Le développement et la démocratisation des techniques de biologie moléculaire ont permis d’importants progrès dans la détection et l’analyse des acides nucléiques. Ces techniques constituent aujourd’hui un outil clé de la prise en charge des patients atteints de cancer. En effet, des réseaux complexes d’altérations génétiques ont été mis en évidence dans la plupart des cancers. Il peut s’agir, entre autres, de délétions, de mutations ponctuelles, de réarrangements chromosomiques ou d’amplifications. Ces altérations génétiques étant présentes uniquement dans les cellules tumorales, elles représentent des marqueurs spécifiques de cancer. Ces marqueurs peuvent être classés en trois grandes catégories : il peut s’agir de marqueurs diagnostiques, permettant, par exemple, de déterminer la localisation de la maladie ou son stade ; de marqueurs pronostiques, permettant de détecter la progression ou la récurrence du cancer ; ou encore de marqueurs prédictifs, permettant de prédire la réponse aux traitements, la pharmacodynamique ou la toxicité de ces derniers [1]. Ces marqueurs, en caractérisant des tumeurs à l’échelle moléculaire, sont particulièrement pertinents dans le domaine de la médecine de précision. En effet, de nombreux traitements ciblés ont été développés ces dix dernières années, et de nouveaux marqueurs de sensibilité ou de résistance à ces traitements mis en évidence. Le suivi au cours du temps de ces altérations génétiques permettrait de suivre l’évolution du cancer, l’efficacité d’un traitement ou de détecter une éventuelle récidive. L’utilisation pleinement efficace de ces marqueurs en oncologie clinique nécessite cependant des méthodes précises et fiables pour les détecter dans différents types d’échantillons (biopsies tumorales, fluides biologiques dont le sang). L’avancée technologique récente que représente la PCR (polymerase chain reaction) digitale (dPCR) en microcompartiments permet la détection et la quantification de séquences rares avec une sensibilité et une précision hors de portée des procédures conventionnelles [43] (→). La dPCR a ainsi récemment émergé comme un outil extrêmement prometteur pour le suivi non invasif de marqueurs génétiques, particulièrement pertinent pour la recherche en cancérologie.

(→) Voir le Dossier technique de K. Perez-Toralla et al., m/s n° 1, janvier 2015, page 84

Des acides nucléiques sont retrouvés dans l’ensemble des fluides biologiques dont le sang, les urines, les selles, la salive ou le liquide synovial. La présence d’acides nucléiques dans le plasma a été montrée pour la première fois en 1948 [2], et de l’ADN libre circulant a été détecté en quantités importantes dès 1977 dans le sérum et le plasma de patients cancéreux [3]. L’ADN libre circulant est présent chez les sujets sains à des concentrations de l’ordre de 0 à 100 ng/ml [4]. Chez des patients atteints de cancer, ces concentrations varient de 0 à 5 000 ng/ml. Les ADN libres circulants se présentent sous forme de fragments d’ADN génomique, de tailles variables, libérés lors de l’apoptose, la nécrose, la lyse, ou la fragmentation de cellules [5, 6] (Figure 1). Les mesures de l’intégrité et de taux élevés d’ADN libre circulant dans le sang d’un patient ont été envisagées comme marqueurs de cancer [4], mais les résultats obtenus sont contradictoires. On observe, par exemple, une variabilité importante des quantités d’ADN libre circulant mesurées selon la durée écoulée depuis le prélèvement, l’état physiopathologique et le sexe du patient [5, 7].

Figure 1. L’ADN libre circulant : de son origine à sa détection. A. Origine de l’ADN libre circulant. Les origines de l’ADN libre circulant sont multiples ; il peut s’agir d’ADN provenant de cellules tumorales, de cellules saines ou même de virus et de bactéries. L’ADN retrouvé dans le sang provient de cellules apoptotiques ou nécrotiques. B. Détection spécifique de l’ADN libre tumoral. L’analyse de l’ADN libre tumoral circulant nécessite des techniques de détection de plus en plus sensibles : PCR en temps réel dite quantitative (qPCR), séquençage de nouvelle génération (SNG), et PCR digitale (dPCR), cette dernière étant la plus sensible.

