Nature Communications|基于上万名中国癌症患者ctDNA的检测分析

导语

GUIDE ╲

有研究显示可以通过循环肿瘤DNA（ctDNA, Circulating tumor DNA）检测也被称为液体活检来进行癌症的早期诊断。

背景介绍

循环肿瘤DNA（ctDNA）提供了一种非侵入性的方法来获取患者的基因组景观和可操作的信息。今天，小编给大家带来了一项涵盖了10000多名中国泛癌患者的基于ctDNA的研究，这篇文章于2021年发表在《Nature Communications》期刊上，影响因子14.919，题目为:Pan-cancer circulating tumor DNA detection inover 10,000 Chinese patients.

数据介绍

2017年1月--2019年7月，Geneplus Medical Laboratory收集了12337名不同癌症类型患者共计14972份外周血样本，同时分离血浆DNA和白细胞DNA，对血浆和白细胞来源的DNA进行平行测序

对患者进行肿瘤类型的注释和临床特征的收集，对TNM分期进行重新检查。

结果解析

01

一些cfDNA突变起源于WBCs（white blood cell）中的CH变异

通过cfDNA追踪在WBCs中CH(clonal hematopoiesis)变异，在1861个血浆样本中存在2754个突变（14.0%）。与CH相关的15个典型基因，包括DNMT3A、TP53、TET2和PPM1D，频率最高(Fig.1A)。在超过20%的黑色素瘤、膀胱癌、子宫癌和前列腺癌的血浆样本以及小于10%的肾癌和甲状腺癌的样本中检测到CH变异。TP53是黑色素瘤和小细胞肺癌(SCLC)中最常见的CH基因，而DNMT3A在子宫癌和宫颈癌中最常见。当我们检测cfDNA中CH变异的AF分布时，发现大多数在0-10%之间(Fig.1B)。此外，CH变异在cfDNA中的AF明显低于非CH突变(p<0.001；Fig.1C)。先前的结果表明，循环CH变异倾向于在18岁、19岁时出现，与我们的观察一致，在9.1%的年龄小于40岁患者和23.1%的年龄大于80岁患者中发现了CH变异(Fig.1D)。在个体水平上，941个血浆样本（72.8%)存在biopsy-matched变异，214个血浆样本(16.6%)含有WBC-matched变异，124个血浆样本(9.6%）存在VUSOs。在316个WBC-matched的变异中，27.5%属于10个典型的CH相关基因，而在161个VUSOs中，其比例较小(14.9%，Fig.1F)。上述两种成分之间的AF相似，明显低于biopsy-matched变异(Fig.1G)。

Fig.1

02

ctDNA的可检测性和分子特征在不同的癌症类型中有所不同

在消除CH变异体后，研究人员在9801份血浆样本中检测到51133个非同义突变、1945个拷贝数变异和442个rearrangements。ctDNA检测的总灵敏度为73.5%。ctDNA的检测能力在不同的癌症类型中有所不同，SCLC为91.1%，前列腺癌为87.9%，子宫癌为77.6%，HCC为77.1%和UGI癌为76.9%，显示与其他癌症类型相比具有更高的敏感性。甲状腺癌为41.8%，肾癌为56.4%，其ctDNA检出率较低(Fig.2A)。

ctDNA的最大AF代表了cfDNA分子总数中肿瘤来源的ctDNA分子的相对定量，与肿瘤质量的细胞数量相关，可用于确定肿瘤负荷。作者发现ctDNA AF在不同癌症类型和不同癌症类型的样本中存在显著差异(Fig.2B)。

血肿瘤突变负担是免疫治疗的一种很有前途的预测生物标志物。除了SCLC表现出较高的bTMB（与子宫癌相比），子宫癌、膀胱癌、结直肠癌和宫颈癌的bTMB也高于其他癌症类型，甲状腺癌和胶质瘤的bTMB最低(Fig.2C)。

基于bTMB的75%百分位数(Fig.2D)，高、低bTMB的临界值设置为8.7个突变/Mb。超过一半的SCLC样本被认为是高bTMB(Fig.2E)。此外，NSCLC（1411/4243、33.3%)、膀胱癌(23/74、31.1%)、结直肠癌(256/878、29.2%)和宫颈癌(25/97、25.8%）的高bTMB样本比例也较大，说明不同癌症类型的bTMB的临界值应单独确定。

由于AF和bTMB的大范围意味着基因组异质性，作者使用突变等位基因肿瘤异质性(MATH)算法对肿瘤异质性进行了量化。大多数癌症类型的MATH值明显高于相应类型(Fig.2F)。

