Different types of cancer have unique molecular ‘fingerprints’ which are detectable in early stages of the disease and can be picked up with near-perfect accuracy by small, portable scanners in just a few hours, according to a study published today in the journal Molecular Cell.

The discovery by researchers at the Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona sets the foundation for creating new, non-invasive diagnostic tests that detect different types of cancer faster and earlier than currently possible.

The study centres around the ribosome, the protein factories of a cell. For decades, ribosomes were thought to have the same blueprint across the human body. However, researchers discovered a hidden layer of complexity – tiny chemical modifications which vary between different tissues, developmental stages, and disease.

"Our ribosomes are not all the same. They are specialised in different tissues and carry unique signatures that reflect what's happening inside our bodies," says ICREA Research Professor Eva Novoa, lead author of the study and researcher at the CRG. "These subtle differences can tell us a lot about health and disease."

Ribosomes are made of proteins and a special type of RNA molecule called ribosomal RNA (rRNA). rRNA molecules are the target of chemical modifications, affecting the ribosome’s function. “95% of human RNA is ribosomal RNA. They are very prevalent in our cells,” adds Dr. Novoa.

The researchers looked for all types of chemical modifications across human and mouse rRNA from many different tissues including the brain, heart, liver, and testis. They discovered that each tissue has a unique pattern of rRNA modifications – which they call an ‘epitranscriptomic fingerprint’.

“The fingerprint on a ribosome tells us where a cell comes from,” says Dr. Ivan Milenkovic, first author of the study. "It's like each tissue leaves its address on a tag in case its cells end up in the lost and found."

The team found different sets of fingerprints in diseased tissue samples from patients with cancer, particularly in the lung and testis. “The cancer cells are ‘hypomodified’, meaning they constantly lose some of these chemical marks," says Dr. Milenkovic. "We thought this could be a powerful biomarker," he adds.

The study looked at lung cancer more closely. The researchers obtained normal and diseased tissues from 20 patients with stage I or stage II lung cancer and confirmed that the rRNA from cancer cells is hypomodified. They used the data to train an algorithm which can classify the samples based solely on data from this unique molecular fingerprint.

The test achieved near-perfect accuracy in distinguishing between lung cancer and healthy tissue. “Most lung cancers aren’t diagnosed until late stages of development. Here we could detect it much earlier than usual, which could one day help buy patients valuable time,” says Dr. Milenkovic.

The study was possible thanks to a new technology called nanopore direct RNA sequencing, which permits the direct analysis of rRNA molecules with all its modifications. "It allows us to see the modifications as they are, in their natural context," says Dr. Novoa.

Before the advent of nanopore sequencing, conventional techniques would process RNA molecules in such a way that it would remove the chemical modifications before researchers could study them.

“Scientists typically got rid of ribosomal RNAs because they saw it as redundant information that would get in the way of our experiments. Fast forward a few years, we’ve taken this data out of the junkyard and turned it into a gold mine, especially when information about chemical modifications is captured. It’s an incredible turnaround,” says Dr. Novoa.

The advantage of nanopore sequencing is that it relies on small, portable sequencing devices that can fit in the palm of a hand. Researchers can insert biological samples into the machine, which captures and scans RNA molecules in real time.

The study could distinguish cancer and normal cells by scanning as few as 250 RNA molecules obtained from tissue samples. This is a fraction of what a typical nanopore sequencing device is capable of. "It is feasible to develop a rapid, highly accurate test that looks for cancer’s ribosomal fingerprint using minimal amounts of tissue," says Dr. Novoa.

In the long term, the researchers want to create a diagnostic method which can detect cancer’s fingerprint in circulating RNA in the blood. This would be a less invasive approach because it would only require a blood sample rather than taking tissue samples from patients.

The authors of the study caution that more work is needed before the approach can be used for clinical benefits. “We're just scratching the surface," says Dr. Milenkovic. "We need larger studies to validate these biomarkers across diverse populations and cancer types."

One of the big questions yet to explore is why the modifications change in cancer in the first place. If rRNA modifications are helping cells produce proteins that promote uncontrolled growth and survival, researchers could identify the mechanisms responsible for adding or removing the modifications, potentially leading to new ways of reversing harmful changes.

