RU2798058C2 - Способ скринингового исследования для диагностики колоректального рака - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области медицины, а именно онкологии, и может быть использовано для скринингового исследования для диагностики колоректального рака. Способ включает определение показателей биохимического анализа венозной крови, затем с использованием линейного дискриминантного анализа рассчитывают диагностические коэффициенты F1 и F2, оценивающие вероятность наличия колоректального рака. При сравнении значений коэффициентов F1>F2 определяют высокую вероятность наличия колоректального рака, при F1<F2 определяют отсутствие вероятности наличия колоректального рака. Использование изобретения позволяет выявлять злокачественные новообразования толстого кишечника на ранних стадиях за счет линейного дискриминантного анализа биохимических показателей венозной крови. 2 пр.

Description

Настоящее изобретение относится к медицине, а именно к онкологии и может быть использовано в качестве скринингового исследования для диагностики рака толстой кишки.

Колоректальный рак (КРР) развивается со временем от модификаций нормальной слизистой оболочки кишечника до доброкачественных предраковых аденом, карциномы и, в конечном счете, агрессивного метастатического рака (Puccini A., Berger M.D., Naseem M., Tokunaga R., Battaglin F., Cao S., Hanna D.L., McSkane M., Soni S., Zhang W., et al. Colorectal cancer: Epigenetic alterations and their clinical implications. Biochim. Biophys. Acta Rev. Cancer. 2017; 1868:439–448.). КРР является третьей по распространенности формой рака с точки зрения заболеваемости и второй по смертности во всем мире: в 2020 году было зарегистрировано 1,9 миллиона новых случаев заболевания и 930 000 смертей (Global Cancer Observatory. [(accessed on 21 January 2021)]; Available online: https://gco.iarc.fr/). Отмечены важные географические расхождения в отношении заболеваемости и смертности от КРР. Самая высокая заболеваемость наблюдается в Австралии и Новой Зеландии, за ними следуют Европа и Северная Америка. Самые высокие показатели смертности зарегистрированы в Центральной и Восточной Европе. Самая низкая заболеваемость КРР регистрируется в Южной Азии и Африке, где также регистрируются самые низкие показатели смертности, хотя именно в этих районах регистрируется самое высокое соотношение смертности и заболеваемости (Bray F., Ferlay J., Soerjomataram I., Siegel R.L., Torre L.A., Jemal A. Global cancer statistics 2018: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J. Clin. 2018; 68: 394–424.).

В России отмечается высокий уровень заболеваемости и смертности от колоректального рака (более 41 тыс. новых случаев на 2018 год). В структуре онкологической заболеваемости в России рак толстой кишки занимает третье место и составляет 11,5%. Среди мужского населения показатель достигает 13%, занимая третье место после злокачественных новообразований легких (19,1%) и предстательной железы (15,8%). Среди лиц женского пола КРР составляет 13,2% и занимает третье место после опухолей молочной железы (24,7%) и кожи (14,6%) (Д.М. Дубовиченко с соавт., 2019). 

Отмеченные существенные различия между странами связывают, как с различным образом жизни, так и по политике скрининга (Ferlay J., Colombet M., Soerjomataram I., Mathers C., Parkin D.M.,

Znaor A., Bray F. Estimating the global cancer incidence and mortality in 2018: GLOBOCAN sources and methods. Int. J. Cancer. 2019; 144: 1941–1953.).

Медленный рост этого рака делает выявление предраковых поражений и раннее выявление рака основополагающими в диагностике и лечении заболевания, поэтому скрининг имеет важное значение для снижения заболеваемости и смертности от КРР (Hadjipetrou A., Anyfantakis D., Galanakis C.G., Kastanakis M., Kastanakis S. Colorectal cancer, screening and primary care: A mini literature review. World J. Gastroenterol. 2017; 23: 6049–6058.).

Реализация современных возможностей скрининга имеет решающее значение, и исследования в этой области являются плодовитыми во всем мире.

К известным неинвазивным методам диагностики КРР относятся анализ кала на скрытую кровь, иммунохимическое определение гемоглобина в стуле пациента, определение ДНК маркеров в стуле пациента.

