BioBankowanie: medyczny przewodnik dla zaawansowanych

Czym jest biobankowanie?

Współczesne narzędzia badawcze i diagnostyczne, takie jak sekwencjonowanie i analiza całego genomu, pozwalają na kompleksowe zrozumienie etiopatogenezy wielu chorób oraz czynników wpływających na ich rozwój. Aby jednak móc wykonać stosowne badania, potrzebny jest odpowiednio przygotowany materiał biologiczny, z którego można wyizolować niezdegradowany DNA.

Naprzeciw wymaganiom stawianym przez laboratoria diagnostyczne wyszły biobanki – biblioteki tkanek i innych materiałów biologicznych pozyskanych od pacjentów a także zdrowych ochotników. To pozwoliło na wsparcie dynamicznego rozwoju genomiki, diagnostyki oraz medycyny personalizowanej.

Korzyści z biobankowania

Idea biobankowania ukształtowała się w latach 90., jednak już około 100 lat temu w Stanach Zjednoczonych pojawiły się pierwsze repozytoria tkanek. Słowo biobank zostało wtedy użyte po raz pierwszy w kontekście przechowywanego ludzkiego materiału tkankowego. Pomysł ten został entuzjastycznie przyjęty przez środowisko naukowe, co zaskutkowało tworzeniem bibliotek tkanek.

Biobankowanie to inaczej archiwizowanie próbek biologicznych – zazwyczaj pochodzą one od ludzi, jednak na świecie istnieją także biobanki tkanek roślinnych czy drobnoustrojów. Rola biobanków jest coraz większa, odzwierciedla to konsekwentny wzrost liczby publikacji naukowych, w których metodologia uwzględnia wykorzystanie zdeponowanego materiału biologicznego. 

Pierwsze doniesienia w bazie PubMed z uwzględnieniem słowa kluczowego biobankowanie (ang. biobanking) pojawiły się w 1996 roku, a na dzień 20.07.2020 w bazie PubMed znajduje się ponad 11 tysięcy publikacji odnoszących się do tego terminu. Te dane ilustrują wykresy zamieszczone poniżej. 

Suma publikacji w bazie PubMed zawierających słowo biobankowanie
Suma publikacji zawierających słowo biobankowanie oraz odpowiedni nowotwór

Świeży materiał biologiczny jest potrzebny do zaawansowanych badań genetycznych 

Próbki zdeponowane w biobanku mogą być przeznaczone do różnego rodzaju badań genetycznych, również tych wykonywanych za pomocą najnowszych i najbardziej zaawansowanych technik – sekwencjonowania całego genomu (WGS, ang. Whole Genome Sequencing). Muszą one jednak zostać zabezpieczone w odpowiednich warunkach, które zapobiegają degradacji DNA.

W szpitalach na całym świecie obowiązuje praktyka konserwowania pobranych tkanek          w formalinie. Utrwalenie w formalinie i przygotowanie tzw. bloczka parafinowego to złoty standard w patomorfologii. Ta metoda zapewnia dobre wybarwienie tkanki, co pozwala na obserwację pod mikroskopem i skuteczną diagnostykę histopatologiczną. Dodatkowo, materiał w takiej formie może przetrwać wiele lat. Choć trwałość jest bardzo pożądana z punktu widzenia biobanków, wskutek takiego przygotowania DNA ulega fragmentacji i modyfikacjom chemicznym*. Co więcej, ekstrakcja DNA z uprzednio przygotowanego bloczka nie jest efektywna i uzyskiwane są małe ilości materiału genetycznego.

W konsekwencji nadal możliwe jest wykonanie podstawowych badań genetycznych, ale próby analizy całogenomowej są nieskuteczne i obarczone wieloma błędami. W tej sytuacji postuluje się rozdzielenie tkanki na dwie części – tę, która trafi do zakładu patomorfologii (w postaci bloczka parafinowego) oraz tę, która zostanie przekazana do biobanku w formie świeżo mrożonej lub zabezpieczonej w odpowiednim buforze. Dalsza jej obróbka będzie już zależna od rodzaju badań, jakim zostanie poddana.

Naukowiec pracujący przy mikroskopie z preparatem

Biobanki dla naukowców, lekarzy i pacjentów

Na całym świecie działa około 120 biobanków, największy znajduje się w Graz w Austrii i jest biblioteką dla prawie 20 milionów tkanek ludzkich. Biobanki te zajmują się nie tylko przechowywaniem tkanek nowotworowych, ale również próbek krwi i płynów ustrojowych całych populacji, przyczyniając się do rozwoju badań np. na temat chorób rzadkich, autyzmu czy umożliwiając badania na komórkach macierzystych.

Próbki zdeponowane w biobankach są wykorzystywane do wielu badań naukowych, na przykład poszukiwania korelacji między zmianami w sekwencji genów lub regionów regulatorowych i nowotworami. Odkrywanie nowych wariantów patogennych, które doprowadziły do zmian nowotworowych, a co za tym idzie zaburzeń w metabolizmie komórek, stwarza szanse na opracowanie innowacyjnych terapii celowanych, pozwalających na skuteczniejsze leczenie w przyszłości.

