, сигнализирующие о событиях в биологических системах или образцах», которые можно было разделить на три категории: маркеры воздействия, воздействия и восприимчивости.[20]
  • В 1990 году Маккарти и Шугарт определили биомаркеры как «измерения на молекулярном, биохимическом или клеточном уровне либо в диких популяциях из загрязненных мест обитания, либо в организмах, экспериментально подвергшихся воздействию загрязнителей, которые указывают на то, что организм подвергался воздействию токсичных химикатов, и величина реакции организма ».[21]
  • В 1994 году Депледж определил биомаркер как «биохимическое, клеточное, физиологическое или поведенческое изменение, которое может быть измерено в тканях или жидкостях организма или на уровне всего организма, которое выявляет воздействие / или воздействие одного или нескольких химических веществ. загрязняющие вещества ».[22]
  • В 1996 году Ван Гестель и Ван Браммелен попытались переопределить биомаркеры, чтобы однозначно отличить биомаркер от биоиндикатора. Согласно Ван Гестелю и Ван Браммелену, биомаркер по определению должен использоваться только для описания сублетальных биохимических изменений, возникающих в результате индивидуального воздействия ксенобиотиков.[23]
  • В 1998 г. Национальные институты здоровья Рабочая группа по определениям биомаркеров определила биомаркер как «характеристику, которая объективно измеряется и оценивается как индикатор нормальных биологических процессов, патогенных процессов или фармакологических реакций на терапевтическое вмешательство».[24][25]
  • В 2000 году Де Лафонтен определил термин «биомаркер» как «биохимическое и / или физиологическое изменение (я) в организмах, подвергшихся воздействию загрязнителей, и, таким образом, представляет собой начальную реакцию на нарушение окружающей среды и загрязнение».[26]

Активный биомониторинг

Де Кок и Крамер разработали концепцию активного биомониторинга в 1994 году. Активный биомониторинг - это сравнение химических / биологических свойств образца, который был перемещен в новую среду, содержащую условия, отличные от исходной.[27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Рабочая группа по определениям биомаркеров (март 2001 г.). «Биомаркеры и суррогатные конечные точки: предпочтительные определения и концептуальная основа». Clin. Pharmacol. Ther. (Обзор). 69 (3): 89–95. Дои:10.1067 / mcp.2001.113989. PMID  11240971. как указано в Siderowf A, Aarsland D, Mollenhauer B, Goldman JG, Ravina B (апрель 2018 г.). «Биомаркеры когнитивных нарушений при расстройствах с тельцами Леви: статус и актуальность для клинических испытаний». Mov. Disord. (Обзор). 33 (4): 528–36. Дои:10.1002 / mds.27355. PMID  29624752.
  2. ^ Лукас, Арно; Хайнцель, Андреас; Майер, Бернд (2019-03-11). «Биомаркеры для выявления патологии болезни в виде гиперструктуры молекулярного процесса». bioRxiv  10.1101/573402.
  3. ^ а б Руис-Баньобре, Хуан; Кандималла, Раджу; Гоэль, Аджай (28 марта 2019 г.). «Прогностические биомаркеры при метастатическом колоректальном раке: систематический обзор». JCO Precision Oncology (3): 1–17. Дои:10.1200 / PO.18.00260. ЧВК  7446314.
  4. ^ а б Oldenhuis, C. N. a. М .; Oosting, S. F .; Gietema, J. A .; де Фрис, Э. Г. Э. (май 2008 г.). «Прогностическая ценность биомаркеров в онкологии против прогностической». Европейский журнал рака (Оксфорд, Англия: 1990). 44 (7): 946–953. Дои:10.1016 / j.ejca.2008.03.006. ISSN  0959-8049. PMID  18396036.
  5. ^ а б c "Словарь терминов по раку NCI". Национальный институт рака. 2011-02-02. Получено 2020-02-17.
  6. ^ Ван, Цин; Рагхотама Чаркади (декабрь 2010 г.). «Мутантные белки как биомаркеры рака». Труды Национальной академии наук. 108 (6): 2444–2449. Дои:10.1073 / pnas.1019203108. ЧВК  3038743. PMID  21248225.
  7. ^ Налейска, Эвелина (2014). «Прогностические и прогностические биомаркеры». Молекулярная онкология и генетика. 18 (3): 273–284. Дои:10.1007 / s40291-013-0077-9. ЧВК  4031398. PMID  24385403.
  8. ^ а б Шуберт, Адриан Д .; Ханна Бронер, Эстер; Агравал, Нишант; Лондон, Найалл; Пирсон, Александр; Гупта, Анудж; Вали, Неха; Seiwert, Tanguy Y .; Уилан, Сара; Линген, Марк; Маклауд, Кей (28 февраля 2020 г.). «Обнаружение соматических митохондриальных мутаций с использованием сверхглубокого секвенирования митохондриального генома выявляет пространственную неоднородность опухоли в плоскоклеточном раке головы и шеи». Письма о раке. 471: 49–60. Дои:10.1016 / j.canlet.2019.12.006. ISSN  0304-3835. ЧВК  6980748. PMID  31830557.
  9. ^ а б c d е ж Сеть исследований раннего обнаружения: трансляционные исследования для выявления рака на ранней стадии и риска рака: первоначальный отчет. Вашингтон, округ Колумбия, 2000 г. HDL:2027 / mdp.39015049497442.