Figure 1. L’ADN libre circulant : de son origine à sa détection. A. Origine de l’ADN libre circulant. Les origines de l’ADN libre circulant sont multiples ; il peut s’agir d’ADN provenant de cellules tumorales, de cellules saines ou même de virus et de bactéries. L’ADN retrouvé dans le sang provient de cellules apoptotiques ou nécrotiques. B. Détection spécifique de l’ADN libre tumoral. L’analyse de l’ADN libre tumoral circulant nécessite des techniques de détection de plus en plus sensibles : PCR en temps réel dite quantitative (qPCR), séquençage de nouvelle génération (SNG), et PCR digitale (dPCR), cette dernière étant la plus sensible.

Le temps de demi-vie moyen de l’ADN libre circulant a été estimé à 16 minutes dans le sang, en se basant sur des données de décroissance du taux d’ADN fœtal dans le plasma maternel [8]. Des travaux plus récents ont démontré que, chez des patients dont le plasma était prélevé de manière séquentielle après résection complète de leur tumeur, le temps de demi-vie de l’ADN libre tumoral circulant plasmatique (identifié grâce au suivi d’une altération spécifique de la tumeur) était de 114 min [9]. L’extraction d’ADN libre circulant doit donc idéalement être réalisée dans les heures suivant le prélèvement afin d’éviter toute dégradation. Le sang prélevé est centrifugé, puis la fraction plasmatique, ou la fraction sérique, sont concentrées. Le plasma est généralement préféré au sérum, car la collecte du sérum étant réalisée sans anticoagulant, un caillot se forme, source de dégradations cellulaires et de libération d’ADN (le taux d’ADN sérique est jusqu’à six fois supérieur aux taux d’ADN plasmatique). Les protocoles d’extraction de l’ADN libre circulant à partir du plasma peuvent différer d’un laboratoire à un autre, rendant difficile la comparaison des résultats. Cependant, des travaux ont été réalisés afin d’identifier les facteurs de variabilité de ces procédures [10].

Suivre directement l’ADN libre tumoral circulant est une possibilité très attractive pour la recherche en oncologie. La présence, dans le sang de patients atteints de cancer, d’ADN libre porteur d’altérations spécifiques a en effet été démontrée par de nombreux travaux [11]. Cet ADN tumoral, qui présente les mêmes signatures moléculaires que la tumeur, est libéré par les cellules tumorales lorsqu’elles meurent [4, 12]. Il a été proposé que le suivi cinétique de marqueurs génétiques circulants pourrait permettre de suivre l’évolution de la tumeur, de déterminer l’efficacité d’un traitement et de détecter d’éventuelles récidives (Figure 2) [13]. Ainsi, la chute des niveaux d’ADN libre tumoral circulant après résection complète de la tumeur et leur ré-augmentation lors du développement de nouvelles lésions ont été décrites [14]. Le suivi de marqueurs génétiques circulants pourrait également permettre d’éviter de multiples interventions chirurgicales ou l’analyse de prélèvements archivés de la tumeur primaire. De plus, les biopsies classiques, souvent difficiles, voire impossibles si la tumeur est inaccessible, peuvent faire courir un risque au patient, et être responsables de la dissémination de la tumeur [15].

Figure 2. Suivi potentiel du statut des mutations à partir du sang. La recherche des altérations génétiques (mutations, amplifications ou translocations par exemple) caractérisant la tumeur (•) dans le sang pourrait aider au diagnostic, à l’orientation du traitement et à détecter les récidives éventuelles. Cette procédure est peu invasive, puisqu’elle ne nécessite qu’une simple prise de sang. La caractérisation moléculaire de la tumeur aide le clinicien au pronostic et au choix du traitement. Cependant, les altérations génétiques de la biopsie peuvent ne pas être représentatives de la tumeur elle-même (présence de cellules saines [•], de sous-clones minoritaires [•], etc.), ni d’éventuelles tumeurs secondaires ou métastases (•). L’ADN libre tumoral circulant (présent dans le sang) pourrait être plus représentatif de cette hétérogénéité et, par conséquent, sa signature moléculaire pourrait être plus pertinente, par exemple pour l’orientation du traitement.

