寻找血液中的蛛丝马迹

2019年03月09日 来源:

2012年,Charles Swanton被迫面对一种癌症的“肮脏”把戏。当时,他与同事在英国癌症研究中心伦敦研究所测序从少量肾脏肿瘤中提取的DNA,以期找到一些不同的变异,但是单一肿瘤的遗传多样性的宽度让他们十分震惊。一端的细胞就与另一端的细胞存在差别,只有1/3的突变遍及整块肿瘤。扩散到其他部位的继发性肿瘤又出现了不同。

这些结论证明,癌症的标准筛查过程(组织活检)是严重不足的,这就像通过调查单一街道来预测一个国家的运转状况一样。组织活检可能错失几公分之外能够从根本上改变一个人生存几率的突变。尽管,组织活检能够提供特定突变的数据,这也许会让肿瘤易受靶向治疗的攻击,但这些信息是静态的,并且随着肿瘤的演变也可能变成不准确的。

最终,Swanton研究小组公布了一种看上去难以逾越的多样性。“诚实地说,我还是很郁闷。如果我们进行了更高分辨率的试验,这些复杂性将更严重。”

不过,研究人员发现了获得患者癌症更多视角的方法,并甚至开始追踪它。在癌细胞破碎和死亡后,它们会释放出包含的内容,包括循环的肿瘤DNA(ctDNA):在血流中自由浮动的基因碎片。剥离自正常细胞的碎片会被巨噬细胞等“清洁细胞”洗掉或毁掉,但由于肿瘤过大,并且它们的细胞繁殖过快,因此清理者无法将它们完全处理掉。

通过发展和改善针对血流中肿瘤DNA的测量和测序技术,科学家正把血瓶变为“液体活检”。随着时间的推移,此类血液样本将告诉临床医生治疗是否会起作用以及肿瘤是否会进化出抗性。

一直以来都存在这样的可能性。不同人的ctDNA水平变化很大,并难以预测,尤其是在肿瘤的初期阶段。而且,到目前为止,大部分研究只针对少量或几十位患者以及几种类型的癌症。尽管这些结论是有前途的,但在弄清ctDNA能否真正提供精确判断——更重要的是它能否拯救或改善患者生命之前,还需要更大型的研究。“只监控肿瘤是远远不够的。”美国约翰斯·霍普金斯大学肿瘤学家Luis Diaz说,“我们面临的挑战是找到真正实用的方法。”

约翰斯·霍普金斯大学遗传肿瘤学家Victor Velculescu指出,如果研究人员清楚这些障碍,液体活检将帮助临床医生更好地选择疗法和调整决策。此外,相关研究将提供新的治疗靶点。“这将有助于实现个体化治疗。它将是游戏规则改变者。”Velculescu说。

延迟动作

1948年,科学家第一次报告了人体血液中存在DNA循环;1977年,明确提出癌症患者血液中的DNA循环。人们又花费17年时间指出,这些DNA出现了与癌症有关的突变。

但循环DNA的首次实际使用来自另一个领域。目前就职于中国香港中文大学的化学病理学家Dennis Lo推断,如果肿瘤涌出携带DNA的血液,胎儿也能如此。1997年,他成功论证了怀有男婴的孕妇血液中会携带Y染色体。

这一发现使得医生可以在孕期初期不干扰胎儿的前提下检查胎儿性别,并能不依靠侵入性试验筛查唐氏综合征等发育性疾病。这也成为妇产诊断学领域的革命性成果。

“对癌症的理解十分缓慢。”英国癌症研究中心剑桥研究所基因学家Nitzan Rosenfeld说。部分原因是肿瘤DNA比胎儿DNA更难探测。它在血液中的含量非常少且极为多变。对患有晚期癌症的患者而言,肿瘤可能是血流中循环DNA的主要来源,但一般而言,ctDNA仅占总数的1%,甚至少到0.01%。早期测序技术还无法探测到它。

但过去10年间科学家发展出了更灵敏的技术,能在片刻间探测和量化DNA数量。例如,即使ctDNA与健康细胞DNA的比例为1/10000, 一个名为BEAMing的技术也能将其检测出来。

