紧抓历史机遇，全面布局早中期肿瘤精准医学 | 世和基因MRD监测与肿瘤早筛重磅研究盘点
随着肿瘤临床诊疗的高速发展，高通量测序的临床应用也不断被赋予新的使命。自2016年《“健康中国2030”规划纲要》发布以来，“健康中国”上升为国家战略，在坚持预防为主、防治结合的原则指导下，人民的健康意识逐步加强，近年来越来越多的肿瘤在早中期被确诊。今年5月10日，国家发展改革委发布的《“十四五”生物经济发展规划》中也将“早筛与精准用药”纳入其中，再次强调肿瘤早筛查、早诊断、早治疗的战略意义。在健康规划重心引导、健康理念普及，和临床需求的共同推动之下，肿瘤防治的关口逐渐前移至围术期监控、复发监控及早筛早诊等领域，对第三方检测公司的需求也不断更新，早中期肿瘤分子诊断的研发布局成为检测公司未来市场竞争力的关键。
世和基因致力于NGS临床转化，除了全面覆盖肿瘤用药靶点、持续优化并探索新靶点、新分子标志物，为晚期肿瘤患者提供个体化精准治疗方案外，在早中期肿瘤的临床应用方面，也通过对ctDNA液体活检的研发布局展开，主要体现在两大方向：术后微小/分子残留病灶MRD监测和肿瘤早筛早诊。
术后微小/分子残留病灶MRD监测
肿瘤患者在治疗中或治疗后体内仍有残留的恶性肿瘤细胞存在，成为微小残留病灶（Minimal Residual Disease，MRD）或分子残留病灶（Molecular Residual Disease），是肿瘤根治术后复发的主要原因之一。术后残留的肿瘤细胞会不断向血液循环释放ctDNA，因此可以通过ctDNA来监测肿瘤信号，评估患者术后MRD状态。国内外已有多项研究证明，基于ctDNA液体活检技术可优于传统影像学方法预测肿瘤复发，且样本采集非侵入性，可为临床决策提供重要的时间窗口。
目前NGS-MRD的检测技术主要划分为两大流派：(1) Tumor-informed assays，即针对原发肿瘤组织中一定数量的突变位点设计定制Panel进行后续的ctDNA检测。(2) Tumor-naïve assays，不依赖于原发肿瘤组织，通过预先设计的与癌种相关的固定化Panel进行ctDNA检测[1]。其核心技术依赖超高灵敏度测序，利用分子标签对背景噪音进行抛光处理，并排除克隆性造血干扰，提高单个位点灵敏度， 捕捉早中期肿瘤ctDNA的低丰度信号。
图1. Tumor-naïve assays（左）及Tumor-informed assays（右）示意图[2]
两种流派分别受到不同检测公司的青睐，两者各有所长，一时之间难分伯仲，引起行业内和临床专家的广泛讨论。Tumor-informed assays的主要优势在于可以根据患者肿瘤定制个体化Panel监测的突变数量，监测16个或更多的突变，避免因不同个体之间差异带来的测序浪费，相应的，检测本身的成本也更低。而Tumor-naïve assay的优势则主要体现在以下几个方面[1]：
1 ► 克服肿瘤时空异质性：
由于肿瘤的异质性和克隆进化，某一时刻的部分肿瘤组织可能无法反映肿瘤整体、其他潜在病灶以及肿瘤未来的变化情况。Tumor-naïve assay不依赖肿瘤组织，可以更广泛地进行覆盖和监测，克服时空异质性。同时，固定化Panel监测的突变数量更多，灵敏度也会提高。
2 ► 待监测基因在肿瘤中的角色明确：
固定化Panel重点关注癌种相关的驱动基因及与肿瘤发生发展密切相关的基因。而个体化Panel一般通过WES对肿瘤组织进行测序，可能会检测与肿瘤发展关系未知的陌生基因，给个体化Panel带来一定的不确定性，需要进一步筛选和优化。
3 ► 稳定的Panel质控：
成熟的固定化Panel可以省去每次定制过程中的探针设计、探针合成、探针库优化、性能验证等环节，避免个性化监测位点组合之后的探针均一性等质控问题，确保检测性能的稳定性和结果的可靠性。
