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多项液体活检最新研究成果瞄准表观遗传及DNA片段分析

发布时间:2018-12-24 02:35阅读次数:

液体活检是通过直接检测CTC、ctDNA、外泌体等来获得癌症患者的基因突变信息。但这项技术也存在一定的局限性,如癌细胞释放的ctDNA多数未发生突变,或者发生了罕见突变难以识别,为检测的准确性和精确性带来了极大的挑战。从近期的研究报道来看,液体活检的部分研究开始集中在通过检测DNA片段大小、表观遗传修饰和其他特征,以探索如何在不识别特定突变的情况下,从血液样本中检测出癌症信息。研究成果表明,多个新方法既可以作为肿瘤DNA突变检测的辅助手段,使癌症检测更加容易和廉价,也有足够的敏感度作为独立的肿瘤检测手段。

基于DNA片段大小识别癌症患者

2018年11月,在发表于Science Translational Medicine的一项研究中,英国癌症研究所(CRUK)和剑桥大学科学家领导的研究团队描述了一种新开发的DNA检测方法,该方法能够依据血液中DNA片段的大小富集ctDNA进行分析,区分癌症是否存在。

此前研究表明,孕妇血液中可检测到胎儿较短的cfDNA片段。受此启发,该研究小组采用全基因组测序方法,对癌症患者血浆的ctDNA片段大小进行检测分析,以确定肿瘤与正常DNA的阈值。研究发现,cfDNA片段化不是随机的,而是与循环细胞释放DNA的方式有关。与血浆中的背景DNA片段相比,ctDNA分子的尺寸较小(图1C)。因此,人们可通过鉴别片段大小增强检测信号。

图1. 泛癌症规模下,利用全基因组测序进行DNA片段化研究

该检测方法能选择性检测90~150bp的DNA片段(图1D),浓缩最有可能来自肿瘤的DNA,排除非肿瘤来源片段,提高癌症患者ctDNA的检测水平。使用该方法后,检测到的癌症突变数量平均增加了53%。但该方法要在合适的条件下进行,如,在拷贝数很低的特定突变研究中,任何操作都有可能导致样本损失,并可能降低灵敏度。目前,他们正努力将该方法整合到更广泛的分析技术中,以提高ctDNA的检测灵敏度。

除了改进突变检测方法外,该研究团队还发现,全基因组片段可以单独用于检测癌症是否存在。利用机器学习创建基于片段大小的分类框架,以区分癌症和健康个体。该研究创建的一个模型可根据ctDNA的水平,对65%~94%癌症患者的样本进行正确分类。目前该方法尚未在早期癌症样本中进行检测。

快速、低成本的DNA甲基化检测方法

澳大利亚昆士兰大学的研究人员开发了一种用于表征全基因组甲基化的检测方法,希望甲基化可以作为一种通用的癌症生物标志物。12月4日,该研究成果发表在Nature Communications

图2. 金电极DNA吸附的电化学定量方法研究

DNA甲基化可导致癌症基因组和正常基因组之间DNA溶解和金亲和力方面的差异。在该研究中,研究人员利用这些生物学差异创建了简单的电化学一步分析法。该方法可在10分钟内完成样本分析,样本需求量小,是一种低成本、低样本量的肿瘤检测新方法。

目前,该研究团队已经对来自不同癌症类型的200个样本及健康对照进行检测,准确率高达90%。研究人员表示,该电化学分析方法已经申请了知识产权保护,目前正在寻找适当的样本,测试其发现早期癌症的能力。研究团队计划将该方法与其他互补方法结合,如检测点突变或其他生物标记物等,以弥补技术的局限性。

其他新检测方法

同时,也有其他研究团队关注全基因组甲基化或DNA片段大小研究。今年10月份,香港中文大学卢煜明教授在PNAS上报告了一种通过分析循环DNA片段的末端坐标来检测癌症的方法。卢煜明教授表示,CRUK的研究与其团队此前的研究路线一致。CRUK的研究成果提供了新证据,证明分析DNA片段大小在多种癌症类型的大样本队列研究中是有效的。

图3. 鉴定cfDNA末端特征的原理示意图

除了最近的PNAS研究外,卢煜明教授研究团队还将DNA片段大小和计数结合起来,开发了一种鼻咽癌检测方法。该方法依赖于对EB病毒DNA的检测,EB病毒DNA像ctDNA一样呈现较小的片段。

此外,来自华盛顿大学的研究人员也表示,他们可以基于核小体定位的推断来确定循环DNA的来源。虽然该团队未特别关注DNA分子的大小,但该方法经过Bellwether Bio商业拆分开发,也依赖于对血液中DNA分子片段化模式的分析。也有多个其他研究团队证明,他们可以通过甲基化模式来区分肿瘤和正常DNA,包括研究全基因组共甲基化、单倍型以及其他模式的方法。

结 语

虽然有众多的新检测技术被不断开发出来,但仍有一个问题悬而未决:这些检测方法是否真的在检测独特的癌症信号?还是仅对相同表观遗传或结构特征的不同读数?对于该疑问,奥地利格拉茨医科大学的Ellen Heitzer和Michael Speicher在针对CRUK团队研究的评论中作出了回应。他们强调,我们需要更深入地了解表观遗传机制对不同细胞来源DNA片段大小差异的影响。

从已有研究来看,不管新检测方法的具体目标是什么,通常那些不依赖于基因突变的检测方法都具有明显的优势。此前基于ctDNA的方法专注于检测突变或拷贝数变异,这很好地适应了精确医学的市场对ctDNA检测的主要需求。但事实上,癌细胞释放的绝大多数ctDNA是非突变的,而且在癌症早期检测罕见突变比较困难。因此,考虑开发利用ctDNA多种信息特征的检测方法非常有必要

希望随着液体活检技术的逐步完善,简单快速、低廉准确的无创检测技术能够早日惠及癌症患者,为生命科学和医疗事业的进步作出贡献。

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