Figure 2. Suivi potentiel du statut des mutations à partir du sang. La recherche des altérations génétiques (mutations, amplifications ou translocations par exemple) caractérisant la tumeur (•) dans le sang pourrait aider au diagnostic, à l’orientation du traitement et à détecter les récidives éventuelles. Cette procédure est peu invasive, puisqu’elle ne nécessite qu’une simple prise de sang. La caractérisation moléculaire de la tumeur aide le clinicien au pronostic et au choix du traitement. Cependant, les altérations génétiques de la biopsie peuvent ne pas être représentatives de la tumeur elle-même (présence de cellules saines [•], de sous-clones minoritaires [•], etc.), ni d’éventuelles tumeurs secondaires ou métastases (•). L’ADN libre tumoral circulant (présent dans le sang) pourrait être plus représentatif de cette hétérogénéité et, par conséquent, sa signature moléculaire pourrait être plus pertinente, par exemple pour l’orientation du traitement.

L’analyse du sang (biopsie « liquide ») pourrait également être plus représentative de l’état pathologique du patient [16]. En effet, l’ADN tumoral qui y circule pourrait refléter, à la fois l’hétérogénéité clonale de la tumeur, d’éventuelles métastases ou d’autres foyers tumoraux [11]. C’est un avantage sur les biopsies classiques qui, prélevées de manière ponctuelle et locale, peuvent sous-estimer cette diversité génétique [17].

L’ADN libre tumoral circulant portant des altérations spécifiques de la tumeur du patient peut cependant être très fortement dilué dans le pool d’ADN libre circulant provenant de la mort de cellules non porteuses de ces altérations. Il peut s’agir de cellules du microenvironnement tumoral comme de cellules saines de l’organisme [18]. Par exemple, l’ADN libre tumoral circulant peut représenter moins de 0,01 % de l’ADN libre circulant total pour des cancers à un stade précoce [14], et plus de 50 % pour des cancers métastatiques [13, 19, 20]. Ceci rend indispensable l’utilisation d’outils de détection plus sensibles et plus spécifiques que les techniques conventionnelles (PCR quantitative et séquençage). De plus, afin de réaliser un suivi efficace des taux d’ADN libre tumoral circulant, par exemple dans le cadre du suivi des patients atteints de cancer, les méthodes utilisées doivent également permettre une quantification précise de la quantité d’ADN libre circulant (ADN libre circulant total et tumoral) [21]. Les développements récents de la PCR digitale (dPCR) permettent aujourd’hui de répondre à ces exigences.

La dPCR permet la détection et la quantification absolue d’une séquence rare d’acides nucléiques diluée dans un large excès de séquences issues de cellules saines. La technique consiste à réaliser une réaction de PCR, non plus sur un mélange d’ADN cibles, mais sur des ADN cibles individuels, compartimentés par dilution limite de l’échantillon initial [43]. Chaque compartiment ne peut alors qu’être positif ou négatif pour la séquence ciblée^1,. Cela confère à cette procédure un caractère quantitatif, puisque chaque évènement (positif ou négatif) peut être compté. C’est de cette logique binaire que vient le terme de PCR « digitale ». La dPCR apporte ainsi un gain en sensibilité important par rapport aux techniques de PCR quantitative (qPCR) classiques (Figure 3). La sensibilité du test dépend du nombre de compartiments et de la quantité de molécules analysables, ainsi que du taux de faux-positifs inhérent à la technique utilisée [21]. Initialement réalisée en microplaques dès 1999 [22], la dPCR est désormais réalisée au sein de microcompartiments, dont le volume est de l’ordre du picolitre au nanolitre [21].

Figure 3. Principe de la PCR digitale. La PCR digitale consiste à diluer un échantillon en un grand nombre de partitions et à compter le nombre de partitions dans lesquelles une réaction a lieu. Dans cet exemple, deux ADN sont ciblés avec des sondes portant des fluorophores différents (rouge ou vert). Modifié d’après Baker [42].

Figure 3. Principe de la PCR digitale. La PCR digitale consiste à diluer un échantillon en un grand nombre de partitions et à compter le nombre de partitions dans lesquelles une réaction a lieu. Dans cet exemple, deux ADN sont ciblés avec des sondes portant des fluorophores différents (rouge ou vert). Modifié d’après Baker [42].