总之，这些结果突出了不同癌症类型之间以及与组织测序数据进行了比较的不同ctDNA特征。

Fig.2

03

泛癌ctDNA的突变landscape

作者进一步研究了泛癌症ctDNA的特定突变landscape。一半的血浆样本（50.5%）存在TP53突变，在宫颈癌、胃肠道间质瘤(GIST)、甲状腺癌和黑色素瘤中，TP53突变的频率为<20%(Fig.3A)。

之前的一项研究提供了有关不同癌症类型的推定驱动基因的信息。为了评估基于 ctDNA 的液体活检和组织活检之间的基因组一致性，作者对假定的驱动基因的频率进行了相关分析，发现了很强的线性关系（R2 = 0.87，p < 0.001，Fig.3B）。

Fig.3

为了探索ctDNA变异的功能含义，作者通过分配特定的基因，评估了10个与增殖潜能相关的典型信号通路(即细胞周期、Hippo、Myc、Notch、Nrf2、PI3K、RTK/RAS/MAPK、TGFβ、p53和Wnt)27。RTK-RAS通路的改变频率最高（56.1%的样本），其次是p53（53.9%的样本）和PI3K（22.8%的样本）通路(Fig.4).

Fig.4

04

通过ctDNA图谱分析重建肿瘤克隆结构。

在整个plasma队列中，突变克隆性分布接近双峰（Fig.5A)。9个常见驱动基因(即TP53、EGFR、PIK3CA、KRAS、RBA1、APC、NF1、ERBB2、ERBB2、BRAF)在克隆性≥为0.9的亚组为47.1%，而克隆性<为0.1的亚组逐渐下降至9.5%。TP53是样本中最普遍的突变基因，不同癌症类型的平均克隆性>0.5，胸腺癌和子宫癌的克隆值较高（Fig.5B)。

Fig.5

05

ctDNA分析显示的可治疗性

以ctDNA为基础的液体活组织检查最有意义的应用之一是寻找药物敏感标记物，并为继续进行靶向治疗的患者确定耐药机制。作者使用大型队列系统评估ctDNA分析揭示的治疗可操作性。根据OncoKB数据库建立的标准和其他证据报告，作者在3306个样本（41.2%）中检测到4665个潜在药物敏感靶点，其中2299个样本（28.6%）含有1级靶点，100个样本（1.2%）含有最高的2A级靶点，221个样本（2.8%）含有最高的2B级靶点，226人（2.8%）拥有最高级别的3A目标，459人（5.7%）拥有最高级别的3B目标。

超过一半的NSCLC（55.8%）、GIST（54.5%）和乳腺癌（52.7%）样本显示有治疗标志物。在NSCLC、乳腺癌、UGI癌、GIST、卵巢癌、膀胱癌、黑色素瘤和结直肠癌中观察到1级标记物（Fig.6A）。仅在脑胶质瘤样本中没有可操作的基因变异，这意味着基因组特异性，并强调了中枢神经系统肿瘤的治疗潜力较差。共检测到63种药物敏感标记物，其中最常见的是EGFRe19del(Fig.6B)。

在具有最高可能性的药物敏感标记的几种癌症类型的(即NSCLC、胃肠道间质瘤、乳腺癌、宫颈癌和黑色素瘤)，标记的克隆性通常高于其他类型，表明他们的细胞比例高，因此表明靶向药物的潜在的效率和有效性(Fig.6C)

Fig.6

根据ctDNA图谱分析，137例接受靶向治疗的患者成功完成了临床随访，其中包括114例NSCLC、17例乳腺癌和6例结肠直肠癌患者(Fig.7A)。绝大多数患者为IV期，无进展生存期(PFS)范围为4~1198天。血浆ctDNA的突变数和AF均与患者PFS呈中度负相关。≤2突变患者的中位PFS为12.8个月，明显长于>2突变患者的PFS(Fig.7B)。同样，≤0.01AF患者（中位12.8个月）的PFS明显长于>0.01AF患者(Fig.7C)。

这些结果表明，ctDNA也可能有助于预测治疗性预后。对于循环肿瘤负荷高的患者，治疗疗效可能受到基因组异质性的阻碍，亚克隆扩增可能导致肿瘤进展。因此，通过整合途径、临床可操作性和克隆性分析，我们能够评估靶向药物的潜在益处，可以进一步在实验和临床环境中探索。

Fig.7

小编总结

基于ctDNA的液体活检提供了更充分地了解癌症基因组的机会。这种方法也可以通过确定克隆结构和可操作的突变来帮助指导临床实践。进一步的工作可以通过使用内部建立的组织队列进行验证，以及ctDNA在多组学早期检测系统中的临床应用和个性化治疗的前瞻性研究。作者的发现也可以作为开发新的治疗靶点和使用联合治疗策略的临床试验的基础。