从血液中捕获变异数据

　　简介

　　在2000多年前的罗马和希腊，当一个人患上癌症，医生会检查他们的体液，包括血液。彼时检查的重点是看看体液是否过量或不足。当时，医学是非常个性化的，据说每位患者都有其独特的体液组成。今天的医学研究，特别是癌症研究，似乎又回到了这些起点。至少，Hector Alvarez博士这样的科学家是这样认为的。Alvarez博士是负责MD Anderson癌症中心胰腺癌研究中心液体活检平台的内科医学家。他正在探索侵入性较小的创新方法来诊断和监控胰腺癌。

　　据世界癌症研究基金会统计，胰腺癌在全球最常见癌症中位列第12位， 2012年全世界诊断出30多万个新增病例 1。在过去几十年，只有少数几种癌症的生存率没有得到改善，胰腺癌便是其中之一 2。死亡率持续居高不下，可能是因为无法在最早期的阶段有效检测到疾病的缘故 2。

　　Alvarez博士正在开发用于液体活检的实验室方案、设备和软件，以便从血液或其他体液中找到早期的生物标志物。利用新一代测序(NGS)和HiSeq 2500系统，他和他的团队正在对胰腺癌患者的血液样本进行深度分析，以分辨出与疾病及其进展相关的不易察觉的肿瘤事件。他的重点是找到有助于胰腺癌诊断的生物标志物。

　　血液中的信息

　　一直以来，大多数癌症是在组织活检后才得以确诊的。首先，医生从可疑的病变或肿块上切下一小块组织。然后，病理学家更加仔细地观察组织中的细胞，以确定它们是否癌变。若有问题的器官在腹部，比如胰腺，那么这样的操作就需要图像引导的细针穿刺活检，其风险在于错过肿瘤中其他部位的重要组织异常 3。

　　“胰腺肿瘤的位置很难到达，因此很难取样组织，”Alvarez博士说。“这意味着我们往往无法获得重要信息来帮助治疗和改善生存率。当肿瘤到达可以取样的位置，且由活检证实了癌症时，大约只有20%的患者适合手术。通常来说已经太晚了，肿瘤发展得太大，患者已经不适合手术了。”

　　这使得许多临床医生呼唤液体活检 —— 其中一管血就可以提供所有必要的临床信息，让医生做出可靠的诊断和确定靶向干预措施。液体活检依赖于在血液或其他体液中循环的肿瘤的遗传信息。

　　“当肿瘤细胞死亡时，其细胞和周围组织将DNA内含物释放到循环系统中，”Alvarez博士说。“这种DNA的遗传改变也许能帮助医生了解肿瘤内发生的情况，或者它是否从原发性肿瘤部位转移或扩散到身体的其他部位。”

　　2016年6月，一项覆盖15,000多名癌症受试者的大规模研究成果在2016年美国临床肿瘤学会(ASCO)年会上展示。它发现Guardant360 —— 一种可检测70种不同突变的液体活检 4 —— 是准确的，也许能可靠替代传统的活检方法。

　　Alvarez博士对此结果并不感到惊讶，但他认为需要更多的研究，才能创建一个医生可信赖的真正临床级别的检测。“在MD Anderson癌症中心，我们致力于开发一个对医生具有综合意义的平台，”Alvarez博士说。“我们正在开发一种周转时间较短的临床级别检测，。我们的工作表明，通过胞外囊泡释放的遗传物质有望提供这类信息。” 5

　　NGS，可行的情报和外泌体

　　三年前，科学家还处于证明液体活检可行的早期研究阶段。今天，Alvarez博士强调，“我们所做的不仅仅是基础研究。我们正尝试寻找正确的检测方案，它们不仅能带来准确、与临床相关的结果，还能支持医生决定需要什么样的治疗。”

　　Hector Alvarez博士是一名医学家，他领导了德克萨斯州休斯顿MD Anderson癌症中心下胰腺癌研究中心的液体活检平台。

　　他相信，这些信息可以从特殊的胞外囊泡释放的DNA中获得，这些囊泡被称为外泌体(exosomes)，而来自其他细胞区室的遗传信息可能也有助于了解肿瘤的发展和转移。“目前有50多种胞外囊泡，最为人熟知的是凋亡小体。此外还有较小的微囊泡和更小的外泌体，”他解释说，“我们是第一批证明外泌体中存在足量的双链DNA的团队，可以通过高分辨率的肿瘤图谱分析来鉴定它们。” 5

