O estudo, parcialmente financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, foi publicado em 4 de março em Medicina Translacional Científica. É a primeira vez que este tipo de análise de fragmentação de ADN, conhecida como tecnologia de fragmentoma, foi sistematicamente aplicada na detecção de doenças crónicas não relacionadas com o cancro. Anteriormente, a abordagem tinha sido investigada principalmente como um método para encontrar o câncer.

Padrões de fragmentos de DNA amplos do genoma revelam sinais de doenças

Biópsias líquidas que medem o cfDNA já se mostraram promissoras na identificação do câncer. No entanto, os cientistas não exploraram amplamente o seu potencial para diagnosticar outras doenças. Nesta nova pesquisa, os investigadores realizaram o sequenciamento completo do genoma em amostras de cfDNA de 1.576 indivíduos com doença hepática e condições médicas adicionais. Ao examinar fragmentos de DNA em todo o genoma, eles procuraram padrões que pudessem sinalizar doenças.

A equipe analisou o tamanho dos fragmentos de DNA e sua distribuição ao longo do genoma, incluindo regiões repetitivas de DNA que raramente foram estudadas. Cada análise incluiu cerca de 40 milhões de fragmentos abrangendo milhares de regiões genômicas, produzindo um enorme conjunto de dados em comparação com a maioria dos testes de biópsia líquida.

Algoritmos de aprendizado de máquina processaram essas informações para identificar padrões de fragmentação ligados a doenças. Usando esses padrões, os pesquisadores criaram um sistema de classificação que detectou doenças hepáticas precoces, fibrose avançada e cirrose com alta sensibilidade.

“Isso se baseia diretamente em nosso trabalho anterior de fragmentoma no câncer, mas agora usando IA e perfis de fragmentação genômica de DNA livre de células para focar em doenças crônicas”, diz Victor Velculescu, MD, Ph.D., codiretor do programa de genética e epigenética do câncer no Johns Hopkins Kimmel Cancer Center e co-autor sênior do estudo. “Para muitas destas doenças, a detecção precoce pode fazer uma diferença profunda, e a fibrose hepática e a cirrose são exemplos importantes. A fibrose hepática é reversível nas fases iniciais, mas se não for detectada, pode progredir para cirrose e, em última análise, aumentar o risco de cancro do fígado.”

Por que a análise de fragmentos de DNA é diferente

Ao contrário de muitos métodos de biópsia líquida que procuram mutações genéticas específicas relacionadas ao câncer, a abordagem do fragmentoma concentra-se em como os fragmentos de DNA são cortados, embalados e distribuídos por todo o genoma. Segundo os investigadores, esta visão mais ampla torna o método aplicável a condições além do cancro, incluindo doenças que podem eventualmente aumentar o risco de cancro. O estudo também foi co-liderado por Robert Scharpf, Ph.D., professor de oncologia, e Jill Phallen, Ph.D., professora assistente de oncologia.

“O fato de não estarmos procurando por mutações individuais é o que torna este estudo tão poderoso”, diz o primeiro autor Akshaya Annapragada, MD/Ph.D. estudante no laboratório Velculescu. “Estamos analisando todo o fragmentoma, que contém uma enorme quantidade de informações sobre o estado fisiológico de uma pessoa. A escala desses dados, aliada ao aprendizado de máquina, permite o desenvolvimento de classificadores específicos para diversas condições de saúde”.

A detecção precoce pode beneficiar milhões de pessoas em risco

Velculescu observa que cerca de 100 milhões de pessoas nos Estados Unidos têm problemas hepáticos que aumentam o risco de cirrose e câncer de fígado. Os atuais testes de sangue para fibrose muitas vezes carecem de sensibilidade, especialmente nos estágios iniciais da doença. Os marcadores sanguíneos padrão normalmente não conseguem detectar a fibrose precoce e identificam a cirrose apenas na metade das vezes. Técnicas de imagem, como ultrassonografia especializada ou ressonância magnética, podem ajudar, mas essas ferramentas exigem equipamentos que nem sempre estão disponíveis.