该技术由约翰斯·霍普金斯大学遗传肿瘤学家Bert Vogelstein和Kenneth Kinzler所开发。2007年,他们利用该技术追踪了18位接受治疗的肠癌患者。手术后,患者ctDNA水平下降了99%,

但在许多病例中,该信号没有完全消失。首次术后访问发现,ctDNA的患者除一人外都出现肿瘤复发。而术后无法探测到ctDNA水平的患者没有出现复发。

更好的生物标识

循环DNA可能比蛋白质生物标识表现得更好。蛋白质被用于临床疾病诊断,并对正在接受治疗的患者进行监控。例如,前列腺特异性抗原是前列腺肿瘤的生物标识,但它却会出现假阳性结果,因为出于其他原因,这种抗原在血液中的含量也会升高。

但ctDNA出现假阳性的几率更低,因为它是由具有癌细胞印记的突变和其他遗传变化定义的。尽管大多数蛋白质生物标识能在血液中存在数周,而ctDNA的半衰期不到两个小时,因此,后者呈现的是肿瘤目前的情况。剑桥团队与约翰斯·霍普金斯团队分别发现,在监测乳癌和肠癌时,与蛋白质生物标识相比,ctDNA更加敏感,并且在追踪肿瘤消失、扩散和复发时,ctDNA也更准确。

另外,这两个小组还发现,ctDNA比循环肿瘤细胞更敏感,完整的肿瘤细胞也会在血流中移动。在实验中,Diaz研究小组发现,当两者都存在时,ctDNA碎片在数量上要超过循环肿瘤细胞(50:1)。

而让科学家最为兴奋的是能够随时观察肿瘤发展和改变,Diaz指出:“它能帮助我们回答之前没有人能回答的肿瘤学问题。”

例如,为何一些靶向治疗最终失败?易瑞沙和帕尼单抗是能阻断表皮生长因子受体(EGFR)的药物。EGFR与细胞生长和分裂有关,在一些肿瘤中会过度表达。服用这些药物的人感觉良好,但这是暂时的。数月后,他们的肿瘤便发展出抗性,这通常依靠KRAS等其他基因的变化。

检测抗性能让医生避免患者服用有毒、昂贵且没有效用的药物。而且,通过识别抗性背后的突变,研究人员能发现有效的替代选择和药物组合。“希望我们能将癌症从致命性疾病变为慢性病。”Velculescu说。

临床注意

尽管存在希望,ctDNA在临床上还未准备好成为主角。首先,最敏感的ctDNA探测技术依靠的是寻找对那些突变的认知。这些认知可能来自于活体检查、测序突变、设计患者个性化分子探针、使用这些探针分析血样。替代选择是使用外显子组测序。这要求之前对肿瘤没有认知,但是以探测稀有突变片段所需要的深度来测序和分析每个样本,则成本过高。

斯坦福大学放射肿瘤学家Maximilian Diehn正试图将两者的优点结合到一起。他的研究小组鉴别出小部分基因(仅0.004%),它们在肺癌中出现反复突变。Diehn表示,由于几乎所有的肺癌患者在这些区域都有至少1种突变,因此相关技术可能适用于每个人。该研究小组正在为其他癌症开发类似的突变面板,并将在临床试验中进行证实。

与所有的ctDNA活体监测技术一样,Diehn的方法无法监测初期癌症。在一个小型研究中,它检测出了所有II期或更晚的肺癌,但I期肿瘤只检测出一半。这个可以理解——晚期肿瘤会释放更多DNA,但这限制了ctDNA作为癌症筛查工具的潜力。

Diehn表示,更灵敏的技术可能会克服这一问题。但Diaz并不同意:“限制因素是生物学上的,循环中确实没有这么多片段。”另外,还存在其他未知因素。ctDNA是否描绘了真实的癌症景象?扩散到其他器官的肿瘤是否会释放与原始肿瘤同样多的ctDNA?所有的肿瘤细胞是否都释放同样多的ctDNA?

不过,即便ctDNA无法影响结局,科学家表示,它也是一个无价的研究工具,并且临床医生可以常规地对其进行收集。正如Rosenfeld所说的,知道这些信息要比不知道好。当前,他说,“我们正在黑暗中摸索。但如果有个工具能让你看到发生了什么,那你为什么不这样做?”(中国科学报 作者:张章)

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