Bruker maskinlæring for å avsløre kreft tidlig

Norge har en av verdens høyeste forekomster av tarmkreft, en sykdom som rammer både kvinner og menn. I fjor fikk 4.500 nordmenn tarmkreft. 1.250 døde. Kreftregisteret har beregnet at 1 av 25 vil få den lumske sykdommen innen de er 80 år gamle.

De fleste må gjennom omfattende behandling. Operasjon er vanlig. Mange får cellegift og strålebehandling. Bare sju av ti pasienter lever fem år etter at diagnosen ble satt.

Utviklingen av tarmkreft kan ta 10 til 20 år. Ettersom symptomene kan være ganske vage, er det dessverre vanlig å oppdage tarmkreften ganske sent.

Den beste metoden å oppdage tarmkreft på er med koloskopi. For noen kan dette være en ganske ubehagelig undersøkelse. En to meter lang slange blir sendt inn gjennom endetarmen, tykktarmen og videre inn i den nedre delen av tynntarmen. Her kan legene se om slimhinnene er betente, eller om det finnes svulster eller polypper (utvekster). Polypper er ikke uvanlig. De er som oftest ufarlige og forsvinner av seg selv. Andre ganger kan de være forstadier til kreft. Polyppene blir fjernet og undersøkt for kreft. Som oftest finner legene ingenting.

Uheldigvis har ikke dagens sykehus muligheten til å tilby koloskopi til alle. Kapasiteten er begrenset. Det gjør det ikke enklere for pasientkøen at bare halvparten møter opp til undersøkelsene sine.

For å sile ut hvem som trenger koloskopi og ei, skal alle mellom 55 og 70 år om ikke altfor lenge bli bedt om å sende inn en avføringsprøve i posten. Som en forberedelse til denne landsomfattende undersøkelsen er screeningen allerede testet ut på befolkningen i kommunene Moss og Bærum. Poenget er svært enkelt. Blod i avføringen kan tyde på kreft. Da blir pasienten innkalt til koloskopi.

Selv om avføringstesten fungerer bra for mange, har den likevel to svakheter. Den ene svakheten er at mange av dem som blir innkalt til koloskopi – fordi de har blod i avføringen – likevel ikke har kreft. Da er de blitt unødig bekymret. Den andre svakheten er at kreften ofte må ha kommet langt for at det skal dukke opp blod i avføringen. Det betyr: Mange med kreft i tidlig fase vil ikke bli fanget opp av avføringstesten.

– Vi trenger derfor bedre metoder for å oppdage kreften tidligere. Behandlingen blir lettere, samtidig som sannsynligheten for å overleve øker, poengterer Trine Rounge, tidligere forsker på Kreftregisteret og nå gruppeleder og førsteamanuensis på Senter for bioinformatikk og Farmasøytisk institutt ved UiO.

Sjekker bakteriefloraen

Forskningsgruppen hennes er nå i gang med en helt ny metode som skal gjøre det langt sikrere å slå fast om man har kreft i tidlig fase.

De siste årene har forskere funnet sammenhengen mellom tarmfloraen og fremskreden kreft. Ettersom bakteriefloraen endrer seg når kreften utvikler seg, er bakteriefloraen ikke den samme der kreften har kommet langt, og der kreften er i sin spede begynnelse.

– Vi mener sannsynligheten også er til stede for en sammenheng mellom den tidlige fasen av tarmkreft og bakteriefloraen i tarmen, forteller forsker og kollega Einar Birkeland.

De to forskerne mener med andre ord at en bestemt bakteriekombinasjon kan bli fremtidens biomarkør for tidlig tarmkreft.

– Dette skal bli en bedre metode enn bare å lete etter skjult blod i avføringen. Økosystemet i tarmen må være i ubalanse for at vi skal få kreft. Den dagen vi skjønner hvilke bakterier som er med i den tidlige kreftutviklingen, kan vi dessuten forstå mer av sykdommen, konstaterer Rounge.

Studien deres bygger på informasjonen fra tarmscreeningen i Moss og Bærum. Uten slike data har ikke forskerne muligheten til å finne sammenhengen når det gjelder bakteriemangfoldet og tidlig kreft. For å klare dette sammenligner forskerne bakteriefloraen hos alle som er undersøkt, og da snakker vi om bakteriefloraen både hos dem som ikke har funn i tarmen, og hos dem som har polypper og kreft. Eller for å si det svært så populistisk: Avføringsprøvene i Moss og Bærum kan redde livet til mange kreftpasienter i fremtiden.

Undersøker bakteriegenene

Det er her genetikken kommer inn i bildet. Tarmfloraen består av 99 prosent bakterier. Kroppen vår har faktisk like mange bakterier som egne celler. Sånn sett er kroppen vår et enormt økosystem. Vi har tusenvis av ulike bakterier. De aller fleste av bakteriene våre holder til i tarmen.

