Trends in Cancer：DNA甲基化在癌癥早期檢測中的診斷能力

基于DNA甲基化的表觀遺傳學(xué)特征已經(jīng)成為具有價值的癌癥生物標志物。 該文重點介紹了基于液體活檢的DNA甲基化譜圖對早期癌癥進行非侵入性診斷的優(yōu)勢，并討論了以商業(yè)和學(xué)術(shù)合作開發(fā)的高級分析方法。

早期對癌癥診斷，增加了有效治療和適當監(jiān)測疾病的機會。 對于許多類型的實體惡性腫瘤，通常要等到原發(fā)腫瘤轉(zhuǎn)移后才會出現(xiàn)癥狀。 因此，在開發(fā)可靠，無創(chuàng)且具有成本效益的常見癌癥早期檢測方法方面，人們付出了很多努力。隨著人們對腫瘤所發(fā)生的分子機制的認識不斷提高，以及新分子技術(shù)的迅速發(fā)展，通過液體活檢及體液中的腫瘤衍生分子，極大地擴展了早期非侵入性癌癥檢測的范圍。從血液（血漿/血清），尿液，支氣管肺灌洗液，乳腺抽吸液，唾液或痰等各種生物體液中分離出來的cfDNA（Circulating cell-free DNA）受到了廣泛關(guān)注。特別是ctDNA（circulating tumor DNA），即來自腫瘤細胞的cfDNA的一部分，可用于早期診斷以檢測癌癥。在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中，ctDNA從凋亡或壞死的腫瘤細胞中釋放出來，或通過活細胞主動分泌釋放出來，可為檢測提供有關(guān)原發(fā)性和繼發(fā)性腫瘤的基因組組成的信息[1]。

遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)的改變都參與了癌癥的發(fā)生與發(fā)展[2]，通過液體活檢檢測基因組和表觀遺傳的改變正在從概念逐漸在臨床上得以現(xiàn)實。目前檢測ctDNA的方法通常是基于對cfDNA中的體細胞突變進行測序，這對于監(jiān)測具有可操作突變的腫瘤細胞克隆是非常有價值的。然而，由于復(fù)發(fā)突變的數(shù)量有限，這些方法在早期癌癥患者中的診斷敏感性可能較低[3,4]。腫瘤組織的克隆性和異質(zhì)性同樣降低了檢測cfDNA中特定體細胞單核苷酸突變的敏感性，從而稀釋了在循環(huán)中可檢測的信號。而這通常需要極高的檢測敏感度，好比大海撈針。相比之下，DNA甲基化的分子約束并不那么嚴格，并且甲基化檢測具有更好的早期癌癥檢測能力，具體優(yōu)勢如下：（i）表觀遺傳學(xué)的改變，例如異常的DNA甲基化，通常發(fā)生在腫瘤早期，并具有組織和癌癥類型特異性[2,5,6]； （ii）DNA甲基化模式遍布整個腫瘤組織和相同的腫瘤類型，而體細胞突變通常僅限于腫瘤細胞的亞群/克隆。 （iii）DNA甲基化在較大的基因組區(qū)域內(nèi)是一致的，因此可以使用多個CpG二核苷酸進行檢測[6,7]。

cfDNA可以容易地從血液或其他體液中的捕獲，并用以研究感興趣的基因的DNA甲基化的水平（見圖1）。目前，表觀遺傳特征可以通過各種技術(shù)進行鑒定，包括通過使用限制酶、使用基于親和力的方法、或者通過亞硫酸氫鹽轉(zhuǎn)化來富集甲基化或未甲基化的片段，從而可以區(qū)分甲基化和未甲基化的胞嘧啶。迄今為止，研究最廣泛的表觀遺傳改變是CpG二核苷酸處的5mc，其高度集中在基因啟動子區(qū)域內(nèi)的CpG島中，癌細胞中的啟動子高甲基化與抑制腫瘤基因的沉默有關(guān)，并導(dǎo)致之后腫瘤的發(fā)生[5,6]。每種DNA甲基化分析技術(shù)都有其自身的優(yōu)勢和局限性，但是在這一快速發(fā)展的領(lǐng)域中，技術(shù)的進步使得對位點特異性DNA甲基化的敏感性和特異性評估變得越來越精準。目前基于對多種癌癥類型的多種腫瘤基因的研究，已經(jīng)揭示了可用于早篩和預(yù)后診斷的DNA甲基化模式[7-9]。基于一些cfDNA甲基化的表觀遺傳生物標記，例如結(jié)腸直腸癌中的VIM和SEPT9 、 肺癌中的 PTGER4 / SHOX2、前列腺癌中 GSTP1和GSTP1皆已在臨床上得以應(yīng)用，并且已生產(chǎn)出商業(yè)檢測試劑盒（表1）。

