Validation of liquid biopsy-based analysis on the NanoString nCounter platform

Abstract

L'avaluació dels marcadors moleculars en teixit tumoral per predir el pronòstic del càncer i la resposta al tractament, també coneguda com a tractament personalitzat, ha transformat la pràctica clínica per a molts tipus de càncer. Es va descobrir que aquesta teràpia dirigida per genotipar, millora la supervivència del pacient i per tant s'han introduït diverses plataformes tècniques en els laboratoris clínics. No obstant això, no tots els tumors es poden biopsiar i, sovint, les quantitats de teixit són insuficients per a la caracterització del tumor. L'ARN, l'ADN i les proteïnes lliures circulants de biòpsies líquides, es poden extreure dels fluids corporals i poden reemplaçar o complementar les biòpsies de teixit. Les biòpsies líquides tenen diversos avantatges: la possibilitat de realització d’ estudis de serie o mínimament invasiva i permet analitzar l'heterogeneïtat tumoral. Malauradament, encara hi ha una gran bretxa entre la recerca bàsica i la implementació clínica de biòpsies líquides, principalment a causa de la manca de metodologies estandarditzades. A més, les plataformes tècniques que s'utilitzen actualment, no sempre són adequades per analitzar la baixa quantitat i qualitat de material del tumor derivat d'una biòpsia líquida. En conseqüència, la validació i implementació dels assajos de biomarcadors en biòpsies líquides en els laboratoris clínics, requereixen una plataforma tècnica estandarditzada que sigui sensible, ràpida, fàcil d'utilitzar, relativamente econòmica, flexible i amb poca quantitat de mostra.

La plataforma nCounter es pot utilitzar per analitzar tota classe de molècules, inclosos ARN, ADN i proteïnes. La hibridació de codis de barres codificats per colors pels objectius d'interès permet una lectura directa dels nivells d'expressió de gens i proteïnes o la detecció de mutacions. El desenvolupament d'assaigs de biomarcadors en teixits, usant el nCounter, va conduir a l'aprovació per la FDA de l'assaig Prosigna™ per a ús clínic en la tipificació del càncer de mama. Els esforços anteriors també han destacat el potencial d'aquesta plataforma per analitzar molècules derivades i amplificades de biòpsies líquides, encara que es necessiten estudis de validació en l'entorn clínic. En aquesta tesi validem l'ús de la plataforma NanoString nCounter per analitzar material de biòpsies líquides i desenvolupar assajos de biomarcadors clínicament rellevants.

La evaluación de los marcadores moleculares en tejido tumoral para el pronóstico del cáncer y la predicción de respuesta al tratamiento (lo que habitualmente se conoce como tratamiento personalizado) ha transformado la práctica clínica a la hora de tratar muchos tipos de cáncer. Son numerosos los trabajos que desde hace tiempo respaldan el efecto que esta terapia dirigida por genotipo tiene sobre los pacientes oncológicos mejorando la supervivencia del paciente; consecuentemente, un amplio rango de plataformas técnicas han sido implementadas en los laboratorios clínicos en los últimos años. Sin embargo, no todos los tumores se pueden biopsiar y, a menudo, las cantidades de tejido son insuficientes para la caracterización del tumor. Las biopsias líquidas, como el ARN, el ADN o las proteínas circulantes tanto libres como encapsuladas en una membrana, pueden extraerse de los fluidos corporales reemplazando o complementando de este modo las tradicionales biopsias de tejido. Las biopsias líquidas tienen varias ventajas: ofrecen la posibilidad de realizar estudios seriados, son mínimamente invasivas y permiten analizar la heterogeneidad tumoral. Desafortunadamente, todavía existe una gran brecha entre la investigación básica y la implementación clínica de las biopsias líquidas, principalmente debido a la falta de metodologías estandarizadas. Además, las plataformas técnicas que se utilizan actualmente no siempre son adecuadas para analizar la baja cantidad y calidad de material del tumor procedente de una biopsia líquida. En consecuencia, la validación e implementación de los ensayos de biomarcadores en biopsias líquidas en los laboratorios clínicos requieren una plataforma técnica estandarizada que sea sensible, rápida, fácil de usar, viable económicamente, flexible y que requiera un aporte inicial de ácidos nucleicos bajo, debido a la baja concentración que normalmente se obtiene en las biopsias líquidas.

La plataforma nCounter se puede utilizar para analizar todo tipo de moléculas, incluyendo ARN, ADN y proteínas. La hibridación de diferentes códigos formados por moléculas de colores siguiendo patrones específicos con secuencias de interés permite una lectura directa de los niveles de expresión de genes y proteínas o la detección de mutaciones. El desarrollo de ensayos de biomarcadores en tejidos usando nCounter condujo a la aprobación por la administración de fármacos y alimentos de los Estados Unidos (FDA) del ensayo Prosigna ™ para su uso clínico en la tipificación del cáncer de mama. Numerosos estudios han destacado el potencial de esta plataforma para analizar moléculas derivadas y amplificadas de biopsias líquidas, aunque estudios de validación en el entorno clínico aun son necesarios. El objeto de esta tesis es la validación del uso de la plataforma NanoString nCounter para analizar material de biopsias líquidas y desarrollar ensayos de biomarcadores clínicamente relevantes.

The assessment of predictive- and prognostic molecular markers in tumor tissue, also known as personalised treatment, has transformed clinical practice for many cancer types. This genotype-directed therapy was found to improve patient survival, and several technical platforms have been introduced in clinical laboratories since then. However, not all tumors can be biopsied and tissue quantities are often insufficient for tumor characterisation. Liquid biopsies, such as membrane-encapsulated- or circulating free RNA, DNA and proteins, can be derived from body fluids and can replace or complement tissue biopsies. They have several advantages, such as repeated sampling, a minimally invasive character and heterogeneous profiling. Unfortunately, there is still a big gap between basic research and clinical implementation of liquid biopsies, mainly due to the lack of standardised methodologies. In addition, currently used technical platforms are not always suitable to analyze the low quantity and quality of tumor-derived material that can be found in a liquid biopsy. In consequence, large-scale validation and clinical implementation of liquid biopsy-based biomarker assays requires a sensitive, quick, easy-to-use, relatively cheap, flexible and standardized technical platform with low input requirements.

The nCounter platform can be used to analyze all types of molecules, including RNA, DNA and proteins. Binding of color coded barcodes to targets of interest allows for either a direct read-out of gene- or protein expression levels or the detection of mutations. Tissue-based biomarker assay development on nCounter led to the FDA approval of the Prosigna™ assay for clinical use in breast cancer subtyping. Previous efforts have also highlighted the potential of this platform to analyze amplified liquid biopsy-derived molecules, although validation studies in the clinical setting are needed. In this thesis we validated the use of the NanoString nCounter platform to analyze material from liquid biopsies and develop clinically relevant biomarker assays.