Per la prima volta, un team di ricerca ha dimostrato come la combinazione di imaging medico e intelligenza artificiale possa essere utilizzata per fornire una “biopsia virtuale” ai pazienti affetti da cancro. I ricercatori imperiali hanno utilizzato l’intelligenza artificiale (AI) per estrarre informazioni sulla composizione chimica dei tumori polmonari dalle scansioni mediche.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista npj Precision Oncology ed è stato condotto dall’Imperial College di Londra, insieme a collaboratori di Córdoba, in Spagna.
Biopsia virtuale: ecco in cosa consiste
Il loro metodo non invasivo può classificare il tipo di cancro ai polmoni di un paziente – aspetto cruciale nella scelta del trattamento giusto – e può prevedere se è probabile che il cancro progredisca. Secondo i ricercatori, la tecnica potrebbe essere utilizzata dai medici quando non è possibile o opportuno ottenere una biopsia del tessuto fisico di un paziente.
L’autore senior dello studio, il professor Eric Aboagye, del Dipartimento di chirurgia e cancro dell’Imperial, ha dichiarato: “Al momento, cercare di ottenere informazioni approfondite su tessuti e tumori richiede biopsie invasive, che possono essere scomode per il paziente, ritardare il trattamento decisioni ed essere costose per i servizi sanitari. Sebbene le scansioni TC siano comunemente utilizzate in clinica, non riescono a offrire approfondimenti dettagliati sul tipo cellulare o informazioni prognostiche delle malattie.
Primo autore e dottorato di ricerca imperiale. il candidato Marc Boubnovski Martell aggiunge: “Abbiamo sviluppato un sistema che unisce le scansioni TC con la composizione chimica dei tumori e del tessuto polmonare normale. Ciò ci consente di classificare i tipi di cancro ai polmoni e, soprattutto, fornisce previsioni affidabili sugli esiti dei pazienti”.
Secondo il Cancer Research UK, il cancro al polmone è la causa più comune di morte per cancro nel Regno Unito, con circa 35.000 vite perse ogni anno a causa della malattia. Ciò è in parte dovuto al fatto che i sintomi non compaiono nelle fasi iniziali e c’è un urgente bisogno di nuovi modi per rilevare e trattare il tumore prima che si diffonda ad altre parti del corpo.
I pazienti che presentano sintomi di cancro ai polmoni tendono a essere diagnosticati mediante radiografie del torace e scansioni di tomografia computerizzata (CT), che possono anche mostrare se il cancro si è diffuso oltre i polmoni. Se è sicuro ottenere un campione bioptico, gli scienziati clinici esaminano le cellule tumorali al microscopio e classificano il tipo di cancro ai polmoni di un paziente. Ciò aiuta i medici a decidere quale corso di trattamento potrebbe essere il migliore.
Un test relativamente nuovo chiamato profilo metabolomico, che richiede anche una biopsia tissutale, può fornire informazioni molto più dettagliate sulla chimica e il metabolismo delle cellule tumorali e, soprattutto, su come è probabile che il cancro si evolva. Tuttavia, richiede molto lavoro e tempo e quindi non viene eseguito di routine negli ospedali.
Negli ultimi anni, l’intelligenza artificiale è stata utilizzata per analizzare scansioni mediche e cercare segni di malattie che potrebbero non essere notate dai medici o che potrebbero addirittura non essere visibili a occhio nudo. L’intelligenza artificiale generativa, un tipo di intelligenza artificiale in grado di apprendere dai dati per creare nuovi contenuti, è attualmente perseguita per molteplici applicazioni.
Il team dell’Imperial ha portato queste idee un ulteriore passo avanti e si è chiesto se le informazioni sulla chimica del tumore polmonare contenute nel profilo metabolomico potessero essere visualizzate nelle scansioni TC.
In primo luogo, però, qualsiasi modello di intelligenza artificiale deve essere addestrato su gruppi esistenti di pazienti che dispongono di una scansione medica, di una diagnosi definitiva e preferibilmente di molte informazioni cliniche aggiuntive. I ricercatori hanno utilizzato i dati di 48 pazienti affetti da cancro ai polmoni che sono stati curati presso l’Ospedale Universitario Reina Sofia (UHRS) di Córdoba, in Spagna.
In modo univoco, a tutti i pazienti è stata eseguita una TAC, nonché un profilo metabolomico dettagliato del tessuto tumorale e del tessuto sano adiacente al tumore. Sulla base di questi dati, il team dell’Imperial ha sviluppato uno strumento di valutazione di apprendimento profondo basato sull’intelligenza artificiale chiamato TMR-CT (TMR-CT).
I ricercatori hanno trovato una correlazione significativa e potente tra i profili metabolomici dei pazienti e le “caratteristiche profonde” delle loro scansioni TC, che appaiono come aree più luminose o più scure nell’immagine.
