►约翰·霍普金斯大学的研究团队最近研发了一种早期肿瘤筛查方法，可以同时检测出8种肿瘤。Credit: Elizabeth Cook与Kaitlin Lindsay制图。
撰文 | 王承志
责编 | 陈晓雪
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肿瘤是目前对人类威胁最大的疾病之一。如果不发生转移，大部分实体肿瘤可以通过手术切除完全治愈。一旦肿瘤发生转移，仅靠手术通常无济于事。
实际上，很多成人的肿瘤从初期病变发展到晚期要经历长达20-30年的时间。如何在早期检测到肿瘤，特别是在影像学能检测到肿瘤之前发现病变，是医学界的一个重要的研究方向。
目前唯一广泛使用的肿瘤早期筛查技术是前列腺癌特异抗原（PSA，一种激肽酶家族蛋白，正常人血浆中含量极低，常用于作为前列腺癌患者的生物标志物），然而这种检测技术的特异性还存在较大争议。目前临床常用的其它肿瘤早筛项目通常是侵入性或放射性的，例如结肠镜和乳腺X线检查。而无创检查如血检的高假阳性率使得很多健康人得到“阳性”结果而承受巨大的心理压力和焦虑。
近年来，基于基因测序的血检（也就是通常所说的“液体活检”，是一种非侵入式的血液测试）给肿瘤早筛带来了新的希望，因为这种方法通常检测“驱动”基因的突变（导致肿瘤的关键突变），而这些突变通常只发生于异常增殖的细胞。
液体活检兼具无创和特异性高的优点，但是，目前也面临几个重大的挑战：
1. 对于早期肿瘤检测灵敏度还不够。早期肿瘤每毫升血清含有的致病突变常少于1个拷贝，这低于目前液体活检检测范围的下限[1, 2]。
2. 液体活检迄今为止还没有大规模的健康对照人群实验，而这对特异性的评估很关键 [3]。
3. 液体活检无法分辨出致病突变的来源。在影像学不能检出的早期阶段，确定肿瘤来源是非常重要的。
针对液体活检灵敏度较低的问题，约翰·霍普金斯大学医学院Bert Vogelstein和Anne Marie Lennon研究组去年开发了联合使用ctDNA KRAS基因检测和四种蛋白生物标志物的方法，将早期胰腺癌的检出率提升到接近2/3 ，这种方法的灵敏度超过了以往任何单个指标[2]。
最近，这两个研究组和约翰·霍普金斯大学的其它三个研究组（Cristian Tomasetti，Kenneth W. Kinzler 和 Nickolas Papadopoulos研究组）一起拓展了这种方法：联合应用液体活检和蛋白肿瘤标志物检测，可以一次检测8种不同的早期肿瘤 [4]。1月19日的《科学》（Science）在线发表了这一最新研究成果。
这项研究的第一个难点是，需要设计一个能够覆盖大多数肿瘤常见驱动突变的基因位点集合（Panel）用于扩增（PCR）。首先，这个集合需要足够多的位点来覆盖多种肿瘤，但是当位点增多时也会增加扩增等操作引起的人为突变，从而降低信噪比。其次，检测位点增多时会在相同数据量情况下降低测序深度，而低频突变需要足够的深度才能被检测到。最后，作为一项需要用于临床的技术，成本也是必须考虑的因素，过多的检测位点将增加患者的负担。因此，需要平衡检测的广度和深度，找到合适的基因位点集合。
研究人员使用已公开发表的数据进行模拟分析，发现当扩增位点超过60个时，继续增加扩增位点不能扩大所检测的肿瘤范围，并且会增加假阳性率（图1）。基于此，研究人员设计了一个包含61个扩增位点的集合，并对805位肿瘤病人使用了这个集合进行了检测，发现了在82%的病人中可以检测到至少一个突变位点。
►图1：肿瘤特异突变扩增的测试。图片来源：Cohen JD et al., Science (2018)
之前的研究显示，联合使用血浆蛋白肿瘤标志物可以提高ctDNA的检测效率。研究人员通过文献搜索，筛选了已知的敏感性大于10%，特异性大于99%的41种肿瘤标志物。通过对肿瘤病人和健康对照人群的血浆的实际测试，研究人员最终筛选出8种能够很好地区分肿瘤病人和健康人群的标志物。值得一提的是，在这项测试中，研究人员选择了免疫检测（即使用标志物特异的抗体）而非昂贵的质谱检测，充分保证了临床可行性。
研究人员将这种结合ctDNA和肿瘤标志物的检测方法称为CancerSEEK，并用这种方法对1005位已经诊断出I期和II期的肿瘤病人（I期和II期属于早期）进行了测试，这些病人包括了最常见的8种肿瘤：卵巢癌，肝癌，胃癌，胰腺癌，食道癌，肠癌，肺癌和乳腺癌。
实验显示CancerSEEK对8种肿瘤检测灵敏度的中位数达到了70%，其中对卵巢癌的灵敏度超过了98%。即使在如此高的灵敏度条件下，总体特异性也超过99%。特别值得注意的是，CancerSEEK对早期肿瘤具有很高的灵敏度，对实验样本的统计中最早期的I期肝癌甚至达到了惊人的100%。
液体活检目前还无法检测肿瘤来源，限制了其应用范围。研究人员利用CancerSEEK的临床测试的结果，采用了一种有监督的机器学习算法，将CancerSEEK结果与病人临床检测的结果匹配。结果显示，算法经过学习，即使在没有任何临床信息的情况下，也能对肿瘤来源做出预测。在有两个候选器官时，准确率的中位数达到了83%，其中对肠癌和卵巢癌的准确率分别达到100%和92%。在定位到单个器官时，总准确预测的中位数也达到了63%。
►图2：机器学习对肿瘤来源的预测。来源：Cohen JD et al., Science (2018)
研究人员称，这种检测的单次总成本不超过500美元。通过一次检查，可以检测至少8种早期肿瘤，并且大多数情况下可以追述肿瘤来源。如果在接下来的临床实验中可以取得同等或更优的效果，这种检测方法可能修改目前早期肿瘤检测的范式，并将液体活检的应用推广到新的高度。
不过，一些研究液体活检的科学家认为，使用这一通用的验血方法是否能够减少癌症患者的死亡而不会造成伤害，还需要时间去发现。在《科学》的新闻报道中，剑桥大学的癌症研究员Nitzan Rosenfeld评论说，这是一个令人激动的进展，“但在现实世界的评估将是一个漫长的过程”[5]。
参考文献：1. Bettegowda C, Sausen M, Leary RJ, et al.:Detection of circulating tumor DNA in early- and late-stage human malignancies.Sci Transl Med 6: 224ra224, 2014.
2. Cohen JD, Javed AA, Thoburn C, et al.: Combined circulating tumor DNAand protein biomarker-based liquid biopsy for the earlier detection ofpancreatic cancers. Proc Natl Acad Sci US A 114: 10202-10207, 2017.
3. Cree IA, Uttley L, Buckley Woods H, et al.: The evidence base forcirculating tumour DNA blood-based biomarkers for the early detection ofcancer: a systematic mapping review. BMCCancer 17: 697, 2017.
4. Cohen JD, Li L, Wang Y et al.: Detection and localization of surgically resectable cancerswith a multi-analyte blood test. Science aar3247, 2018.
http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aar3247
5. Kaiser J.: ‘Liquid biopsy’ for cancer promises early detection. Science 359:6373, 2018.
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