В настоящее время используют следующие варианты скрининга для выявления КРР: исследование кала, визуализация и эндоскопические тесты.

Тесты на основе исследования кала показывают наличие гема (gFOBT) или человеческого глобина (FIT) в образцах кала. gFOBT является колориметрическим методом, в который использует реакцию гваяка. FIT является иммунохимическим тестом, в основе которого используется индикация специфических антител. Он более чувствителен по сравнению с gFOBT и более точен при обнаружении КРР (чувствительность 69-95% против 25-38%), а также не требует предварительных диетических ограничений перед проведением анализа (Cusumano V.T., May F.P. Making FIT count: Maximizing appropriate use of the fecal immunochemical test for colorectal cancer screening programs. J. Gen. Intern. Med. 2020; 35: 1870–1874.).

Высокая вариабельность была зафиксирована при скрининге FIT между различными центрами и наборами, причем аналитические показатели зависели от характеристик антител (моно-или поликлональных), объема буфера или состава коллекционных флаконов (Rosso C., Cabianca L., Gili F.M. Non-invasive markers to detect colorectal cancer in asymptomatic population. Minerva Biotecnol. 2019;31:23–29.). К другим недостаткам определения FIT связывают с большим количеством ложноположительных результатов (15-30%), плохой способностью выявлять зубчатые полипы и низкой чувствительностью к аденомам (Amitay E.L., Cuk K., Niedermaier T., Weigl K., Brenner H. Factors associated with false-positive fecal immunochemical tests in a large German colorectal cancer screening study. Int. J. Cancer. 2019;144:2419–2427).

Пациенты с положительными тестами направляются на для дальнейших исследований с использованием тестов визуализации.

Тесты визуализации включают двухконтрастную бариевую клизму (DCBE), компьютерную томографическую колонографию (CTC) и эндоскопию капсулы толстой кишки (CCE). CTC обеспечивает эндолюминальные изображения расширенной воздухом толстой кишки, реконструированные с помощью компьютерной томографии или магнитного резонанса. CCE признана Европейским обществом эндоскопии желудочно-кишечного тракта в качестве приемлемого метода скрининга для КРР (с чувствительностью 84% и специфичностью 93%). Однако эти методы требуют интенсивной подготовки кишечника и стоят дороже, чем колоноскопия, а биопсия не может быть выполнена (Spada C., Hassan C., Bellini D., Burling D., Cappello G., Carretero C., Dekker E., Eliakim R., de Haan M., Kaminski M.F., et al. Imaging alternatives to colonoscopy: CT colonography and colon capsule. European Society of Gastrointestinal Endoscopy (ESGE) and European Society of Gastrointestinal and Abdominal Radiology (ESGAR) Guideline—Update 2020. Endoscopy. 2020; 52:1127–1141).

Эндоскопические тесты включают проведение гибкой сигмоидоскопии (ФС) и колоноскопии (КС). ФС визуализирует только дистальный отдел желудочно-кишечного тракта, но не обнаруживает поражений в проксимальном отделе толстой кишки. К преимуществам ФС относится тот факт, что не требуется никаких диетических ограничений и она предполагает минимальную подготовку кишечника (Grobbee E.J., van der Vlugt M., van Vuuren A.J., Stroobants A.K., Mallant-Hent R.C., Lansdorp-Vogelaar I., Bossuyt P.M.M., Kuipers E.J., Dekker E., Spaander M.C.W. Diagnostic yield of one-time colonoscopy vs one-time flexible sigmoidoscopy vs multiple rounds of mailed fecal immunohistochemical tests in colorectal cancer screening. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2020;18:667–675).