 

Analityk pracujący z próbkami krwi i materiałem biologicznym

Przechowywanie tkanek w niektórych przypadkach wiąże się również bezpośrednio z korzyścią dla indywidualnego pacjenta. Mamy wtedy do czynienia z bankowaniem, dzięki któremu możliwe jest przeprowadzenie analizy całego genomu i podjęcie próby dobrania odpowiedniej terapii i adekwatnej reakcji w razie wznowy czy włączenie pacjenta do badań klinicznych.

W przyszłości pacjenci będą mogli testować swój materiał genetyczny pod kątem obecności np. polimorfizmów genów wpływających na metabolizm leków, które są popularnie stosowane. Jeśli badanie wykaże, że u danego pacjenta lek może okazać się nieskuteczny, będzie możliwa modyfikacja dawki leku lub zamiana na mniej toksyczny odpowiednik. Decyzję o bankowaniu tkanki podejmuje zawsze lekarz prowadzący wraz z pacjentem, a nie pacjent samodzielnie.

Podsumowując, biobankowanie to przede wszystkim szansa dla lekarzy i badaczy na poprawę diagnostyki i leczenia chorób, w taki sposób, aby pacjenci uzyskali z niego wymierne korzyści. Pozwala również na poznanie nowych mechanizmów i szlaków przyczyniających się do powstania nowotworów, szybki rozwój nauki i medycyny personalizowanej. Dodatkowo, bankowanie świeżych tkanek wiąże się również z korzyścią dla niektórych pacjentów, jeśli wskazane są zaawansowane analizy całego genomu w celach diagnostycznych.

*poprzez deaminację cytozyny i mostkowanie DNA tworzą się artefakty, np. zmienione nukleotydy czy dysproporcje w liczbie kopii długich sekwencji DNA w stosunku do tkanki świeżomrożonej. 

Warto zapamiętać:

  • biobanki tkanek nowotworowych to biblioteki tkanek pozyskiwanych od pacjentów onkologicznych, które służą pacjentom i naukowcom
  • do badań genomowych potrzebna jest świeża tkanka nowotworowa – DNA tkanki przechowywanej w bloczku ulega degradacji
  • przechowywany materiał wykorzystany może być do badań naukowych lub do badań indywidualnego pacjenta, które staną się podstawą do doboru optymalnej terapii
  • badania z wykorzystaniem biobankowanego materiału biologicznego przynoszą nowe odkrycia, z których skorzysta medycyna przyszłości

Źródła:

1. Kinkorová J. Biobanks in the era of personalized medicine: objectives, challenges, and innovation. EPMA J. 2016;7(1):4
2. Coppola L, Cianflone A, Grimaldi AM, et al. Biobanking in health care: evolution and future directions. Journal of Translational Medicine 2019;17:172
3. De Souza YG, Greenspan JS. Biobanking Past, Present and Future: Responsibilities and Benefits. AIDS 2013;27:3
4. De Paoli P. Biobanking in microbiology: From sample collection to epidemiology, diagnosis and research. FEMS Microbiology Reviews 2005;29:5
5. statystyki PubMed
6. Lappalainen T, Scott AJ, Brandt M et al. Genomic Analysis in the Age of Human Genome Sequencing. Cell 2019;21:177
7. https://www.geneticistinc.com/blog/paraffin-embedded-tissue-blocks
8. Piskorz AM, Ennis D, Macintyre G, et al. Methanol-based Fixation Is Superior to Buffered Formalin for Next-Generation Sequencing of DNA From Clinical Cancer Samples. Ann Oncol. 2016;27(3):532-539
9. Eijkelenboom A, Kamping EJ, Kastner-van Raaij AW, et al. Reliable Next-Generation Sequencing of Formalin-Fixed, Paraffin-Embedded Tissue Using Single Molecule Tags. J Mol Diagn. 2016;18(6):851-863
10. Robbe P, Popitsch N, Knight SJL, et al. Clinical whole-genome sequencing from routine formalin-fixed, paraffin-embedded specimens: pilot study for the 100,000 Genomes Project. Genet Med. 2018;20(10):1196-1205
11. Perry C, Chung J-Y, Ylaya K, et al. A Buffered Alcohol-Based Fixative for Histomorphologic and Molecular Applications. J Histochem Cytochem Off J Histochem 2016;64(7):425-440.
12. https://www.biobanking.com/10-largest-bobanks-in-the-world/
13. Liu EY, Scott CT. Great Expectations: Autism Spectrum Disorder and Induced Pluripotent Stem Cell Technologies. Stem Cell Rev Rep 2014;10:2

Podobał Ci się ten artykuł? Przeczytaj również:

Poszukiwanie genetycznych uwarunkowań przebiegu choroby COVID-19
sekwencja DNA - wariant patogenny
Od odczytów do wariantów, czyli jak wygląda poszukiwanie zmian w DNA.