Nature：新一代癌症指标--血液肿瘤DNA

如果能够得到充分利用，血液循环中的肿瘤DNA将为癌症治疗带来一场变革。

2012年，英国癌症研究所的Charles Swanton在对肾脏肿瘤进行DNA测序时发现，单个肿瘤中存在着惊人的遗传学多样性，只有三分之一的突变是整体共有的。此外，癌转移形成的二级肿瘤也与原发瘤大相径庭。

这些结果说明，标准程序（tissue biopsy）根本不足以判断癌症的预后情况。而且活检得到的是静态信息，无法准确反映癌症的演化。在这种情况下，ctDNA就成为了科学家们的新希望，它能为人们揭示更多的癌症信息，甚至跟踪癌症的发展。

ctDNA是什么

癌细胞在破裂和死亡时，会释放出循环肿瘤DNA（ctDNA）等内容物，这种ctDNA是飘浮在血液中的基因组片段。细胞残骸一般由清道夫细胞（如巨噬细胞）清除，然而肿瘤很大细胞增殖又很快，导致清道夫细胞应付不过来。

对血液中的肿瘤DNA进行检测和测序，可以帮助人们通过取血得到更全面的癌症信息，告诉医生治疗是否已经起作用，肿瘤有没有演化出抗性。

当然这一技术的应用也面临着一些问题。举例来说，不同人的ctDNA水平差异较大，而且ctDNA并不那么容易检测，特别是在肿瘤的早期阶段。另外，人们还需要在更大型的研究中进行验证，看ctDNA是否给出了足够准确的信息。

如果能够克服上述障碍，医生们将能根据ctDNA进行更好的治疗，随着癌症的演化调整治疗策略，Johns Hopkins大学的Victor Velculescu说。“这种技术可以帮助人们最终实现个性化医疗，为癌症领域带来一场新的变革。”

ctDNA发展简史

1948年科学家们首次发现人体血液中存在着循环DNA，癌症患者的循环DNA则发现于1977年。在那之后又过了17年，人们才发现这些DNA含有癌症的标志性突变，说明它们来自于肿瘤。

最开始，循环DNA的实际应用并不在癌症领域。鉴于肿瘤DNA会流入血液，香港中文大学的卢煜明（Dennis Lo）教授推测胎儿DNA应该也能进入血液。1997年他向人们成功展示，孕妇血液中携带着男性胎儿的Y染色体。这一发现允许医生们在怀孕初期通过无创方式检测胎儿的性别，甚至筛查唐氏综合症等发育疾病。这是产前诊断领域的一次革命。

“癌症研究后来才跟上进度，”英国癌症研究所Nitzan Rosenfeld说。这是因为肿瘤DNA比胎儿DNA更难检测，而且早期的测序技术还不够准确可靠。

近十年来随着技术的进步，DNA检测技术已经足够灵敏。举例来说，BEAMing扩增法可将循环DNA连在磁珠上，然后进行分离和计数。即使健康细胞DNA与ctDNA的比值达到10,000：1，BEAMing扩增法也可以有效检测出ctDNA来。

BEAMing扩增法是Johns Hopkins大学的Bert Vogelstein和Kenneth Kinzler开发的。2007年，他们用这一技术对18名肠癌患者的ctDNA进行了跟踪。手术后这些患者的ctDNA水平下降了99%，其中许多患者的ctDNA并没有完全消失。研究显示，手术后仍检测得到ctDNA的患者，基本上都出现了癌症复发。但手术后没有检测到ctDNA的患者，肠癌并没有复发。

这说明ctDNA能够展现患者对手术的应答情况，告知医生他们是否需要进行化疗。研究者们很快也在其他癌症类型中得到了类似的结果。Rosenfel等人发现，ctDNA能够提供晚期卵巢癌和乳腺癌的准确信息。而Diaz等人在至少75%的晚期肿瘤患者中检测了ctDNA，涉及了多种器官，比如胰腺、膀胱、皮肤、胃、食道、肝脏和头颈。（脑癌除外，因为血脑屏障使肿瘤DNA无法进入血液。）

ctDNA有何优势

循环DNA将比人们几十年来鉴定的蛋白指标更加好用，因为ctDNA检测很少有假阳性。此外，ctDNA半衰期只有不到两小时，而绝大多数蛋白指标能在血液中存在几个星期，可见ctDNA能更清晰的反映肿瘤的当前信息。有研究表明，在检测乳腺癌和肠癌时，ctDNA比蛋白质指标更灵敏，还可以跟踪肿瘤的消失、扩散和复发。