Akkurat som oss mennesker inneholder bakterier arvemateriale. Dette arvematerialet kalles for DNA.

Forskerne henter ut DNA fra alle organismene i tarmen og beholder DNA-et fra bakteriene. De hakker opp arvematerialet i små biter og analyserer alle bitene.

Takket være tarmprøvene fra de heldige utvalgte i Moss og Bærum har forskergruppen til Rounge analysert millioner av DNA-sekvenser fra så mange som 2.000 avføringsprøver.

– Ettersom tarmfloraen hos to mennesker er veldig forskjellig, er det utfordrende å finne en felles biomarkør. Da trenger vi studier av denne størrelsen. I verdenssammenheng er dette en stor studie, opplyser Rounge.

Ved å sammenligne alt arvemateriale til bakteriene hos dem som var friske og hos dem som fikk påvist kreft eller forstadier til kreft i koloskopien, kan de finne bakteriesignaturen for tarmkreft.

Det er ingen enkel sak å sammenligne så store mengder DNA-biter fra så mange forsøkspersoner.

– Vi tar sekvensdataene og sjekker dem mot databaser for å se hvilke bakterier og hvilke genombiter som passer til hverandre. Da kan vi slå fast hvor mye det er av hver bakterieart.

Hver bakterie har minst 5000 gener. Siden det er millioner av bakterier i tarmen, har forskerne valgt å gruppere genene etter hvilke oppgaver de har.

Det kreves enorme beregninger på tungregnemaskiner for å tolke alle disse DNA-sekvensene.

– Her er det snakk om flere måneders beregninger på universitetets tungregnemaskiner for sensitive data, forklarer Einar Birkeland.

Spesialet hans er nettopp å utvikle nye metoder for å knuse store datamengder. Det kommer godt med når han skal undersøke millioner av gener fra tarminnholdet hos tusenvis av mennesker.

For å løse dette bruker han maskinlæring. Det er den beste metoden for å finne signalet på kreft.

– Selv om vi bruker enormt med regneressurser, er målet vårt å lage en enkel biomarkør.

Veien videre

Som om dette ikke er nok, skal forskerne også undersøke sammenhengen mellom kosthold og tarmkreft. Her har de med seg ernæringsfysiologer.

Men bakteriefloraen i tarmen påvirkes ikke bare av hva du spiser. Det handler også om medisinbruken din. Da kommer det godt med at forskerne har muligheten til å hente ut informasjon ved å koble sammen landets mange helseregistre.

– Det neste vi skal gjøre, og det er ganske unikt, er å få resepthistorien til alle deltakerne. En del av dem har tatt antibiotika. Slike medisiner dreper bakterier. Du kan si det sånn at vi er grådige datasamlere. Vi får data fra nesten 20 år tilbake i tid, sier Trine Rounge.

Det neste store spørsmålet deres er hvorfor visse bakteriekombinasjoner fører til kreft.

– Noen bakterier blir sittende fast i slimlaget i tarmen. Og noe av slimlaget ligger der det er polypper, som er tidlig fase av kreft.

For å finne sammenhengen er forskerne så heldige at sykehusene også tar vevsprøver. Da kan forskerne studere de epigenetiske endringene i vevsbiten. Epigenetikk handler om hvilke gener som er slått av og på.

– Da kan vi se på sammenhengen mellom bakteriefloraen, kreft og hvilke gener som er slått av og på. Hvis det er en sammenheng mellom de bakteriene vi finner i avføringen, og hvilke gener som er slått av og på i vevsbiten, kan vi se hvordan bakteriene påvirker den tidligere delen av kreftutviklingen.

Virus i bakterier

Og for å gjøre det hele enda vanskeligere:

Forskerne skal også se etter andre organismer i avføringen. Tarmen består ikke bare av bakterier. Den er også full av virus. Og da snakker vi ikke bare om virus på lik linje med bakteriene i tarmen. Det er faktisk svært vanlig med virus på bakteriene.

Noen virus dreper visse bakterier. Virus kan dessuten regulere balansen i bakteriefloraen.

– Vi vet ikke nok om dette. Virus på bakteriene er som den mørke materien i universet. Det er vanskelig å finne ut hvilke bakterier virusene stammer fra. Vi kan bare se en brøkdel av virusene.

I snitt finner de 2000 virussekvenser i en avføringsprøve. For å undersøke dem må forskerne også her ty til DNA-analyser.

Fremtiden

– Hva er fremtidsdrømmen deres?

– I fremtiden skal det være lett å oppdage tarmkreft. Vi håper at testen vår skal bli like enkel som en korona-test, men det blir nok heller en test som krever litt laboratoriearbeid. Vi må dessuten være sikre på at testen fungerer, og at vi ikke går glipp av krefttilfeller. For å komme ut på markedet kreves det store globale studier. Slikt kan ta opptil ti år, poengterer Trine Rounge.