Diagnostic and prognostic potential of circulating cell-free genomic and mitochondrial DNA fragments in clear cell renal cell carcinoma patients

Abstract

Background: There is inconsistent information about the clinical usefulness of circulating cell-freeDNA (cfDNA) in plasma from clear cell renal cell cancer (RCC) patients. This is attributed to preanalytical, analytical, and clinical factors that were considered as far as possible in this study. Methods: cfDNA was extracted from EDTA plasma of healthy people (n = 40), non-metastatic (n = 145) and metastatic (n = 84) RCC patients using the QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit. Genomic and mitochondrial cfDNA concentrations were determined using qPCR of different cfDNA fragments (67–306 bp). Their diagnostic and prognostic potential was estimated using receiver operating characteristics (ROC) and Cox regression analyses. Results: The 67 bp and 180 bp genomic cfDNA fragments did not differ between the three study groups while the 306 bp fragment was lower in RCC patients than in controls. The mitochondrial cfDNA was higher in metastatic than in non-metastatic patients and controls. The cfDNA integrity indices decreased from controls to metastatic patients. Models built by logistic regression and Cox regression resulted in area under the ROC curves > 0.75 and concordance indices of >0.800 in predicting recurrence-free survival and overall survival. Conclusion: The study suggests that combinations of cfDNA markers have promising diagnostic and prognostic potential in RCC patients and are worth for further validation in future prospective multicenter studies.

Hintergrund: Die Informationen von zellfreier, zirkulierender DNA (cfDNA) als potenzieller diagnostischer und/oder prognostischer Marker bei Patienten mit einem Nierenzellkarzinom sind widersprüchlich. Dies ist offensichtlich bedingt durch eine bisher unzureichende Berücksichtigung von präanalytischen, analytischen und klinische Einflussgrößen. Das Konzept der vorliegenden Studie mit einer entsprechenden Fallzahlberechnung resultiert auf diesen und neuen Erkenntnissen aus cfDNA-Studien bei anderen Tumoren. Hierbei sollte insbesondere der Einfluss untersucht werden, den unterschiedlich lange cfDNA- Fragmente auf die klinische Aussage haben. Methoden: cfDNA wurde aus EDTA- Plasma einer gesunden Kontrollgruppe (n = 40), von Patienten mit einem klarzelligen Nierenzellkarzinom vor der Tumorentfernung durch Nephrektomie, bei denen keine Metastasierung vorlag (n=145), und bei metastasierten Patienten vor und während einer Systemtherapie mit Thyrosinkinaseinhibitoren (n=84) unter Verwendung der QIAamp Circulating Nukleinsäure-Testkombination extrahiert. Genomische und mitochondriale cfDNA-Konzentrationen wurden durch quantitative Polymeraseketten-Reaktion mit sieben unterschiedlich langen Fragmenten (67 bis 306 Basenpaare [bp]) bestimmt. Das diagnostische und prognostische Potential der Marker wurde mit der "Receiver operating characteristics" (ROC) und Cox-Regression eingeschätzt. Ergebnisse: Die Konzentrationen der genomischen Fragmente mit 67 bp und 180 bp unterschieden sich nicht in den drei Studiengruppen, während das 306 bp-Fragment in den Patienten niedrige Konzentrationen aufwies als in den Kontrollen. Die mitochondriale cfDNA war in den metastasierten Patienten höher als in nicht- metastasierten Patienten vor Nephrektomie und Kontrollen. Die Integritätindizes als Quotienten der längeren zu kurzen Fragmenten fielen von den Kontrollen zu der metastasierten Patienten ab. Modelle, die mit Hilfe der logistischen Regression aus den Einzelparametern und Integritätsindizes zur Differenzierung zwischen den Patientengruppen errechnet wurden, ergaben unter Flächen von >0,75 unter den ROC-Kurven. Die mit der multivariaten Cox- Regression errechneten cfDNA-Prädiktionsmodelle wiesen Konkordanz-Indizes von >0,80 für das rezidiv-freie Überleben und das Gesamtüberleben auf und übertrafen damit die Ergebnisse, die anhand der klinisch-pathologischen Daten erzielt wurden. Fazit: Die Studie lässt die Schlussfolgerung zu, dass Kombinationen von cfDNA-Marker aussagekräftige diagnostische und prognostische Informationen für Patienten mit einem Nierenzellkarzinom liefern können. Die hier empfohlenen Parameter sind es wert, in künftigen prospektiven multizentrische Studien eingeschlossen und validiert zu werden.