Колоноскопия представляет собой «золотой стандарт» диагностики, обладающий высокой чувствительностью и специфичностью для выявления раковых и предраковых поражений (97-98%) во всей толстой кишке и дистальной части тонкой кишки (Brenner H., Stock C., Hoffmeister M. Effect of screening sigmoidoscopy and screening colonoscopy on colorectal cancer incidence and mortality: Systematic review and meta-analysis of randomised controlled trials and observational studies. BMJ. 2014;348:g2467.). Во время процедуры также возможно проведение биопсии для гистологической оценки. Однако колоноскопия является дорогостоящим и рискованным методом, так как такие осложнения, как кровотечение или перфорация кишечника, встречаются примерно у 0,1–0,2% пациентов (Grobbee E.J., van der Vlugt M., van Vuuren A.J., Stroobants A.K., Mallant-Hent R.C., Lansdorp-Vogelaar I., Bossuyt P.M.M., Kuipers E.J., Dekker E., Spaander M.C.W. Diagnostic yield of one-time colonoscopy vs one-time flexible sigmoidoscopy vs multiple rounds of mailed fecal immunohistochemical tests in colorectal cancer screening. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2020; 18:667–675).

Биомаркеры КРР крови вызывают большой интерес исследователей и включают индикацию нескольких молекул от нуклеиновых кислот, таких как ДНК, и различные типы РНК (мессенджер, мРНК; микро-миРНК; долго некодирующая lncRNA) до белков, от циркулирующих опухолевых клеток до микровезикул (Marcuello M., Vymetalkova V., Neves R.P.L., Duran-Sanchon S., Vedeld H.M., Tham E., van Dalum G., Flügen G., Garcia-Barberan V., Fijneman R.J., et al. Circulating biomarkers for early detection and clinical management of colorectal cancer. Mol. Asp. Med. 2019; 69: 107–122).

В 2018 году Alamro et al. сообщается о достоверно более высокой экспрессии мРНК генов воспаления (COX-2, TNF-α, NF-kB, IL-6) в образцах крови без достоверной ассоциации с полом, возрастом или локализацией опухоли (Alamro R., Mustafa M., Al-Asmari A. Inflammatory gene mRNA expression in human peripheral blood and its association with colorectal cancer. J. Inflamm. Res. 2018;11:351–357).

МикроРНК (миРНК) — это небольшие некодирующие РНК (~20-22 нуклеотида), которые регулируют экспрессию генов путем репрессии или деградации мРНК. Среди наиболее изученных семей mir-21 и mir-29 (mir-29a, mir-29b и mir-29c) сверхэкспрессируются при КРР и ассоциируются с прогрессированием КРР и метастазированием (Rosso C., Cabianca L., Gili F.M. Non-invasive markers to detect colorectal cancer in asymptomatic population. Minerva Biotecnol. 2019;31:23–29).

В дополнение к РНК, ДНК также широко изучается в жидких биопсиях в поисках биомаркеров КРР. Определенный интерес представляют бесклеточная ДНК (cfDNA) и производная от опухоли фракция, называемая циркулирующей опухолевой ДНК (ctDNA). Мутации cfDNA в генах, часто ассоциированных с туморигенезом, были оценены для раннего выявления наиболее распространенных типов опухолей, включая КРР (Khakoo S., Georgiou A., Gerlinger M., Cunningham D., Starling N. Circulating tumour DNA, a promising biomarker for the management of colorectal cancer. Crit. Rev. Oncol. Hematol. 2018;122:72–82).

Однако, метод обнаружения ДНК маркеров в кале пациента сложно применим в реальной клинической практике из-за низкой доступности, что делает этот тест ограниченным для обследования широкой популяции (Choi I.S., Kato S., Fanta P.T., Leichman L., Okamura R., Raymond V.M., Lanman R.B., Lippman S.M., Kurzrock R. Genomic profiling of blood-derived circulating tumor DNA from patients with colorectal cancer: Implications for response and resistance to targeted therapeutics. Mol. Cancer Ther. 2019;18:1852–1862).

Карциноэмбриональный антиген (CEA) и углеводный антиген (CA19-9) являются наиболее изученными опухолевыми белками желудочно-кишечного тракта в крови (или плазме/сыворотке). Сывороточные уровни этих антигенов достоверно выше у пациентов с КРР по сравнению со здоровыми субъектами и являются хорошо известными онкологическими маркерами. Однако концентрации CEA и CA19-9 также могут быть высокими в других условиях или опухолях, и их полезность в качестве биомаркеров скрининга КРР все еще остается открытым вопросом. Однако сегодня CEA и CA19-9 используются и апробируются в клинической практике для выявления метастатического заболевания, рецидива или мониторинга ответа на лечение (Jelski W., Mroczko B. Biochemical markers of colorectal cancer—present and future. Cancer Manag. Res. 2020;12:4789–4797).

