“验血查癌”离我们还有多远？

癌症早筛液体活检的梦想和挑战

液体活检，顾名思义是根据人体的各种体液中的生物标志物进行的“活体检查”。传统的组织活检已经有相当久远的历史，但是这种检测手段需要通过切除、钳取、或穿刺等方式，从患者体内取出病变组织。它们不但可能给患者带来痛苦，而且对于很多患者来说，他们因为肿瘤所在位置或者其它原因无法接受组织活检或者无法提供足够的组织样本。因此，通过从血液或其它体液中发现肿瘤的“蛛丝马迹”，是许多研究人员的梦想。因为，大多数癌症，如果发现得早，治愈的机会大幅度提高。
然而，液体活检目前在临床实践中的应用并不广泛，开发具有足够敏感度（sensitivity）和特异性（specificity）的检测手段并不容易。在血液中，源于癌细胞的游离DNA可能只占所有游离DNA的0.1%，甚至更少。发现属于癌细胞的DNA片段无异于大海捞针。如何才能提高捞到针的机会呢？

检测DNA甲基化特征——液体活检的新策略

常见的液体活检策略是检测与癌症相关的基因突变，这种检测对于为患者选择合适的靶向疗法来说非常有意义。例如，发现癌症患者携带EGFR或者ALK基因突变就可以使用靶向EGFR或者ALK的多种靶向疗法。然而，对于癌症早筛来说，检测驱动癌症发生的致癌基因突变可能受到多种因素的限制，其中包括：早期癌症不但释放的DNA片段更少，携带的基因突变也更少；而且包括血液中的白细胞在内的其它健康细胞也可能积累与癌症相关的基因突变，从而让检测源于癌症的信号变得更加困难。

近年来，检查DNA甲基化的变化正在成为液体活检，尤其是癌症早筛的新策略。癌症虽然源于细胞基因上发生的突变，但是从正常细胞向癌细胞的转变需要细胞中多种代谢和生理过程的变化，这意味着癌细胞与正常细胞相比，在多个基因的表达方面有显著差异。对DNA的甲基化是调控基因表达的一种重要方式。
已有研究表明，DNA甲基化的变化是癌症发生是最早出现的基因组变化之一。表现为在基因组的大部分区域出现低甲基化（hypomethylation），而在特定局部位点出现超甲基化（hypermethylation）。超甲基化可以抑制抑癌基因的表达，而低甲基化可以促进基因组不稳定性，从而增加细胞突变的几率。由于DNA甲基化变化发生的位点非常广泛，与驱动癌症的基因突变相比，检测DNA甲基化变化可能大幅度提高液体活检的灵敏度。
在基因组中，通常只携带2-3个基因突变的区域中可能包含丰富的甲基化变化特征。“你可能在基因组的同一区域发现上百甚至上千个甲基化变化。”致力于开发癌症早筛检测的液体活检公司GRAIL的联合创始人兼首席科学官Alex Aravanis博士说。这也是GRAIL公司在去年决定转向通过检查DNA甲基化特征开发癌症早筛液体活检测试的原因之一。

检测DNA甲基化特征的另一个优势在于人体的不同组织或者器官在发育过程中，由于需要启动或者关闭特定的基因，因此基因组中携带着与组织和器官相关的特定甲基化特征。比如，乳腺细胞的甲基化特征与肺组织的甲基化特征有所不同。因此，通过分析DNA甲基化特征还可以找出游离肿瘤DNA的组织来源。

GRAIL公司基于检测DNA甲基化的多癌种液体活检测试已经获得了美国FDA授予的突破性医疗器械认定。在去年ESMO大会上公布的临床试验结果表明，这一检测能够以99.4%的特异性检测出20多种癌症类型的信号，而且能够为97%的测试样本提供癌症组织来源信息，其中89%的组织来源判定是正确的。

结合蛋白生物标志物和DNA片段检测

单单检测源于肿瘤的DNA片段可能受到DNA片段数量稀缺的限制，然而血液中存在的与肿瘤相关的生物标志物并不只有源于肿瘤的DNA。去年成立的癌症早筛公司Thrive Early Detection开发的的多癌种癌症早筛检测采取的策略就是将检测血液中DNA片段上的基因突变与检测血液中癌症相关的蛋白生物标志物相结合。
这家A轮融资达到1.1亿美元的初创公司的液体活检测试名为CancerSEEK，基于约翰霍普金斯大学的癌症研究先驱Bert Vogelstein博士、Kenneth Kinzler博士、和Nickolas Papadopoulos博士的研究。

在2018年发表在Science上的一项回顾性研究中，CancerSEEK能够以超过99%的特异性，和69%-95%的灵敏度发现5种癌症类型。它们是卵巢癌、肝癌、胃癌、胰腺癌和食道癌。这款液体活检也已经获得美国FDA授予的突破性医疗器械认定。