“We are slowly but surely unravelling this complexity,” says Dr. Novoa. “It’s only a matter of time before we can start understanding the language of the cell,” she concludes.

EN CASTELLANO

La 'huella’ del cáncer puede mejorar su detección precoz

Los diferentes tipos de cáncer poseen ‘huellas’ moleculares que son únicas y detectables en las etapas tempranas de la enfermedad. Los patrones moleculares pueden detectarse con una precisión casi perfecta utilizando pequeños escáneres portátiles en tan solo unas pocas horas, según un estudio publicado hoy en la revista Molecular Cell.

El descubrimiento, realizado en el Centro de Regulación Genómica (CRG) de Barcelona, sienta las bases para crear nuevas pruebas diagnósticas no invasivas que detecten diferentes tipos de cáncer de manera más rápida y temprana de lo que es actualmente posible.

El estudio se centra en el ribosoma, las fábricas de proteínas de una célula. Durante décadas, se creyó que los ribosomas tenían el mismo diseño en todo el cuerpo humano. Sin embargo, se descubrió una capa oculta de complejidad: pequeñas modificaciones químicas que varían entre diferentes tejidos, etapas de desarrollo y enfermedades.

"Nuestros ribosomas no son todos iguales. Están especializados en diferentes tejidos y portan firmas únicas que reflejan lo que sucede en el interior de nuestros cuerpos", dice la profesora de investigación ICREA Eva Novoa, autora principal del estudio e investigadora del CRG. "Estas diferencias son sutiles y pueden informar sobre la salud y la enfermedad".

Los ribosomas se componen de proteínas y de un tipo especial de molécula de ARN llamada ARN ribosómico (ARNr). Las moléculas de ARNr son el objetivo de modificaciones químicas que afectan a la función del ribosoma. "El 95% del ARN humano es ARN ribosómico. Es muy prevalente en nuestras células", dice la Dra. Novoa.

Se buscaron todo tipo de modificaciones químicas en el ARNr humano y de ratón en muchos tejidos diferentes, incluidos tejidos del cerebro, el corazón, el hígado y los testículos. El estudio descubrió que cada tejido tiene un patrón único de modificaciones de ARNr, y los autores lo denominaron 'huella epitranscriptómica'.

"Esta huella ribosomal nos dice de dónde proviene una célula", afirma el Dr. Ivan Milenkovic, primer autor del estudio. "Es como si cada tejido dejara su dirección en una etiqueta por si sus células acabaran perdiéndose".

Se encontraron diferentes conjuntos de huellas en muestras de tejido de pacientes con cáncer, particularmente en el pulmón y los testículos. "Las células cancerosas están 'hipomodificadas', lo que significa que pierden constantemente algunas de estas marcas químicas", dice el Dr. Milenkovic. "Pensamos que esto podría ser un biomarcador importante", añade.

El estudio examinó más de cerca el cáncer de pulmón. Se obtuvieron tejidos normales y tejidos de 20 pacientes con cáncer de pulmón en estadio I o estadio II y se confirmó que el ARNr de las células cancerosas estaba ‘hipomodificado’. Se usaron los datos para entrenar un algoritmo que puede clasificar las muestras basándose únicamente en los datos de esta huella molecular.

La prueba logró una precisión casi perfecta al distinguir entre cáncer de pulmón y tejido sano. "La mayoría de los cánceres de pulmón no se diagnostican hasta etapas avanzadas de desarrollo. Aquí pudimos detectarlo mucho antes de lo habitual, lo que algún día podría ayudar a conseguir más tiempo para los pacientes", dice el Dr. Milenkovic.

El estudio fue posible gracias a una nueva tecnología llamada secuenciación directa de ARN por nanoporos, que permite el análisis directo de moléculas de ARNr con todas sus modificaciones. "Nos permite ver las modificaciones tal como son, en su contexto natural", dice la Dra. Novoa.

Antes del desarrollo de la secuenciación por nanoporos, las técnicas convencionales procesaban las moléculas de ARN de tal manera que eliminaban las modificaciones químicas antes de que se pudieran estudiar.