“Muitos indivíduos em risco não sabem que têm doença hepática”, diz Velculescu. “Se pudermos intervir mais cedo – antes que a fibrose progrida para cirrose ou cancro – o impacto poderá ser substancial”.

Ele acrescenta que a identificação precoce dessas condições precursoras pode permitir que os médicos tratem doenças subjacentes mais cedo e potencialmente previnam o desenvolvimento do câncer.

Origens do estudo e índice de comorbidade do fragmento

A pesquisa surgiu de um estudo de 2023 Descoberta do câncer estudar liderado por Velculescu que se concentrou no fragmentoma do câncer de fígado. Ao estudar pacientes com tumores hepáticos, os cientistas notaram que alguns indivíduos com fibrose ou cirrose apresentavam perfis de fragmentação normais, mas continham sinais sutis de DNA ligados à doença. Esta observação levou a equipe a examinar os padrões fragmentomáticos associados especificamente à fibrose hepática e à cirrose.

Em outra análise envolvendo 570 pessoas com suspeita de doença grave, os pesquisadores criaram um índice de comorbidade de fragmentação. Esta medida distinguiu indivíduos com pontuações altas e baixas no Índice de Comorbidade de Charlson, uma métrica amplamente utilizada que estima como condições de saúde adicionais afetam o risco de morte de uma pessoa. O índice baseado no fragmentoma previu a sobrevida global de forma independente e, em alguns casos, mostrou-se mais específico do que os marcadores inflamatórios tradicionais. Certas assinaturas de fragmentação também pareceram estar associadas a resultados clínicos mais desfavoráveis.

“O fragmentoma pode servir de base para a construção de diferentes classificadores para diferentes doenças e, mais importante, esses classificadores são específicos da doença e não apresentam reações cruzadas”, diz Annapragada. “Um classificador de fibrose hepática é diferente de um classificador de câncer. Este é um teste único e específico para uma doença, construído a partir da mesma plataforma subjacente.”

Potencial para detectar outras doenças crônicas

O estudo também incluiu pessoas com risco elevado de uma série de condições médicas. Os pesquisadores observaram sinais fragmentomáticos ligados a doenças cardiovasculares, inflamatórias e neurodegenerativas. Contudo, a população do estudo não incluiu casos suficientes para construir classificadores de doenças separados para cada uma destas condições. Em vez disso, as descobertas sugerem que a tecnologia poderá eventualmente ter aplicações médicas mais amplas, que os investigadores planeiam investigar em trabalhos futuros.

O ensaio de fibrose hepática descrito no estudo permanece um protótipo e ainda não foi introduzido como teste clínico. Os próximos passos da equipe envolvem refinar e validar o classificador para doenças hepáticas e explorar assinaturas fragmentomáticas ligadas a outras doenças crônicas.

Pesquisadores e Financiamento

Junto com Velculescu, Annapragada, Scharpf e Phallen, a equipe de pesquisa incluiu Zachariah Foda, Hope Orjuela, Carter Norton, Shashikant Koul, Noushin Niknafs, Sarah Short, Keerti Boyapati, Adrianna Bartolomucci, Dimitrios Mathios, Michael Noe, Chris Cherry, Jacob Carey, Alessandro Leal, Bryan Chesnick, Nic Dracopoli, Jamie Medina, Nicholas Vulpescu, Daniel Bruhm, Sarah Bacus, Vilmos Adleff, Amy Kim, Stephen Baylin, Gregory Kirk, Andrei Sorop, Razvan Iacob, Speranta Iacob, Liana Gheorghe, Simona Dima, Katherine McGlynn, Manuel Ramirez-Zea, Claus Feltoft, Julia Johansen e John Groopman.

O financiamento para a pesquisa veio em parte da Fundação de Pesquisa Médica Dr. Os Institutos Nacionais de Saúde concedem CA121113, CA006973, CA233259, CA062924, CA271896, T32GM136577, T32GM148383 e DA036297.