Les derniers développements de la dPCR en microcompartiments ont permis la détection de nombreux marqueurs génétiques dans le sang de patients atteints de cancer (Tableau I). La commercialisation, ces dernières années, d’appareils utilisant ces technologies, permet, entre autres, d’évaluer la pertinence de cette détection en recherche clinique, notamment celle de marqueurs tumoraux. La dPCR représente un outil innovant en oncologie clinique. Elle permet à la fois de réaliser plus efficacement les tests réalisés aujourd’hui par des méthodes telles que la qPCR, mais également de réaliser des expériences au-delà des capacités des procédures conventionnelles. Il est cependant à noter que de nouvelles procédures, plus sensibles que les procédures conventionnelles, basées sur la PCR quantitative spécifique d’allèles, ont été récemment développées pour l’analyse d’ADN libre tumoral circulant [23, 24] et validées dans le cadre d’études cliniques [19]. Ainsi, la dPCR est particulièremente pertinente pour la détection et la quantification de marqueurs minoritaires, incluant les sous-clones rares au sein de la tumeur ou de l’ADN libre circulant. Plusieurs études récentes ont ainsi montré son intérêt pour le suivi des cancers du côlon, du poumon et du sein à partir d’échantillons de sang [20, 25–27].

La multiplication des études réalisées sur l’ADN libre circulant utilisant, entre autres techniques, la dPCR, devrait contribuer à valider sa pertinence en tant que marqueur tumoral. Les résultats obtenus tendent à valider la dPCR en microcompartiments (microgouttelettes ou microchambres) pour le diagnostic, la détection de résistances et le suivi des patients pour, par exemple, anticiper une éventuelle récidive. Cette méthode offre une sensibilité et une spécificité supérieures à celles de la qPCR utilisée classiquement en oncologie clinique, ce qui permet la détection d’événements rares au sein de mélanges complexes d’ADN ayant de fortes similitudes de séquences avec la cible. Cela permet d’envisager le suivi de marqueurs tumoraux dans les liquides biologiques, tels que le sang, particulièrement adaptés au suivi des patients. La commercialisation récente d’appareils automatisant la dPCR va favoriser la démocratisation de ces analyses. Une grande partie des travaux réalisés initialement avaient pour objectif la détection de mutations spécifiques de tumeurs, mais de nouvelles stratégies pourraient permettre de détecter et quantifier d’autres types de marqueurs tumoraux. Des études en dPCR ont ainsi été décrites qui détectent les variations d’expression de différents microARN d’intérêt dans le sérum de patients atteints de cancer [35, 36]. De même, l’hyperméthylation du gène de la vimentine a pu être décelée par dPCR (BEAMing) dans l’ADN libre circulant plasmatique chez 59 % de patients atteints de cancer colorectal [37]. Les cellules tumorales circulantes sont également un marqueur d’intérêt [38] et peuvent être caractérisées par des procédures digitales. L’ADN y est déjà compartimenté, ce qui constitue un avantage par rapport à l’ADN libre circulant, mais leur manipulation est délicate et leur faible représentation impose des étapes de purification [39]. La possibilité de détecter des séquences génétiques spécifiques au sein de mélanges complexes, tels que les liquides biologiques, avec une haute sensibilité et spécificité, ouvre la voie à de nombreuses autres applications incluant, entre autres, le diagnostic viral [40] et le diagnostic prénatal [41].

V. Taly et P. Laurent-Puig déclarent participer à des travaux d’expertise pour la société RainDance.

Les autres auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Les auteurs remercient le Dr Deniz Pekin pour la relecture attentive de la revue. Ouriel Caen remercie l’ITMO Cancer de l’alliance nationale pour les sciences de la vie et de la santé (AVIESAN, Inserm, n°HAP_2012001) pour son financement accordé dans le cadre de l’école interdisciplinaire Frontières du vivant (FdV). Les auteurs remercient, pour leur soutien financier, le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, l’université Paris-Descartes, l’université de Strasbourg, le Centre national de la recherche scientifique (CNRS), l’Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm), l’Institut national du cancer (INCA, No. 2009-1-RT-03-US-1 and 2009-RT-03-UP5-1), l’Association pour la recherche contre le cancer (ARC, n° SL220100601375), l’Agence nationale de la recherche (ANR nanobiotechnologies), la région Alsace, et le SIRIC CARPEM.