血液中的循环肿瘤细胞也是癌症研究的一大热点。不过，ctDNA比循环肿瘤细胞还要灵敏，数量也更多，更适合成为癌症的生物学指标。

ctDNA的最大优势在于，能够对肿瘤的演化和适应性改变进行监控。这样的研究可以回答许多困扰科学家多年的问题，比如，为何那么多靶向性治疗都以失败告终，癌症是怎样发展出抗性的等等。

EGFR在细胞生长和分裂中起到了重要的作用，在癌细胞中特别活跃。Gefitinib和panitumumab是阻断EGFR的抗癌药物，这些药物起初都能有效治疗患者。但几个月后，癌症就会通过其他基因突变（例如KRAS）对它们产生抗性。

要监控患者的癌症发展，医生们目前得进行多次活检，以决定下一步的治疗策略。然而癌症晚期患者通常有好几个需要检测的肿瘤，单个肿瘤中也可能存在不同的抵抗机制。更重要的是，活检有一定的风险性，难以用于肺部等脆弱的器官。相比之下，血检就容易多了。

2012年，Diaz研究团队对接受EGFR抑制剂治疗的患者进行ctDNA分析。他们发现了42种与癌症抗性有关的KRAS突变，利用这些突变可以比传统方法早五个月发现肿瘤的变化。Rosenfeld团队则收集了六名晚期乳腺癌、肺癌和卵巢癌患者的血样，并且进行了完整的外显子组测序。他们由此揭示了癌症抗性的发展路径，例如癌细胞出现突变，阻止药物与其目标结合。

如果医生们能够及时发现癌症的抗性，就可以早点停用已经不起作用的昂贵药物。研究癌症抗性背后的突变，还有助于开发更有效的癌症疗法或者药物组合。“我们的目标是将癌症从一种致命疾病转变为一种慢性病，” Velculescu说。“当治疗不起作用时，可以换用其他的治疗途径。”

科学家们逐渐发现，肿瘤有着很高的异质性，标准程序（tissue biopsy）根本不足以判断癌症的预后情况。而且活检得到的是静态信息，无法准确反映癌症的演化。在这种情况下，ctDNA就成为了科学家们的新希望，它能为人们揭示更多的癌症信息，甚至跟踪癌症的发展。

理想与现实

潜力巨大，但目前ctDNA还无法成为临床上的主要诊疗手段。这是因为，最灵敏的ctDNA检测（例如BEAMing）需要事先知道想要检测的突变，但获得这样的信息又相当麻烦。外显子组测序不需要预先知道任何信息，但检测罕见突变的需求深度测序，这样做的成本非常高。

斯坦福大学的Maximilian Diehn决定将上述两种方法的优点结合起来。他的研究团队发现，基因组有一小部分（仅0.004%）在肺癌中反复突变。在获得患者血样之后，对这一部分进行深度测序，能够以低廉的成本检测罕见突变。目前，该团队正在尝试将类似技术用于其他类型的癌症，并在临床试验中加以验证。

几乎所有的活检技术，都不能很好的检测早期癌症。ctDNA在一项研究中检测出了所有II级以上的肺癌，但只检测出了一半的I级肿瘤，这多半是因为晚期癌症能释放出更多的DNA。这个问题无意会限制ctDNA在癌症筛查中的应用。

在ctDNA走入临床之前，还有一些其他的问题有待解决。例如，ctDNA是否能真实反映癌症的特征？转移瘤是否和原发瘤释放同样多的DNA？Diaz指出，人们需要在患者死后快速对所有肿瘤取样，将其与患者生前的ctDNA进行比较。“这将是一项艰巨任务，”他说。

ctDNA提供的信息是否真的能够挽救患者生命或者提高他们的生活质量呢？“光监控肿瘤是不够的，”Johns Hopkins大学的肿瘤学家Luis Diaz说。“实际应用才是我们面临的真正挑战。”

目前，癌症的靶向性治疗还远远跟不上科学家们的癌症研究。如何将研究成果转化为医疗进步，这也是ctDNA研究中最现实的一个问题。

ctDNA可能一时半会儿还无法决定癌症的治疗，不过它仍不失为一个宝贵的研究工具。越来越多的医生正在把ctDNA采集列入自己的常规操作中。

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