Внеклеточные везикулы (EVs), такие как экзосомы (EXOs), микровезикулы (MVs) и крупные онкосомы, могут содержать перспективные биомаркеры. Три основные категории делят EVs на основе биогенеза и приблизительного размера: EXOs (~40-100 нм) происходят из мультивезикулярных тел внутри клеток; MVs (~100 нм–1 мкм) образуются из наружного почкования плазматической мембраны; апоптотические тела (АПС) (~1-5 мкм) возникают из умирающих клеток, подвергающихся апоптозу (Normanno N., Cervantes A., Ciardiello F., De Luca A., Pinto C. The liquid biopsy in the management of colorectal cancer patients: Current applications and future scenarios. Cancer Treat. Rev. 2018;70:1–8). В дополнение к этим классам были идентифицированы некоторые специфичные для рака подтипы ЭВС: онкосомы (~100-400 нм), продуцируемые нетрансформированными клетками, содержимое которых может определять онкогенные эффекты, и крупные онкосомы (~1-10 мкм), полученные из злокачественных клеток (Desmond B.J., Dennett E.R., Danielson K.M. Circulating extracellular vesicle microRNA as diagnostic biomarkers in early colorectal cancer - a review. Cancers. 2019;12:52.). Одним из недостатков изучения внеклеточных везикул является отсутствие стандартизированного протокола их выделения из крови и извлечения их содержимого или поверхностного материала (Tamkovich S.N., Yunusova N.V., Stakheeva M.N., Somov A.K., Frolova A.E., Kiryushina N.A., Afanasyev S.G., Grigor’eva A.E., Laktionov P.P., Kondakova I.V. Isolation and characterization of exosomes from blood plasma of breast cancer and colorectal cancer patients. Biochem. Suppl. Ser. B Biomed. Chem. 2017;11:291–295).

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ дифференциальной диагностики рака и предраковой патологии по определению диагностических индексов, рассчитанных из показателей содержания лейкоцитов, гемоглобина, тромбоцитов, лимфоцитов, моноцитов, цветового показателя и скорости оседания эритроцитов, позволяющих выявлять больных с ранней онкопатологией. Данные показатели являются частью общего анализа крови. Для расчета используются индексы и соотношения, полученные эмпирическим путем.

Предлагаемый метод отличается от прототипа тем, что для диагностики используются показатели биохимического анализа крови, а для анализа – уравнения дискриминантного анализа, относящиеся к многомерной статистике и обеспечивающие более высокую прогностическую точность.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка скринингового способа ранней диагностики рака толстой кишки по классификационным правилам линейного дискриминантного анализа биохимических показателей венозной крови, что позволяет судить о целесообразности проведения дополнительных, в том числе инвазивных, диагностических исследований.

Задача решена тем, что у пациентов с подозрением на злокачественное новообразование толстого кишечника в биохимическом анализе венозной крови устанавливают показатели TP – концентрация общего белка в крови, г/л; СRP – концентрация С-реактивного белка в крови, мг/л; Urea - концентрация мочевины в крови, ммоль/л; HDL - концентрация липопротеинов высокой плотности в крови, ммоль/л; Glu - концентрация глюкозы в крови, ммоль/л; Dbil - концентрация прямого билирубина в крови, мкмоль/л; Bil - концентрация общего билирубина в крови, мкмоль/л; ALT - концентрация аланинаминотрансферазы в крови, МЕ/л; AST - концентрация аспартатаминотрансферазы в крови, МЕ/л., которые используют для расчета диагностических коэффициентов, по соотношению которых определяют вероятность рака толстой кишки.

Технический результат, получаемый в результате реализации предложенного способа, состоит в том, что заявляемый способ позволит выявлять злокачественные новообразования толстого кишечника на ранних стадиях, обеспечит своевременное проведение полноценных диагностических исследований для назначения своевременной адекватной терапии, что приведет к улучшению прогноза течения заболевания для пациента.