最近，更為先進的全基因組捕獲技術(shù)已應(yīng)用于檢測異常的DNA甲基化位點，以便從不同的腫瘤類型中鑒定出更全面的甲基化譜[4,10,11]?；谶@些DNA甲基化圖譜創(chuàng)建的分類器，可通過液體活檢的手段成為無創(chuàng)且特異性地癌癥早篩技術(shù)[7,11,12]，目前正在開發(fā)的早篩產(chǎn)品在癌癥檢測中已經(jīng)體現(xiàn)了很高的臨床應(yīng)用價值。多家公司已經(jīng)開發(fā)了專有的技術(shù)平臺，可促進快速、準確地檢測ctDNA上各種基因組改變。合作共贏是實現(xiàn)表觀遺傳學(xué)在臨床中應(yīng)用潛力的關(guān)鍵。學(xué)術(shù)專家為這些合作帶來了獨特而寶貴的見解，而商業(yè)合作伙伴可以提供必要的投資來打包和轉(zhuǎn)化這些新技術(shù)。多家公司現(xiàn)在已經(jīng)利用大量的組織和液體活檢樣品在癌癥基因信息最豐富的區(qū)域中鑒定并驗證了表觀遺傳標記，并且通過機器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)了能夠檢測癌癥類型并對腫瘤組織溯源的檢測方法[4,10,11,13]。目前在表觀遺傳技術(shù)深耕探索，并在非侵入性診斷中的處于世界前列的公司包括：EpiGene，Epigenomics，Exact Sciences，F(xiàn)reenomeiv，Genomictreev，GRAILvi，Guadant Healthvii，Advanced Medicine（LAM），和MDxHealthix等（表1）。癌癥特異性表觀遺傳標志物也可以闡明腫瘤發(fā)生的獨特分子機制，因此或許可以作為新的治療手段、輔助療法或技術(shù)在個性化醫(yī)療中起到支持作用。

結(jié)束語和展望

基于cfDNA和ctDNA的甲基化分析為各種癌癥的早篩提供了新途徑，并且由于其敏感性，特異性和易分析性，DNA甲基化標記物在常規(guī)臨床癌癥篩查中具有巨大潛力。盡管cfDNA甲基化已經(jīng)成功地證明了其單獨用于癌癥檢測和監(jiān)測的可行性，但將cfDNA突變標記與經(jīng)典的生化癌癥標記和/或成像技術(shù)相結(jié)合[14,15]可能才是液體活檢的有效檢測標準。基于表觀遺傳技術(shù)對癌癥或其他復(fù)雜疾病的早期診斷，已經(jīng)極大地提高了人們的生活質(zhì)量，這種技術(shù)能夠及早發(fā)現(xiàn)疾病，并在患者仍然健康，以及條件利于治療時，為臨床干預(yù)取得更大的成功機會。結(jié)合其他體細胞和遺傳標志物，表觀遺傳標記物的高度特異性，1）可有效提高個性化疾病管理；2）可以監(jiān)控治療反應(yīng)并更精確地調(diào)整藥物治療，從而有機會優(yōu)化治療方案并減少不良反應(yīng)。此外，表觀遺傳療法已顯示出有效治療血液和實體癌的潛力，其與免疫療法相的結(jié)合可能極大地有益于癌癥治療[16]。

隨著我們對表觀基因組及其可改變性（尤其是對干預(yù)的反應(yīng)）的理解不斷地加深和發(fā)展，其在臨床中的創(chuàng)新和應(yīng)用機會正在廣泛展開。未來，這些技術(shù)的進步會更加有助于我們打造一套長期管理人類整體健康的方法；可以持續(xù)監(jiān)控流行病，并適當調(diào)整生活方式，或?qū)嵤┰缙谂R床干預(yù)措施，從而避免癌癥等重大健康問題。

圖1.ctDNA的起源以及液體活檢中所常見的基因組改變。如圖所示，外周血是液體活檢的最常見來源（也可以使用其他體液）。凋亡或壞死性腫瘤細胞釋放的ctDNA可以從一次簡單的抽血中分離出來，并且可以通過分析ctDNA以鑒定在腫瘤中觀察到的多種常見的DNA改變，包括突變，拷貝數(shù)變異，基因融合和DNA甲基化改變。如底部所示，已開發(fā)的ctDNA甲基化檢測方法包括：dPCR, digital PCR; Infinium, Infinium Human Methylation BeadChips; MBD, methyl-CpG-binding domain; MC-seq, methyl-capture sequencing; MeDIP, methylated DNA immunoprecipitation; MIRA-seq, methylated-CpG island recovery assay combined with sequencing; Pyro-seq, pyrosequencing; qMSP, quantitative methylation-specific PCR; RRBS, reduced-representation bisulfite-sequencing; SMART, single molecule, real-time sequencing; WGBS, whole-genome bisulfite sequencing。

表一：部分非侵入性癌癥DNA甲基化檢測

參考文獻：Trends in Cancer