  10. ^ «Доказательство концепции развития биомаркеров у мышей обеспечивает дорожную карту для аналогичного подхода у людей». www.fredhutch.org. 2011-07-19. Получено 2015-05-13.
  11. ^ Aizpurua-Olaizola, O .; Sastre Toraño, J .; Falcon-Perez, J.M .; Уильямс, С .; Reichardt, N .; Бунс, Г.-Дж. (Март 2018 г.). «Масс-спектрометрия для открытия гликановых биомаркеров». Направления аналитической химии. 100: 7–14. Дои:10.1016 / j.trac.2017.12.015.
  12. ^ "Перспективы гигиены окружающей среды. 105 / SUPP.4". HathiTrust. Получено 2020-02-17.
  13. ^ Биомаркеры психических расстройств. Издатель: Springer U.S. Дои:10.1007/978-0-387-79251-4 Авторское право: 2009 г. ISBN  978-0-387-79250-7 (Печать) 978-0-387-79251-4 (Интернет)
  14. ^ а б c Хостеттлер, Фрэнсис Д. (1991). Геохимическое исследование разлива нефти в заливе Сан-Франциско, Калифорния /. [Менло-Парк, Калифорния]. HDL:2027 / uc1.31210025025220.
  15. ^ Карсон, Рэйчел (Рэйчел Луиза), 1907-1964 гг. (2000). Тихая весна. ISBN  978-0-14-118494-4. OCLC  934630161.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  16. ^ а б c d Амиар-Трике, Клод; Амиард, Жан-Клод; Радуга, Филип С., ред. (2016-04-19). Экологические биомаркеры. CRC Press. Дои:10.1201 / b13036. ISBN  978-0-429-11149-5.
  17. ^ Аронсон, Джеффри (2005). «Биомаркеры и суррогатные конечные точки». Британский журнал клинической фармакологии. 59 (5): 491–494. Дои:10.1111 / j.1365-2125.2005.02435.x. ЧВК  1884846. PMID  15842546.
  18. ^ Портер, К. А. (1957-08-01). «Эффект инъекций гомологичного костного мозга кроликам, облученным рентгеновским излучением». Британский журнал экспериментальной патологии. 38 (4): 401–412. ISSN  0007-1021. ЧВК  2082598. PMID  13460185.
  19. ^ Basu, P.K .; Miller, I .; Ормсби, Х. Л. (1 марта 1960 г.). «Половой хроматин как маркер биологических клеток в изучении судьбы трансплантатов роговицы». Американский журнал офтальмологии. 49 (3): 513–515. Дои:10.1016/0002-9394(60)91653-6. ISSN  0002-9394. PMID  13797463.
  20. ^ «Биологические маркеры в исследованиях гигиены окружающей среды. Комитет по биологическим маркерам Национального исследовательского совета». Перспективы гигиены окружающей среды. 74: 3–9. 1987-10-01. Дои:10.1289 / ehp.87743. ISSN  0091-6765.
  21. ^ Маккарти, Джон Ф .; Шугарт, Ли Р. (2018-01-18), «Биологические маркеры загрязнения окружающей среды», Биомаркеры загрязнения окружающей среды, CRC Press, стр. 3–14, Дои:10.1201/9781351070263-2, ISBN  978-1-351-07026-3
  22. ^ Депледж, Майкл Х. (2020-01-29), «Рациональная основа использования биомаркеров в качестве экотоксикологических инструментов», Неразрушающие биомаркеры у позвоночных, CRC Press, стр. 271–295, Дои:10.1201/9780367813703-20, ISBN  978-0-367-81370-3
  23. ^ Van Gestel, C.A.M .; Ван Браммелен, Т. К. (август 1996 г.). «Включение концепции биомаркеров в экотоксикологию требует переопределения терминов». Экотоксикология. 5 (4): 217–225. Дои:10.1007 / bf00118992. ISSN  0963-9292. PMID  24193812.
  24. ^ Стримбу, Кайл; Хорхе, Тавель (2010). "Что такое биомаркеры?". Текущее мнение о ВИЧ и СПИДе. 5 (6): 463–466. Дои:10.1097 / COH.0b013e32833ed177. ЧВК  3078627. PMID  20978388.
  25. ^ «Биомаркеры и суррогатные конечные точки: предпочтительные определения и концептуальная основа». Клиническая фармакология и терапия. 69 (3): 89–95. 2001. Дои:10.1067 / mcp.2001.113989. PMID  11240971.
  26. ^ де Лафонтен, Ив; Ганье, Франсуа; Блэз, Кристиан; Костан, Жорж; Ганьон, Пьер; Чан, Х. (Август 2000 г.). «Биомаркеры мидий зебры (Dreissena polymorpha) для оценки и мониторинга качества воды реки Святого Лаврентия (Канада)». Водная токсикология. 50 (1–2): 51–71. Дои:10.1016 / s0166-445x (99) 00094-6. ISSN  0166-445X. PMID  10930650.
  27. ^ Smolders, Roel; Воэтс, Джудит; Бервоец, Ливен; Blust, Ронни; Виктор Вепенер (2005-07-15), "Активный биомониторинг (ABM) путем перемещения двустворчатых моллюсков", Водная энциклопедия, John Wiley & Sons, Inc., Дои:10.1002 / 047147844x.wq16, ISBN  0-471-47844-X