"Típicamente se eliminaban los ARNr porque los equipos científicos los consideraban información redundante que interfería con nuestros experimentos. Unos años después, hemos recuperado estos datos desechados y los hemos convertido en una mina de oro, especialmente cuando se captura información sobre modificaciones químicas. Es un cambio asombroso", dice la Dra. Novoa.

La ventaja de la secuenciación por nanoporos es que se basa en dispositivos de secuenciación pequeños y portátiles que caben en la palma de la mano. Se pueden insertar muestras biológicas en el equipo, que captura y escanea moléculas de ARN en tiempo real.

En el estudio se pudo distinguir entre células cancerosas y células sanas al escanear tan solo 250 moléculas de ARN, procedentes de muestras de tejido. Esto es una fracción de lo que un dispositivo típico de secuenciación por nanoporos es capaz de hacer. "Es factible desarrollar una prueba rápida y altamente precisa que busque la huella ribosomal del cáncer utilizando cantidades mínimas de tejido", dice la Dra. Novoa.

A largo plazo, el grupo de investigación quiere crear un método de diagnóstico que pueda detectar la huella en el ARN que circula en la sangre. Esto sería un enfoque menos invasivo porque solo requeriría una muestra de sangre en lugar de muestras de tejido de los pacientes.

Los autores del estudio advierten que se requieren más estudios antes de que su estrategia pueda tener beneficios clínicos. "Esto es solo la punta del iceberg", dice el Dr. Milenkovic. "Necesitamos estudios más amplios para validar estos biomarcadores en poblaciones y tipos de cáncer diversos".

Una de las grandes incógnitas es por qué las modificaciones cambian primero en el cáncer. Si las modificaciones del ARNr están ayudando a las células a producir proteínas que promueven el crecimiento y la supervivencia descontrolada, se podrían identificar los mecanismos responsables de agregar o eliminar las modificaciones y revertir cambios perjudiciales.

"Estamos desentrañando esta complejidad de manera lenta pero segura", dice la Dra. Novoa. "Es solo cuestión de tiempo antes de que podamos empezar a entender el lenguaje de la célula", concluye.
 

EN CATALÀ

L'’empremta’ del càncer pot millorar la seva detecció precoç

Els diferents tipus de càncer tenen 'empremtes' moleculars que són úniques i detectables en les etapes primerenques de la malaltia. Els patrons moleculars es poden detectar amb una precisió gairebé perfecta utilitzant petits escàners portàtils en tan sols unes poques hores, segons un estudi publicat avui a la revista Molecular Cell.

El descobriment, realitzat al Centre de Regulació Genòmica (CRG) de Barcelona, estableix les bases per crear noves proves diagnòstiques no invasives que detectin diferents tipus de càncer de manera més ràpida i primerenca del que és actualment possible.

L'estudi se centra en el ribosoma, les fàbriques de proteïnes d'una cèl·lula. Durant dècades, es va creure que els ribosomes tenien el mateix disseny en tot el cos humà. Tanmateix, es va descobrir una capa oculta de complexitat: petites modificacions químiques que varien entre diferents teixits, etapes de desenvolupament i malalties.

"Els nostres ribosomes no són tots iguals. Estan especialitzats en diferents teixits i tenen firmes úniques que reflecteixen el que succeeix a l'interior dels nostres cossos", diu la professora d’investigació ICREA Eva Novoa, autora principal de l'estudi i investigadora del CRG. "Aquestes diferències són subtils i poden informar sobre la salut i la malaltia".

Els ribosomes es componen de proteïnes i d’un tipus especial de molècula d'ARN anomenada ARN ribosòmic (ARNr). Les molècules d'ARNr són l'objectiu de modificacions químiques que afecten la funció del ribosoma. "El 95% de l'ARN humà és ARN ribosòmic. És molt prevalent a les nostres cèl·lules", diu la Dra. Novoa.

Es van buscar tota mena de modificacions químiques a l'ARNr humà i de ratolí en molts teixits diferents, inclosos teixits del cervell, el cor, el fetge i els testicles. L'estudi va descobrir que cada teixit té un patró únic de modificacions d'ARNr, i els autors el van denominar 'empremta epitranscriptòmica'.

