Nature|“滴血验癌”新进展？7种癌症检测的最高灵敏度达100%

编者按

约翰·霍普金斯大学医学院西德尼·金梅尔综合癌症中心的研究者开发了一种新型全基因组cfDNA片段检测方法，对7种癌症检测的灵敏度范围为57%-100%，特异性达98%，确定肿瘤组织来源的患者占比75%。

该研究对癌症患者的意义在于：以一种非侵入性的、便捷的方式实现癌症的早期诊断、预后判断和治疗效果监测。

具体体现在：

1、以少量血液为样本，减少因组织活检带来的创伤；

2、可根据需要取血，时间可控且方便；

3、该研究检测的灵敏度高（最高可达100%），意味着漏诊率低；

4、该研究检测的特异度高（达98%），意味着误诊率低。

癌症是威胁人类健康的重要疾病，患者确诊时疾病已发展到晚期及治疗干预效果差是导致癌症相关死亡的主要原因。遗憾的是，临床上可广泛用于癌症诊断和治疗的生物标志物尚未得到广泛应用，癌症诊断的金标准仍然是组织活检，但因组织活检存在着有创、不适宜反复取材检测、容易发生并发症等弊端，使得患者更寄希望于诸如“滴血验癌”这样的液体活检技术出现，以一种非侵入性的、便捷的方式实现癌症的早期诊断、预后判断和治疗效果监测。

以血液为标本的液体活检技术的机遇与挑战

近年来，以血液为标本的液体活检技术，尤其是基于循环游离DNA（cfDNA）检测的液体活检技术在肿瘤筛查、早期诊断、治疗监测和预后评估等多个方面受到科研工作者及临床医生的广泛关注。近期对循环系统中cfDNA的分析表明，肿瘤特异性改变与cfDNA变化呈相关性，可能为早期诊断提供新的机会，然而并非所有患者都有可检测cfDNA变化。虽然cfDNA的全基因组测序可以识别癌症患者的染色体异常，但由于异常染色体的数量较少，检测这种变化具有挑战性。于是，科学家将目光转向对cfDNA片段大小的分析。

新型全基因组cfDNA片段检测方法诞生

2019年5月29日，Nature在线发表了一项通过检测全基因组cfDNA片段，实现7种癌症检测和肿瘤组织来源确定的新型液体活检技术。

图/Nature

该技术由约翰·霍普金斯大学医学院西德尼·金梅尔综合癌症中心的Stephen Cristiano等研究者开发，名为DELFI（DNA evaluation of fragments for early interception）。

研究共纳入208例未接受过治疗的肿瘤可切除癌症患者（涵盖7个癌种，包括乳腺癌、结直肠癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌、胃癌、胆管癌）和215名健康人。

首先，对所有受试者的cfDNA进行了低覆盖率全基因组测序，结果发现，健康人的cfDNA片段分布一致，而癌症患者的cfDNA片段分布变化很大，即来自癌症患者的cfDNA在长度上更多变。

图1 经全基因组测序的健康人和癌症患者cfDNA片段分布/ Genome-wide cell-free DNA fragmentation in patients with cancer

接下来，研究人员应用梯度提升树机器学习模型检验癌症患者和健康人的cfDNA是否具有差异性，包括片段大小、染色体臂和线粒体DNA拷贝数。

图2 梯度提升树机器学习模型/ Genome-wide cell-free DNA fragmentation in patients with cancer

通过DELFI得分确定受试者是健康人还是癌症患者。结果发现，不同癌种的检测灵敏度范围为57%-100%，所有癌症患者的总检出率为73%（95%CI 67%-79%，意味着在208例癌症患者中检测出152例）；检测特异性为98%（意味着在215例患者中有4例误诊为癌症患者），结果详见表1绿色框线部分。

因cfDNA片段分布能够反映组织之间的区域差异，研究者采用机器学习的方法确定循环肿瘤DNA（ctDNA）的起源组织。结果发现，75%的癌症患者能够确定组织来源。

图3 DELFI示意图/ Genome-wide cell-free DNA fragmentation in patients with cancer

最后，研究者评估了DELFI联合cfDNA基因突变检测是否能够提高癌症检测灵敏度。结果发现，联合检测灵敏度达到91%（126例癌症患者中，检出115例），特异性达到98%。

图4 DELFI联合cfDNA突变检测/ Genome-wide cell-free DNA fragmentation in patients with cancer

因常规测序分析确定核小体很难，该研究巧妙的利用了cfDNA片段分布与核小体模式的相关性（即：癌症患者的核小体在cfDNA的转录起始位点和末端位置附近的位置、模式可能会发生改变，这种小片段的改变与晚期癌症患者循环肿瘤DNA的富集相关），有望通过DELFI检测肿瘤组织来源。

DELFI只需要少量的全基因组序列，就能够从微量的cfDNA中分析出数十到数百种肿瘤特异性改变，使得癌症检出灵敏度较之前的方法更高；将DELFI与cfDNA基因突变检测相结合，能够进一步提高检测灵敏度。

未来，通过临床特征、甲基化变化和其他诊断方法进一步改善DELFI，有望广泛的用于癌症患者的筛查和治疗。

科普小知识

cfDNA和ctDNA都是肿瘤的生物标志物，他们存在于血液中，通过液体活检技术对它们进行检测和分析，对肿瘤的早期诊断、监测、预后以及个性化用药具有重要意义。那么，两者有什么区别和联系呢？

循环游离DNA（cfDNA）：是存在于人体血液循环中的、游离于细胞外的高度片段化的DNA。主要来源于细胞凋亡过程中产生的“DNA阶梯”式的片段化核酸，以及细胞的正常或异常（肿瘤细胞）裂解。

循环肿瘤DNA（ctDNA）：则是携带肿瘤特有突变的那一部分cfDNA。主要来源于肿瘤体细胞的凋亡或坏死，以及肿瘤细胞的异常分泌。

缩略词

cfDNA：cell-free DNA 游离DNA

ctDNA：circulating tumour DNA 循环肿瘤DNA

参考文献

[1] Stephen Cristiano, Alessandro Leal, Jillian Phallen, et al. Genome-wide cell-free DNA fragmentation in patients with cancer. Nature. 2019; 570: 385–389.

[2] de Fraipont F, Gazzeri S, Cho WC, et al. Circular RNAs and RNA Splice Variants as Biomarkers for Prognosis and Therapeutic Response in the Liquid Biopsies of Lung Cancer Patients. Front Genet 2019; 10. 390.

[3] Dmitriy Smolensky, Kusum Rathore, Maria Cekanova. Molecular targets in urothelial cancer: detection, treatment, and animal models of bladder cancer. Drug Des Devel Ther. 2016; 10: 3305–3322.