靶向癌细胞和免疫细胞的多组学检测

大多数液体活检检测的生物标志物来源于癌细胞，Freenome公司的癌症早筛策略与众不同的地方在于它不但检测与癌细胞相关的DNA甲基化和蛋白生物标志物的改变，还将目光投向了血液循环中的免疫细胞。在癌症发生的早期，人体中的免疫细胞就对癌细胞产生了免疫反应，这些免疫细胞的变化可以间接表明癌症的发生。

在一项回顾性研究中，Freenome检测源于肿瘤和免疫细胞的无细胞DNA的液体活检在检测1级和2级结直肠癌时达到85%的敏感度和85%的特异性。这一检测还没有综合无细胞DNA以外的其它生物标志物。如果综合其它标志物进行多组学（multi-omic）检测，“我相信我们能够远远超越这一表现。”Freenome公司联合创始人兼首席合作官（chief partnerships officer）Charles Roberts博士说。

癌症早筛液体活检未来的方向

在癌症早筛领域，液体活检正在步入一个令人兴奋的时代。多款液体活检已经进入前瞻性（prospective）临床研究阶段。例如GRAIL公司的STRIVE研究已经注册了接近10万名接受乳房X光造影（mammogram）筛查的女性，将使用液体活检筛查她们患上多种癌症类型的可能。Thrive Early Detection公司开展的DETECT前瞻性早筛研究已经注册了年龄65-75岁之间的1万名健康女性。这项研究的中期数据有望在今年年中公布。
Freenome公司的AI-Emerge研究将比较该公司的多组学液体活检与已经获得FDA批准的Cologuard粪便DNA检测相比，在检测早期结直肠癌患者时的准确性。这项试验的结果有望在今年公布。Guardant Health公司也在去年10月启动名为ECLIPSE的关键性临床研究，检测其综合DNA序列和甲基化特征的液体活检LUNAR-2作为结直肠癌早筛检测的效果。这项前瞻性研究注册了1万名携带平均风险的志愿者。

▲部分癌症液体活检测试（图片来源：参考资料[6]）
这些前瞻性研究的结果，可能决定我们能否看到第一款获批上市的癌症早筛液体活检测试，然而我们还需要等待几年才能看到成熟数据。同时，各家公司仍然在不断优化它们的测试方法，结合大量健康人和癌症患者的数据，优化到底该选择哪种生物信号进行检测，如何解释结果，应该着重开发对哪些癌症类型的筛查。

正在蓬勃发展的液体活检技术，将如何为全球病患造福？当地时间1月14日下午1点，在JPM的中心希尔顿酒店，在药明康德全球论坛上，GRAIL公司的首席执行官Hans Bishop博士将与强生创新（Johnson & Johnson Innovation，JLABS）全球负责人Melinda Richter女士共同展望关于液体活检的未来。

如往年一样，2020年药明康德全球论坛为“邀请注册制”，不收取任何参会费用。我们坚信，唯有全球同仁携手并进，才能铸就生物医药行业的光明未来。此外，无论您能否亲临现场，均可以通过药明康德内容团队的会议报道，了解全球论坛的精华内容。

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下一个十年，我们期待液体活检技术能助力更早地筛查癌症，更好地提供治疗建议，并更有效地监控癌症的发展，为全球病患带来新的突破！

题图来自123RF

参考资料:
[1] Domínguez-Vigil et al., (2018). The dawn of the liquid biopsy in the fight against cancer. Oncotarget, doi: 10.18632/oncotarget.23131.
[2] In a surprise, Hans Bishop takes over as CEO of Grail, the liquid biopsy startup. Retrieved January 5, 2020, from https://www.statnews.com/2019/06/06/hans-bishop-grail/
[3] Behind Grail, Illumina’s billion-dollar diagnostics startup. Retrieved January 5, 2020, from https://medcitynews.com/2017/03/behind-grail-illumina-startup/?rf=1
[4] Utility of circulating tumor DNA in cancer diagnostics with emphasis on early detection. Retrieved January 6, 2020, from https://bmcmedicine.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12916-018-1157-9
[5] Towards precision medicine: advances in 5-hydroxymethylcytosine cancer biomarker discovery in liquid biopsy. Retrieved January 7, 2020, from https://cancercommun.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40880-019-0356-x
[6] Cormac Sheridan. (2019). Investors keep the faith in cancer liquid biopsies. Nature Biotechnology，doi: 10.1038/d41587-019-00022-7
[7] Pantel and Alix-Panabières (2019). Liquid biopsy and minimal residual disease — latest advances and implications for cure. Nature Reviews Clinical Oncology, https://doi.org/10.1038/s41571-019-0187-3
[8] GRAIL Announces Positive Validation Data for its Multi-Cancer Early Detection Test. Retrieved January 7, 2020, from https://grail.com/press-releases/grail-announces-positive-validation-data-for-its-multi-cancer-early-detection-test/

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