Clinical Significance of Liquid Biopsy through 5-miRNA Signature Profiling in Tumor-derived Extracellular Vesicles to Complement Breast Cancer Diagnosis

Abstract

전세계적으로 유방암은 영상의학적 진단 도입을 통해 암의 조기 진단율이 높아졌고 사망의 위험이 명백히 감소하였다. 그러나, 영상의학적 진단은 치밀유방으로 인한 위음성 증가, 위양성 결과로 인한 불필요한 생검 증가 등의 한계가 존재하며 조직 생검은 시공간적 종양 이질성을 반영하는데 한계가 있다. 이를 보완하기 위한 액체생검법의 개발은 지속적으로 요구되고 있다. 극소량의 분자를 검출할 수 있는 기술의 발전에도 불구하고, 특히 조기 진단에서 특정 암의 특성을 정확히 반영하는 액체 생검법의 개발은 아직 해결되지 않은 과제이다. 그러므로 우리는 유방암의 고유한 특성을 보다 정확하게 반영하는 유방암 유래 세포외 소포체 분리 및 분석을 목표로 현재 진단 방법을 보완하고 기존 방법 대비 임상적 성능을 향상시키는 것을 목표로 하였다. 유방암 분자아형을 포괄할 수 있는 EpCAM, ITGA2, ITGAV 를 도입하여 면역친화법을 통해 유방암 유래 세포외 소포체를 분리하고 소포체 내 miRNA 를 분석하여 최적의 진단 조합을 구축함으로써, 상술한 현 유방암 진단 및 기존 액체생검 연구 접근법의 한계를 보완하고자 하였다. 총 211 명(유방암 환자 120 례, 유방 양성질환 환자 46 례, 정상대조군 45 례)을 대상으로 5-miRNA 시그니처(miR-21, miR-106b, miR-181a, miR-484, miR-1260b)의 임상적 성능을 검증한 결과, 임상적 민감도는 85.83%, 임상적 특이도는 84.62%였으며, AUC 는 0.908 로 분석되었다. 그리고 TNM 병기에 따라 임상적 민감도는 82.35%, 87.72%, 91.67%로 확인됨에 따라, 초기 유방암 병기에 대한 임상적 유효성이 확인되었다. 유방촬영술과 miRNA 시그니처를 병행 분석하였을 때, 임상적 민감도는 97.39%로 분석되었다. 또한 유방촬영술 결과, BI-RADS 카테고리 0 로 판정되었던 각 대상자에 대한 miRNA 시그니처의 진양성률은 88.89%이었고, 진음성률은 92.86%로 분석되었다. 이와 더불어 치밀 유방에 대한 miRNA 시그니처와 유방촬영술 병행 분석의 임상적 민감도는 94.90%로 분석되었으며, 불필요한 조직검사를 받은 유방양성질환 환자에 대해 miRNA 시그니처의 진음성률은 90.48%로 분석되었다. 결론적으로 우리 연구는 현재의 유방암 진단을 보완하기 위해 종양의 고유 특성을 반영한 액체생검법을 개발하여 임상적 근거를 제시하였다. 유방암 유래 세포외 소포체 분리 분석방법을 통해 기존 방법 대비 높은 임상적 성능을 달성했고, 특히 기존 연구와 대비되는 초기 유방암에 대한 상대적으로 높은 민감도를 달성했다. 또한 유방촬영술과 miRNA 시그니처의 상호보완적 분석을 통해 유방촬영술의 민감도 보완과 유방 양성 질환에 대한 특이도 보완의 가능성을 확인함으로써, 유방암 진단에 대한 잠재적 유용성을 제시하였다. 이를 통해 유방암 유래 세포외 소포체 내에서 핵산, 지질, 대사산물, 단백질 등을 활용하는 다중체학적 진단 기회를 제공하며 유방암 진단 액체 생검법으로서의 잠재력을 제공하였다.

Breast cancer is still a major worldwide health concern, which emphasizes the necessity that better diagnostic techniques are needed. While radiological diagnosis has increased early detection rates and decreased the risk of mortality, it is not without limitations, including increased false negatives in dense breasts and unnecessary biopsies due to false positives. Additionally, tissue biopsy may not fully capture the spatiotemporal heterogeneity of tumors. Hence, there's a continuous demand for complementary approaches like liquid biopsy methods. The objective of our research was to establish a liquid biopsy technique that effectively captures the specific traits of breast cancer, offering a valuable addition to current diagnostic tools and improving clinical outcomes. We isolated and analyzed breast cancer-derived extracellular vesicles, targeting EpCAM, ITGA2, and ITGAV to cover molecular subtypes, and utilized an immune-affinity method for isolation. Through miRNA analysis, we sought to establish an optimal diagnostic combination. We tested 211 patients, including breast cancer patients, benign breast disease patients, and normal controls, for a 5-miRNA signature (miR-21, miR-106b, miR-181a, miR-484, and miR-1260b). Our findings demonstrated a clinical sensitivity of 85.83%, a specificity of 84.62%, and an AUC of 0.908. Notably, we observed clinical sensitivity ranging from 82.35% to 91.67% across different TNM stages, highlighting effectiveness, particularly in early-stage breast cancer. When combined analysis of mammography and miRNA signatures yielded a clinical sensitivity of 97.39%. Moreover, we observed promising results in complementary analysis, with high true positive rates for dense breasts and reduced unnecessary biopsies for benign breast diseases. In conclusion, our study presents a novel liquid biopsy method that complements current breast cancer diagnosis. Our approach offers superior clinical performance compared to existing methods, especially in early-stage detection. Additionally, the combined analysis of mammography and miRNA signatures shows potential for improving sensitivity and specificity, thus enhancing diagnostic accuracy. With opportunities for more study and practical application, this multi-component diagnostic strategy using extracellular vesicles derived from breast cancer shows an opportunity as a liquid biopsy method for breast cancer diagnosis.