　　他和同事研究了2名胰腺癌受试者和1名壶腹部癌受试者的脱落外泌体 5。他们利用HiSeq 2500系统来开展exoDNA和exoRNA的全基因组、全外显子组和转录组测序。他们发现，肿瘤DNA在脱落的外泌体中稳定存在，表明基于外泌体的液体活检很可能具有临床诊断以及治疗监控的潜力。虽然Alvarez博士最早证明了基于外泌体的液体活检是可行和有效，他表示可能还有更重要的遗传信息需要发现。

　　“我们是第一批证明外泌体中存在足量双链DNA，并可以通过高分辨率肿瘤图谱分析来鉴定它们的团队。”

　　“所有的胞外囊泡也许都很重要，”Alvarez博士说。“第一，我们认为不同的囊泡是异质性的，可能在疾病进展的过程中发生改变。它们有不同的生物标志物，来自不同的区室，这些可能反映了不同的生物学状态。第二，不仅仅是肿瘤细胞能产生颗粒或胞外囊泡。囊泡DNA的变化可能反映了身体其他部位的情况，也许癌症刚开始发生，肿瘤还很小，在常规成像中还不明显。

　　在未来，他相信这些结果可以辅助诊断那些不适合常规手术活检的癌症患者。Alvarez博士补充说：“对这些患者而言，非侵入性诊断程序的任何进步都是一种好消息。”

　　他在MD Anderson的液体活检团队也同样关注查找游离DNA中的标志物，特别当其涉及到治疗反应时。游离DNA中的不同变异和突变可能提供遗传数据，说明特定的干预或治疗是否有效。

　　“我们利用HiSeq 2500系统来开展全基因组、全外显子组和RNA-Seq研究，以鉴定可能存在的各种生物标志物。”

　　“当细胞死亡，核DNA变得片段化，并分解成小片段的双链DNA，释放到循环系统中，”Alvarez博士说，“这些小片段的DNA也许包含了预示临床反应的改变。在癌症晚期，往往有更高浓度的游离DNA。这可以让我们更全面地了解癌症在做什么。”

　　NGS技术的创新

　　Alvarez博士的测序经历要追溯到他在约翰霍普金斯大学研究胆囊癌时。“当时我正在做我的博士论文，有人向我介绍了一种称为基因表达连续分析(SAGE)的新技术。这是癌症基因剖析计划(CGAP)所用的技术。它本质上是一种RNA测序技术。”

　　事实上，SAGE的数据采集就是NGS的前身。不过，与任何早期的平台一样，它并不是一帆风顺的。“我们需要手工构建基因组文库，”Alvarez博士说。“当时没有任何的文库制备试剂盒，因此构建一个测序运行所需的巨大文库需要很长时间。尽管有困难，但这是遗传学力量的伟大开端。”

　　“我们很高兴选择了HiSeq 2500系统。它提供了高质量的数据，对于这种类型的工作来说，数据质量是十分重要的。”

　　在Alvarez博士和他的团队为他们的研究选择NGS系统时，数据质量是关键的考量。 “我们研究了几个竞争系统，并决定我们要使用数据质量最佳的那个系统，”Alvarez博士表示，“我们很高兴选择了HiSeq 2500系统。它提供了高质量的数据，对于这种类型的工作来说，数据质量是十分重要的。我们用它来查看和追踪各种生物标志物。”

　　除了简单易用，Alvarez博士认为使用NGS和HiSeq 2500系统以及最新的NextSeq 500系统的好处还在于，这两个系统都采用一种集成的基因组学方法来研究细胞外的生物标志物。

　　“我们利用HiSeq和NextSeq系统来开展全基因组、全外显子组和RNA-Seq研究，以鉴定可能存在的各种生物标志物，”Alvarez博士说。“一项液体活检检测若要有价值，它需要能检测多种生物标志物。如果我们能够鉴定那些来自胞外囊泡、循环肿瘤细胞和游离DNA的生物标志物，那么我们就能了解这种疾病在整个身体中的总体情况。”

