Nature子刊:ctDNA技术贯穿癌症管理全周期

基因组相关技术的发展,使得ctDNA不仅停留在科研,也逐渐深入到临床转化应用中,在癌症的早筛、诊断和预后监测等全周期健康管理中,扮演着重要的角色。4月的《Nature Reviews Cancer》中就ctDNA技术的临床应用进行了系统综述,本文简介主要信息,欢迎指正讨论。作者:基因慧(转载搜狐科技

1. cfDNA发现到ctDNA

从cfDNA发现到ctDNA

 

1cfDNA的来源和变化形式,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

在健康人群中,血浆游离DNA(cfDNA)浓度介于1-10 ng/ml。人的血浆游离核酸片段,在1949年首先由MandelMétais首次研究报道; 1977年报道了首例癌症患者的cfDNA水平;1997年,香港中文大学卢煜明团队对母体血浆中胎儿DNA序列的鉴定,推动了基因组技术产前医学中的应用,其中无创产前基因检测(NIPT)于2007年被卢煜明团队首次证明并迅速发展成为广泛的临床应用。

1989年,Stroun等发现癌症患者血浆中有一些cfDNA来源于癌细胞。 1991年,Sidransky等发现TP53患者的尿沉渣(urinary sediments)的DNA携带突变,这为基因组分析方法的使用奠定了活检的基础。在1994年,首例报道胰腺癌患者在血浆cfDNA中检测到KRAS基因突变。对于每个患者,在血浆中发现的KRAS突变与患者肿瘤中发现的KRAS突变相同,从而证实血浆中的突变DNA片段是肿瘤来源的, cfDNA中的突变是癌症的高度特异性标志物,这样就形成了术语循环肿瘤DNA”ctDNA)。

2. ctDNA在癌症管理全周期中的作用

 ctDNA在癌症管理全周期中的作用

 

2ctDNA在疾病管理全周期中的作用,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

基于ctDNA等液体活检技术在临床可以应用于:

癌症早筛/诊断:对于症状患者,具备敏感和特异性的癌症检测可能加快诊断和治疗的时间。对于人群水平,ctDNA作为疾病标志物的肿瘤筛查可以在症状明显之前进行干预。

预后,残留疾病和复发风险评估:评估进展风险对于选择治疗至关重要。经治疗后,确定患有复发风险高的患者可用于分层辅助治疗。

治疗选择:新型分子靶向治疗和免疫治疗改进了患者分子分型和治疗分层。目前,肿瘤活组织获得肿瘤诊断的金标准,但不易获得,并且它们受肿瘤异质性干扰,从而导致假阴性结果。

治疗监测:传统的监测方法精度有限,同时存在较高成本和辐射危害。液体活检可以随连续重复监测,对患者的风险较小,同时提供准确的肿瘤相关信息读。

治疗监测:传统的监测方法精度有限,同时存在较高成本和辐射危害。液体活检可以随连续重复监测,对患者的风险较小,同时提供准确的肿瘤相关信息读。

 

3:使用液体活检的自适应或反应性治疗示例,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

连续的液体活检可以鉴定放疗和化疗的反应和进展,临床医生从而可能能够选择治疗特别是靶向相关突变的基因。 这种适应性或反应性监测和治疗可以成为一个循环,并且基于ctDNA的快速分析加快,从几个小时到几个月,对早期动力学进行分析以应对治疗。

3. ctDNA分析技术平台的比较

ctDNA分析技术平台的比较

 4ctDNA分析技术平台的比较,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

 

Single-locus到靶向测序到全基因组测序,成本、周期随覆盖度上升,同时除了测序之外,还包括ddPCR等技术,在实际应用时需平衡考虑。参见上表。

4. ctDNA分析中的注意事项

如下图,在ctDNA分析中,需考虑:

降低背景噪音(如图6,对low-burden disease采取多重突变检测来降低噪音)

近端取样(在肿瘤部位接近的体液或细胞学标本的取样可能会获得较高浓度的ctDNA

ctDNA富集分析

ctDNA富集分析

 

5ctDNA分析中重要事项,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

图5:ctDNA分析中重要事项,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

 

6:多重突变检测降低噪音,图来自Nature Reviews Cancer doi:10.1038/nrc.2017.7

6. 未来发展前景和挑战

从概念到验证的理论研究(Proof-of-concept)为ctDNA临床应用打下坚实基础,证明了ctDNA技术可能是药物开发、肿瘤异质性和克隆进化研究的重要技术手段。

比较明确的是,未来的随机试验将基于ctDNA指导疾病管理和临床决策标准EMA(欧洲药品管理局)就制定了相关试验设计的实践指南。对于ctDNA技术在治疗监测的临床试验正在进行中。在一项试验中,正在监测接受厄洛替尼治疗的NSCLC患者,如果抗血清突变出现在七血浆中,则会额外进行扫描以发现疾病进展的其他迹象。

需要进一步夯实的重点是,更好地了解cfDNActDNA的起源和生物学,将有助于液体活检的实施,特别是对于cfDNA的释放和清除机制,在治疗期间不同时间点的影响。对于ctDNA测量的动力学和重现性的研究将变得越来越重要。

与其他生物标志物的相比,ctDNA具有较强的敏感性和特异性,同时,采用多维度生物标记的研究方法,可以更全面地了解患者的疾病。例如,总cfcDNA浓度与疾病状态和预后有关。 cfDNA的表观遗传学分析可以鉴定癌基因超甲基化、引起cfDNA片段的细胞类型或没怎么发生体细胞突变的肿瘤微环境的信息。

液体活检的临床应用将取决于患者和临床医生,比如基础设施、成本等。组织活检将继续在癌症管理中发挥着关键作用,特别是对于癌症的组织学诊断和分类。未来医院实验室可以在本地分析,但目前CTCctDNA样品由专业实验室处理。

母体血浆DNA的单分子(第三代)测序的可行性首先在2015年得到证实,随后证明可以检测细胞系DNA中的结构变异(SV)。这种技术的在埃博拉病毒流行期间的实地基因组监测得到了很好应用,可复制性很好。目前,这样的平台受到高错误率的限制;与此同时,短序列测序方法中,文库准备方法需要优化。

EMAFDA初步批准了对血浆中突变检测作为伴随诊断[2-4]、以及最近的的ctDNA指导临床试验[5-7],代表了液体活检在个体化肿瘤诊疗中的关键里程碑。接下来,需要进一步探索ctDNA的生物学,改进技术,使癌症无创分子诊断的应用范围越来越广,为基因组研究开辟新途径同时助力可能的临床决策,使患者受益。