Utilizzando questo metodo, i ricercatori hanno teorizzato di poter bypassare la necessità di campioni di tessuto fisico e dedurre le caratteristiche metaboliche del tumore dalla sola TAC.
Per testarlo, hanno utilizzato il loro modello TMR-CT in un gruppo separato di 723 pazienti affetti da cancro al polmone che sono stati trattati presso il Royal Marsden Hospital, il Guy’s and St Thomas’ Hospital o l’Imperial College NHS Healthcare Trust. Tutti i pazienti sono stati sottoposti a TAC, ma non erano disponibili dati metabolomici.
I risultati hanno mostrato che la TMR-CT ha classificato abilmente il cancro del polmone e, soprattutto, ha fornito previsioni affidabili sugli esiti dei pazienti, superando le prestazioni dei metodi tradizionali basati sulla CT e delle valutazioni cliniche.
I ricercatori sperano di confermare il loro metodo TMR-CT in altri gruppi di pazienti affetti da cancro al polmone e potenzialmente in persone con tumori al cervello, alle ovaie e all’endometrio, per i quali può essere difficile ottenere biopsie.
In futuro, la tecnica potrebbe essere incorporata come algoritmo come parte del software caricato sugli scanner per immagini mediche commerciali.
Il professor Aboagye conclude: “Questa ricerca mostra il potenziale dell’uso delle scansioni TC per ottenere una comprensione più profonda e sfumata della composizione chimica dei tessuti e dei tumori, che fino ad ora era stata accessibile solo attraverso il campionamento diretto dei tessuti. Questo metodo potrebbe rivelarsi particolarmente utile in paesi come nel Regno Unito, dove la prevalenza del cancro al polmone è elevata, e potenzialmente trasformerà i protocolli diagnostici e terapeutici.”
Biopsia liquida: un nuovo strumento per identificare e monitorare il cancro
I medici dell’Università di Chicago Medicine stanno aumentando l’uso delle biopsie liquide, una tecnologia emergente che rileva segni di tumori cancerosi con un semplice esame del sangue piuttosto che con una procedura invasiva con ago.
Mentre una biopsia con ago rimane il gold standard sia per la diagnosi del cancro che per testare la genetica di un tumore, gli oncologi di UChicago Medicine vedono la promessa in questo test più veloce, più sicuro ed efficace, soprattutto per i pazienti con tumori metastatici che necessitano di più biopsie durante e dopo il trattamento.
“La biopsia liquida può essere un metodo non invasivo per valutare la risposta di un paziente al trattamento e anche per guidare nella riduzione del trattamento in tempo reale”, ha affermato Ari Rosenberg, MD, oncologo della UChicago Medicine specializzato in tumori della testa, collo e tiroide .
Quando i tumori cancerosi crescono, la maggior parte rilascia il DNA tumorale nel flusso sanguigno. Una biopsia liquida può identificare quel DNA nel sangue e trasmettere preziose informazioni sulla genetica di un tumore, indicando se un trattamento sta funzionando.
“È utile nelle persone che hanno già una diagnosi di cancro perché conosciamo le mutazioni del DNA presenti nel loro tumore dalla biopsia originale e sappiamo che ciò che stiamo rilevando nella biopsia liquida è il vero DNA del tumore”, ha detto Rosenberg.
I medici di UChicago Medicine hanno recentemente ampliato l’uso delle biopsie liquide per includere pazienti affetti da cancro della testa e del collo, oltre ai pazienti con tumori avanzati del polmone, del colon, della mammella e del tratto gastrointestinale. Per ora, viene utilizzato come strumento diagnostico complementare alle biopsie con ago.
Un esame del sangue è più conveniente e meno costoso di una biopsia con ago, che spesso comporta un’ecografia o una TAC e, in alcuni casi, l’anestesia.
Un altro grande vantaggio della biopsia liquida è che i risultati arrivano in circa una settimana, due o tre volte più velocemente di quanto necessario per ottenere informazioni genetiche dalle biopsie tissutali, ha affermato l’oncologa toracica Christine Bestvina, MD della UChicago Medicine.
“Questo aiuta i pazienti a ricevere il trattamento più velocemente. Abbiamo le prove a sostegno di ciò”, ha detto Bestvina. “Aiuta a identificare più pazienti che possono trarre beneficio dalla medicina mirata. Con il cancro, i tempi di risposta sono estremamente importanti.” Tuttavia, le biopsie liquide non sono adatte a tutti i pazienti.
Alcuni tumori, come i tumori allo stadio iniziale, il cancro del polmone a piccole cellule e i tumori ginecologici, non perdono molto DNA e quindi non forniscono informazioni utili, ha detto Bestvina.