Сущность изобретения заключается в том, что с использованием математического моделирования для скрининговой диагностики колоректального рака была рассчитана математическая модель каноническим линейным дискриминантным анализом, анализом сопряженности с прямой пошаговой процедурой включения показателей биохимического анализа венозной крови.

Для количественного определения показателей биохимического анализа венозной крови используют биохимический анализатор.

Для расчета диагностических коэффициентов, позволяющих проводить скрининговое исследование для диагностики колоректального рака, был использован метод линейного дискриминантного анализа, анализом сопряженности с прямой пошаговой процедурой включения показателей биохимического анализа крови. Значения полученных диагностических коэффициентов сравниваются между собой. По максимальному значению диагностических коэффициентов определяют вероятность наличия колоректального рака.

В результате проведенных нами исследований впервые были получены решающие правила, позволяющие проводить скрининговое исследование для диагностики колоректального рака.

Заявленный способ скринингового исследования для диагностики колоректального рака является новым и в литературе не описан.

В основу заявляемого изобретения положена, обеспечивающая решение поставленной задачи, новая совокупность оригинальных отличительных признаков.

Впервые скрининговое исследование для диагностики колоректального рака проводится при одновременном использовании уровней показателей биохимического анализа венозной крови в сочетании с определением значения классификационной линейной функции дискриминантного анализа, указывающего на вероятность наличия диагноза колоректального рака, значения классификационной линейной функции дискриминантного анализа, указывающего на наличие или отсутствие диагноза «колоректальный рак» с высокой прогностической точностью (99,43%).

Указанная выше совокупность существенных признаков необходима и достаточна для получения технического результата – обеспечения ранней диагностики колоректального рака.

Предлагаемый способ может быть реализован многократно.

Заявляемое изобретение апробировано при обследовании 175 пациентов, в т.ч. 111 с подтвержденным диагнозом колоректального рака. Ниже приводятся результаты этой апробации.

Пример 1. Пациент Х. 57 лет. Чувствует себя здоровой. При прохождении периодического медицинского осмотра в биохимическом анализе крови выявлено: TP – концентрация общего белка в крови, 44,5 г/л; СRP – концентрация С-реактивного белка в крови, 3,29 мг/л; Urea - концентрация мочевины в крови, 17,78 ммоль/л; HDL - концентрация липопротеинов высокой плотности в крови, 4,2 ммоль/л; Glu - концентрация глюкозы в крови, 3,2 ммоль/л; Dbil - концентрация прямого билирубина в крови, 1,3 мкмоль/л; Bil - концентрация общего билирубина в крови, 13,1 мкмоль/л; ALT - концентрация аланинаминотрансферазы в крови, 32,1 МЕ/л; AST - концентрация аспартатаминотрансферазы в крови, 27,1 МЕ/л.

Рассчитали диагностические коэффициенты модели по формулам:

F1 = 1,2332*TP + 0,0591*CRP + 1,3239*Urea + 4,43231*HDL + 2,2370*Glu + Dbil*1,2618 + 1,197*Bil + ALT*0,1703 + AST*0,0871 – 74,5821

F2 = 1,4980*TP + 0,0079*CRP + 0,69*Urea + 3,7407*HDL + 1,7054*Glu + Dbil*1,5711 + 0,9943*Bil + ALT*0,1135 + AST*0,1443 - 80,7422,

где

F1 – значение диагностического коэффициента, указывающее на наличие колоректального рака,

F2 –значение диагностического коэффициента, указывающее на отсутствие колоректального рака,

TP – концентрация общего белка в крови, г/л; СRP – концентрация С-реактивного белка в крови, мг/л; Urea - концентрация мочевины в крови, ммоль/л; HDL - концентрация липопротеинов высокой плотности в крови, ммоль/л; Glu - концентрация глюкозы в крови, ммоль/л; Dbil - концентрация прямого билирубина в крови, мкмоль/л; Bil - концентрация общего билирубина в крови, мкмоль/л; ALT - концентрация аланинаминотрансферазы в крови, МЕ/л; AST - концентрация аспартатаминотрансферазы в крови, МЕ/л.

Данные значения составили: для F1 =129,5, для F2 = 122,75. Значение F1 больше F2, что указывает на наличие колоректального рака. По итогам предиктивного анализа пациент был направлен на дополнительное обследование, в ходе которого диагноз был подтвержден.

