传说中的十分钟肿瘤早筛，离我们还有多远？

发布时间：2019-08-13

最近，有关液体活检用来快速、简易进行肿瘤早筛的话题再次刷屏，小编收到很多患者、家属、医生的咨询和热烈讨论，充分感受到大家对肿瘤早筛领域有所突破的热切盼望。肿瘤的早期发现会极大提升患者的生存机会和生存质量，因此难怪与肿瘤早筛相关的话题总是格外万众瞩目。但科学的发展并非一蹴而就，新技术是否可以“改写肿瘤早筛”？我们就来“寻根问底”一次。


肿瘤早筛核心难题——ctDNA丰度


虽然肿瘤早筛领域曝光不断，但我们听到更多的是研究进展而不是相对较为成熟的产品，为什么分子检测在肿瘤早筛尚未像用药指导伴随诊断一样得到临床的广泛应用？其主要限制是技术水平必须实现对超低丰度循环肿瘤DNA（ctDNA）的检出。

 

肿瘤越早期，ctDNA含量越低（Nature Medicine, An ultrasensitive method for quantitating circulating tumor DNA with broad patient coverage，表中有两例I期患者通过深度测序未能检出ctDNA）


ctDNA本身在血液中含量较低，一般只有游离血浆 DNA（cfDNA）的 0.1%-1%，因此捕捉血浆游离DNA中来自肿瘤的信号一直是一个难题。早期患者释放到血液中的ctDNA丰度的更加微量，以肺癌为例，2017年发表在Nature上的TRACERx (TRAcking Cancer Evolution through therapy (Rx))相关研究指出，携带1cm3肿瘤的早期患者ctDNA丰度一般在0.006%左右，而通常基于深度测序来检测基因突变的方法一般能够达到的检测极限在0.1-0.5%之间。这就是许多基于深度测序的液体活检方法在晚期肺癌伴随诊断，甚至可手术患者术后复发预测领域都应用的如火如荼，但一旦进入肿瘤的早期筛查领域就束手无策的原因。

TRACERx相关结果（Nature，Phylogenetic ctDNA analysis depicts early-stage lung cancer evolution）

 

如何打破僵局？


然而，肿瘤早筛的实现将带来如此巨大的意义，因此，科学家们还在沿着多个方向进行着不懈的努力：


1）通过更高效的建库方法、更深度的测序、更聪明的信噪分离算法等，提升ctDNA中基因突变检测的灵敏度，美国癌症早期筛查公司Grail就尝试了采用60000X测序深度去探索突变检测的灵敏度极限，而ylzzcom永利总站线路检测的UMI（Unique Molecular Index）建库方法也正是基于这种考虑；


2）在肿瘤细胞的生物学改变中，寻找比基因突变更广泛、更早期的肿瘤标志物变异事件，这就是基于表观遗传学的多种技术平台应用于早筛探索的逻辑。其中，肿瘤在癌变初期发生的生物学行为变化中最有代表性的是DNA的甲基化，相对于DNA突变，甲基化不仅可修饰位点多，并且具有组织/癌种特异性，因而作为肿瘤早筛的标志物带来了莫大的探索空间；


3）如果能够寻找ctDNA有别于cfDNA的其他物理化学特性，来对来ctDNA进行定向的分离和富集，理论上也可能增加ctDNA检测的敏感性。

 

本次刷屏的两篇文章真的可以改写肿瘤早筛？


近期，有两个新近发表的研究，采用了不同的技术路线，但都被赋予了可改写肿瘤早筛的令人激动人心的解读。


其中一篇是发表于Nature Communication的“Epigenetically reprogrammed methylation landscape drives the DNA self-assembly and serves as a universal cancer biomarker”。该文发现了肿瘤细胞中甲基化事件对DNA物理化学性质（溶解度、吸附力）的影响，开发了简单、灵敏的电化学方法与比色法进行一步式的检查，只需少量血液样本即可在10分钟内检测是否具有来自肿瘤的DNA信号。电化学法能够达到84%的敏感性和82%的特异性，比色法能够达到70%的敏感性和80%的特异性（原文正文仅汇报了阳性预测值与阴性预测值，敏感性与特异性数字来自补充材料），实验的创新性与方法学的简便性令人印象深刻。

文章研究结果之一

 

但是，原文中明确指出，所有受检标本所属的癌症患者皆为肿瘤已发生转移的晚期患者，以乳腺癌为主。而原文中所进行的最低检测限实验也明确给出了这一方法学的灵敏度极限：即肿瘤DNA占比需要高于1%。因此作者也明确指出，该方法学可能尚不适用早期的肿瘤患者。

 

文章相关结论与所用样本信息

 

另一篇文章是发表于Science Translational Medicine的“Enhanced detection of circulating tumor DNA by fragment size analysis”。该研究利用ctDNA和cfDNA片段的长度分布特征——带有癌症突变的ctDNA片段在90-150bp（主）和250-320bp（次）区间富集，并以此为依据通过片段特异富集进行液体活检，在多癌种中验证了可以比CT更早检出肿瘤。


来自肿瘤的ctDNA和cfDNA之间的片段大小差异确实存在，然而在临床应用中，据此对短片段进行富集，一方面确实可以增加样本中所含有的ctDNA比例，但另一方面也会在富集的过程中丢失部分宝贵的原始DNA分子，当应用于肿瘤早筛时，前者所带来的信号放大效应与后者所带来的原始信号丢失的效应并存，是否会增加抑或降低最终的检测敏感性还需要大量早期患者血液样本的验证。


在本文中，作者并未纳入早期患者队列的血液样本作为验证的一部分，这也是因为作者所主要讨论的应用方向并非早期患者的诊断甚至筛查，因此，将这一方法应用于肿瘤早筛的临床应用也仍有较远的距离。值得指出的是，文章提示了在对ctDNA进行WES或WGS时可以一定程度地由于富集从而降低测序深度，使得这两种价格高昂的检测从成本上更为可行，这可能是这篇文章在临床应用方面所呈现的最主要的价值所在。

 

结语


实现肿瘤的早期筛查是所有科学家和临床工作者共同的梦想。然而，从科学研究到临床产品，就像从希望的微芒到普照的阳光，要走过一条扎实的验证之路。近两年，不同癌种，不同技术路线在肿瘤早筛上取得的突破正在如星星之火不断涌现。ylzzcom永利总站线路检测的研发与医学团队也正在进行基于DNA甲基化的肿瘤早筛产品的开发与大队列的临床验证。希望在不久的未来，更好的检测技术可以开始把癌症的早诊早筛带入一个新的时代。