　　从Alvarez博士的角度考虑，既然癌症研究人员了解到肿瘤本身是异质性的，那么同时研究DNA和RNA信息就更为重要。

　　“来自各个不同区室的所有高分辨率信息可能指示一种更好的方式来确定具体在一个特定胰腺癌病例中真正发生了什么。”

　　“即使你可以通过髓芯活检或细针穿刺活检来有效地采集组织，但你的样本可能无法代表整个肿瘤，”Alvarez博士说，“我们相信，在液体活检背景下开展的NGS让我们能够全面了解整个肿瘤内发生了什么。这真是太厉害了。来自各个不同区室的所有高分辨率信息可以更好地确定在特定的胰腺癌病例中到底发生了什么。”

　　迈向未来

　　Alvarez博士的目标仍然是开发一个全面的临床级别的液体活检平台。他相信，这将为每位患者制定个性化治疗计划发挥关键作用，特别是针对那些难以诊断或难以治疗的癌症，如胰腺癌。

　　“我们认为，拥有一个个性化的遗传改变集合是很重要的，”Alvarez博士表示，“在治疗开始时可确定特定的基因图谱，然后随着时间的推移，医生可以追踪图谱的变化，从而帮助他们了解疾病的进程。”

　　他和他的团队正在跟踪100多名胰腺癌受试者，比较exoDNA和游离DNA以衡量不同疗法的效果。他们希望很快能公布这些结果。他也很兴奋，因为NGS提供的不同的鉴定标志物有望为肿瘤耐药机制提供一些信息，并为将来设计新的免疫疗法提供一些线索。

　　“未来，液体活检有望在精准医疗上发挥广泛的作用，包括在疾病预防、早期检测和疾病管理中体现价值，”Alvarez博士说。“举个例子，免疫治疗也许能从液体活检中受益良多。通过核酸如DNA和RNA的同时分离，我们可以鉴定并追踪新抗原 —— 在这种前景广阔的治疗策略中，这正是个性化的分子靶点。我们正在开发肿瘤来源的外泌体富集过程，以提高我们液体活检中的肿瘤信号。如果没有液体活检和NGS，对实体瘤中遗传改变的连续监控是无法实现的。”

　　尽管他对液体活检的未来保持乐观，但Alvarez博士也告诫说，目前仍有许多工作要做。他和他的团队将继续跟踪受试者，并测定游离DNA、外泌体DNA及其他生物标志物中的遗传变化如何改变。他期望这些生物标志物能够揭示关于胰腺癌性质的秘密，以及他和他的团队如何将这些秘密转化成对抗疾病的工具。

　　“胰腺癌很复杂，因为它不是经典的实体瘤，如肺癌、结肠癌或乳腺癌那样在治疗上更具可行性，”Alvarez博士补充说，“我们的研究也需要发展演变，这样我们才能了解如何干预和影响结果。我们必须收集足够的数据，来证明液体活检在临床上是可靠的、并与医疗保健相关。这需要一些时间，但我们终将实现。”

　　参考文献

　　1. Pancreatic cancer statistics. World Cancer Research Fund International, www.wcrf.org/int/cancer-facts-figures/data-specific-cancers/pancreaticcancer-statistics. Assessed July 13, 2016.

　　2. Pancreatic Cancer Facts. Hirshberg Foundation for Pancreatic Cancer Research. www.pancreatic.org/site/c.htJYJ8MPIwE/b.5050503/k.40C9/Pancreatic_Cancer_Facts.htm. Assessed July 13, 2016

　　3. Hébert-Magee S. Is there a role for endoscopic ultrasound-guided fineneedle biopsy in pancreatic cancer? Endoscopy. 2015; 47(04): 291—292.

　　4. McGinley L. Liquid Biopsy study offers hope for a blood test to find cancer. The Washington Post. June 4, 2016.

　　5. San Lucas FA, Allenson K, Bernard V, et al. Minimally invasive genomic and transcriptomic profiling of visceral cancers by next-generation sequencing of circulating exosomes. Ann Oncol.. 2016; 27(4): 635—641.