Пример 2. Пациентка К. 46 лет с жалобами на изменение консистенции кала. В биохимическом анализе крови выявлено: TP – концентрация общего белка в крови, 70 г/л; СRP – концентрация С-реактивного белка в крови, 0,96 мг/л; Urea - концентрация мочевины в крови, 7,1 ммоль/л; HDL - концентрация липопротеинов высокой плотности в крови, 2,7 ммоль/л; Glu - концентрация глюкозы в крови, 5,19 ммоль/л; Dbil - концентрация прямого билирубина в крови, 12,9 мкмоль/л; Bil - концентрация общего билирубина в крови, 2,6 мкмоль/л; ALT - концентрация аланинаминотрансферазы в крови, 19,2 МЕ/л; AST - концентрация аспартатаминотрансферазы в крови, 18,5 МЕ/л.

Рассчитали диагностические коэффициенты модели по формулам:

F1 = 1,2332*TP + 0,0591*CRP + 1,3239*Urea + 4,43231*HDL + 2,2370*Glu + Dbil*1,2618 + 1,197*Bil + ALT*0,1703 + AST*0,0871 – 74,5821

F2 = 1,4980*TP + 0,0079*CRP + 0,69*Urea + 3,7407*HDL + 1,7054*Glu + Dbil*1,5711 + 0,9943*Bil + ALT*0,1135 + AST*0,1443 - 80,7422,

где

F1 – значение первого диагностического коэффициента,

F2 – значение второго диагностического коэффициента,

TP – концентрация общего белка в крови, г/л; СRP - концентрация С-реактивного белка в крови, мг/л; Urea - концентрация мочевины в крови, ммоль/л; HDL - концентрация липопротеинов высокой плотности в крови, ммоль/л; Glu - концентрация глюкозы в крови, ммоль/л; Dbil - концентрация прямого билирубина в крови, мкмоль/л; Bil - концентрация общего билирубина в крови, мкмоль/л; ALT - концентрация аланинаминотрансферазы в крови, МЕ/л; AST - концентрация аспартатаминотрансферазы в крови, МЕ/л.

Данные значения составили: для F1 = 75,7, для F2 = 143,6. Значение F1 меньше F2, что указывает на отсутствие колоректального рака. По итогам предиктивного анализа пациент был направлен на дополнительное обследование, в ходе которого было подтверждено отсутствие диагноза.

Claims (8)

1. Способ скринингового исследования для диагностики колоректального рака, характеризующийся тем, что у пациентов с подозрением на колоректальный рак определяют показатели биохимического анализа венозной крови, затем с использованием линейного дискриминантного анализа рассчитывают диагностические коэффициенты, оценивающие вероятность наличия колоректального рака по формулам:
2. F1 = 1,2332*TP + 0,0591*CRP + 1,3239*Urea + 4,43231*HDL + 2,2370*Glu + Dbil*1,2618 + 1,197*Bil + ALT*0,1703 + AST*0,0871 – 74,5821
3. F2 = 1,4980*TP + 0,0079*CRP + 0,69*Urea + 3,7407*HDL + 1,7054*Glu + Dbil*1,5711 + 0,9943*Bil + ALT*0,1135 + AST*0,1443 - 80,7422,
4. где
5. F1 – значение первого диагностического коэффициента;
6. F2 – значение второго диагностического коэффициента;
7. TP – концентрация общего белка в крови, г/л; СRP – концентрация С-реактивного белка в крови, мг/л; Urea – концентрация мочевины в крови, ммоль/л; HDL – концентрация липопротеинов высокой плотности в крови, ммоль/л; Glu – концентрация глюкозы в крови, ммоль/л; Dbil – концентрация прямого билирубина в крови, мкмоль/л; Bil – концентрация общего билирубина в крови, мкмоль/л; ALT – концентрация аланинаминотрансферазы в крови, МЕ/л; AST – концентрация аспартатаминотрансферазы в крови, МЕ/л;
8. при сравнении значений коэффициентов F1>F2 высокая вероятность наличия колоректального рака, при F1<F2 отсутствие вероятности наличия колоректального рака.