"Aquesta empremta ribosomal ens diu d'on prové una cèl·lula", afirma el Dr. Ivan Milenkovic, primer autor de l'estudi. "És com si cada teixit deixés la seva direcció en una etiqueta per si les seves cèl·lules acabessin perdent-se".

Es van trobar diferents conjunts d'empremtes en mostres de teixit de pacients amb càncer, particularment al pulmó i els testicles. "Les cèl·lules canceroses estan 'hipomodificades', fet que significa que perden constantment algunes d'aquestes marques químiques", diu el Dr. Milenkovic. "Pensem que això podria ser un biomarcador important", afegeix.

L'estudi va examinar més de prop el càncer de pulmó. Es van obtenir teixits sans i teixits de 20 pacients amb càncer de pulmó en estadi I o estadi II i es va confirmar que l'ARNr de les cèl·lules canceroses estava 'hipomodificat'. Es van emprar les dades per entrenar un algoritme que pot classificar les mostres basant-se únicament en les dades d'aquesta empremta molecular.

La prova va aconseguir una precisió gairebé perfecta en distingir entre càncer de pulmó i teixit sa. "La majoria dels càncers de pulmó no es diagnostiquen fins a etapes avançades de desenvolupament. Aquí vam poder-lo detectar a molta més antelació del que és habitual, fet que algun dia podria ajudar a aconseguir més temps per als pacients", diu el Dr. Milenkovic.

L'estudi fou possible gràcies a una nova tecnologia anomenada seqüenciació directa d'ARN per nanopors, que permet l'anàlisi directa de molècules d'ARNr amb totes les seves modificacions. "Ens permet veure les modificacions tal com són, en el seu context natural", diu la Dra. Novoa.

Abans del desenvolupament de la seqüenciació per nanopors, les tècniques convencionals processaven les molècules d'ARN de tal manera que eliminaven les modificacions químiques abans que es poguessin estudiar.

"Típicament s'eliminaven els ARNr perquè els equips científics els consideraven informació redundant que interferia amb els nostres experiments. Uns anys després, hem recuperat aquestes dades descartades i les hem convertit en una mina d'or, especialment quan es captura informació sobre modificacions químiques. És un canvi sorprenent", diu la Dra. Novoa.

L'avantatge de la seqüenciació per nanopors és que es basa en dispositius de seqüenciació petits i portàtils que caben al palmell de la mà. Es poden inserir mostres biològiques a l'equip, que captura i escaneja molècules d'ARN en temps real.

A l'estudi es va poder distingir entre cèl·lules canceroses i cèl·lules sanes en escanejar tan sols 250 molècules d'ARN, procedents de mostres de teixit. Això és una fracció del que un dispositiu típic de seqüenciació per nanopors és capaç de fer. "És factible desenvolupar una prova ràpida i altament precisa que busqui l'empremta ribosomal del càncer utilitzant quantitats mínimes de teixit", diu la Dra. Novoa.

A llarg termini, el grup de recerca vol crear un mètode de diagnòstic que pugui detectar l'empremta a l'ARN que circula a la sang. Això seria un enfocament menys invasiu perquè només requeriria una mostra de sang, en lloc de mostres de teixit dels pacients.

Els autors de l'estudi adverteixen que es requereixen més estudis abans que la seva estratègia pugui tenir beneficis clínics. "Això és només la punta de l'iceberg", diu el Dr. Milenkovic. "Necessitem estudis més amplis per validar aquests biomarcadors en poblacions i tipus de càncer diversos".

Una de les grans incògnites és per què les modificacions canvien primer en el càncer. Si les modificacions de l'ARNr estan ajudant les cèl·lules a produir proteïnes que promouen el creixement i la supervivència descontrolada, es podrien identificar els mecanismes responsables d'agregar o eliminar les modificacions i revertir canvis perjudicials.

"Estem desentranyant aquesta complexitat de manera lenta però segura", diu la Dra. Novoa. "És només qüestió de temps abans que puguem començar a entendre el llenguatge de la cèl·lula", conclou.