Alcuni pazienti hanno un DNA unico che può distorcere i risultati dei test, rendendo possibili falsi positivi. E qualsiasi cancro rilevato in una biopsia liquida potrebbe comunque necessitare di un follow-up con una biopsia regolare.
Sono ora in corso ricerche promettenti sulle biopsie liquide presso l’UChicago Medicine e in altri siti a livello nazionale, inclusa una versione per i tumori pediatrici . I molteplici studi clinici attualmente in corso presso la UChicago Medicine si concentrano sull’uso della biopsia liquida per altri tipi e stadi iniziali di cancro.
Questi progressi non solo aiuteranno a individuare una recidiva del cancro, ma renderanno anche il trattamento più personalizzato, ha affermato Rosenberg.
In uno studio clinico della UChicago Medicine, ad esempio, le biopsie liquide vengono valutate per ottimizzare e personalizzare il trattamento basato sull’immunoterapia per i pazienti con cancro metastatico ricorrente della testa e del collo. Potrebbe aiutare a identificare quali pazienti necessitano solo dell’immunoterapia, rispetto ai pazienti che potrebbero averne bisogno in combinazione con altri trattamenti. Ciò ha il potenziale per migliorare l’efficacia dell’immunoterapia riducendo al minimo gli effetti collaterali del trattamento.
“Presto utilizzeremo biopsie liquide per identificare quali pazienti stanno diventando resistenti al trattamento e guidarci a passare a un trattamento diverso”, ha detto Rosenberg.
Un’altra alternativa alla biopsia – un test molecolare basato sulla saliva per rilevare e diagnosticare i tumori orali – è stata recentemente sviluppata da un team di specialisti tra cui il co-direttore di oncologia chirurgica della testa e del collo di UChicago Medicine, Nishant Agrawal, MD, e i ricercatori Evgeny Izumchenko, Ph. D., e Rifat Hasina, Ph.D.
La biopsia liquida più veloce della biopsia tissutale riduce i tempi di trattamento
Uno studio pilota che ha confrontato gli effetti di una biopsia liquida con un test su tessuto ha dimostrato che il tempo di consegna dei risultati della biopsia liquida è stato di circa 10 giorni più veloce rispetto alla biopsia tissutale, secondo una ricerca presentata oggi allo IASLC 2020 Lung Cancer Hot Topic: Liquid Conferenza virtuale sulla biopsia.
Oncologi e patologi preferiscono l’analisi tissutale per i pazienti con cancro ai polmoni , ma la biopsia liquida può fornire un approccio di salvataggio in caso di esaurimento dei tessuti e potrebbe anche essere più veloce dell’analisi tissutale secondo Nir Peled, MD, oncologo medico e capo del Cancer Institute, Soroka Medical Center, Università Ben Gurion del Negev, Beer Sheva, Israele.
Il dottor Or Sehayek, il dottor Peled e i loro colleghi hanno sviluppato uno studio pilota e valutato 25 pazienti con carcinoma polmonare metastatico non a piccole cellule (NSCLC) avanzato naive al trattamento . Il dottor Peled ha cercato di confrontare il tempo necessario per la segnalazione e il tempo necessario per il trattamento per la biopsia liquida basata sul sequenziamento di prossima generazione (NGS) rispetto all’analisi basata sui tessuti.
Per tutti i pazienti sono state ordinate biopsie tissutali e ematiche. L’analisi tissutale si basava sullo standard di cura locale, che era l’immunoistochimica per ALK, ROS1 e PCR o NGS basato su ampliconi per gli stati di mutazione EGFR. A ciascun paziente è stata inoltre effettuata una biopsia del sangue con piattaforma NGS liquida.
L’analisi del tempo di consegna ha rivelato che l’intervallo mediano (giorni) dalla diagnosi patologica alla ricezione del referto tissutale relativo all’ultimo biomarcatore era di 21,5 (7-45) giorni, mentre l’intervallo mediano dal prelievo di sangue alla ricezione dei risultati del cfDNA era di 10 (7 -19) giorni.
Il dottor Peled ha riferito che i geni utilizzabili sono stati identificati in 11 biopsie tissutali e in 14 mediante biopsia liquida. La biopsia liquida è stata in grado di identificare mutazioni in PIK3CA e MET, nonché la fusione RET, che non sono state testate dai laboratori locali. Una fusione ALK e una mutazione EGFR sono state rilevate mediante biopsia tissutale ma non mediante biopsia liquida.
“Questo studio suggerisce che la biopsia liquida basata su NGS migliora il tempo di refertazione e, cosa più importante, il tempo di trattamento, nei pazienti con NSCLC avanzato rispetto all’analisi molecolare basata sui tessuti”, ha detto Peled. Inoltre, ha affermato, “sono convinto che la pratica del ‘liquid first’ dovrebbe essere implementata anche prima che venga eseguita la biopsia tissutale ; se così fosse, potremmo vedere risultati ancora più drammatici”.