综合考量两种技术的优劣之后，世和基因在MRD监测Panel的选择更偏向tumor-naïve路线，根据中国人群的肿瘤特征来选择固定的监测Panel。但是更为重要的是，流派之间的伯仲之争不能纸上谈兵，囿于理论和实验室技术性能。一项技术能否为患者带来福音，最终还要依赖于足够的临床验证。虽然国内MRD检测产品百家争鸣，临床医生的优先考虑仍然是经过临床性能验证且有相应重磅科研成果发表的检测产品。世和早在2016年就开始启动CALIBRATE系列围术期MRD监测临床研究，成果近期已陆续在影响因子>10分的期刊上发表：
CALIBRATE系列围术期MRD监测研究
CALIBRATE-NSCLC研究(Nature Communications IF=14.919) [3] (点击详情) ，与中国医学科学院肿瘤医院高树庚教授团队合作开展, 是国内首个前瞻性的肺癌MRD临床研究。入组了116例非小细胞肺癌患者，对术后1个月内血浆样本进行超高灵敏度的NGS液体活检，其中术后MRD阳性，与MRD阴性患者相比，复发风险显著升高，是患者术后DFS的独立预测因素。术后MRD状态也与辅助治疗获益程度密切相关，术后MRD阳性患者可能能从辅助治疗中获益，而阴性患者辅助治疗获益不显著。该研究更是通过ctDNA动态变化情况建立了监测模型，更精准地根据肿瘤的变化情况提示复发。
图2. 根据ctDNA状态计算进行个性化动态风险预测，并在新检测可用时进行更新[3]
CALIBRATE-CRC研究 (Journal of Hematology & Oncology，IF=17.388) [4] (点击详情) ，与中山大学肿瘤防治中心徐瑞华教授团队联合复旦大学附属肿瘤医院蔡三军教授团队、浙江大学第二附属医院丁克峰教授团队合作开展，是前瞻性多中心队列研究（NCT03312374），也是国内首个大型肠癌ctDNA MRD前瞻性临床研究，中位随访时间超过2年，收集了超2000份样本。研究发现，术后3-7天MRD阳性是可以预测肠癌复发的独立指标，辅助治疗后的MRD状态也可以显著提示复发风险，ctDNA动态监测可以早于影像学5个月提示复发。
图3 (a) 术后血ctDNA MRD阳性的患者，复发风险显著高于阴性患者，HR=10.98;
(b) 辅助治疗后ctDNA MRD阳性的患者，复发风险显著高于阴性患者，HR= 12.76；
(c) 动态监测过程中评估为ctDNA MRD阳性患者，复发风险显著高于阴性患者，HR=32.02 （d）ctDNA动态监测相比于影像学检测能够更早提示肿瘤复发，中位提前时间为5.01个月[4]
CALIBRATE-RC-nCR 研究(PLOS Medicine，IF=11.069) [5] (点击详情)，与复旦大学附属肿瘤医院章真教授团队合作开展，研究对象为接受新辅助放化疗(nCRT)的局晚期直肠癌(LARC)患者，共入组119例，通过连续ctDNA动态监测精准预测直肠癌新辅助放化疗病理完全缓解(pCR) 的情况，并与病理特征结合对LARC患者进行分层，为后续个性化管理提供有效手段。
图4. 五种ctDNA特征，联合mrTRG信息的pCR多特征预测模型可更准确地指导watch-and-wait患者群筛选[5]
肿瘤早筛早诊
很多肿瘤早期并无明显症状，诊断时已经处于进展期或更晚。肿瘤早筛的目的，正是要针对无症状的表面健康目标人群，提早发现肿瘤并进行临床干预，以提高治愈率，改善患者预后及生活质量，同时减轻国家和个人的经济负担。在传统肿瘤早筛手段灵敏度特异性均不尽人意的情况下，国内外检测公司纷纷布局基于液体活检的癌症早筛研发。
肿瘤液体活检早筛的技术方法更加百花齐放：检测媒介包括ctDNA， 循环肿瘤细胞（CTC），及其他体液或排泄物样本；检测特征也囊括多个维度，例如体系突变、拷贝数变异、甲基化、cfDNA片段组学、基因表达、代谢组学、微生物组等等；根据筛查目的的不同，产品的功能又可以分为单癌种早筛及泛癌种早筛。
图5 液体活检早筛技术覆盖多个维度的基因组特征[6]
世和基因自主研发MERCURY多组学液体活检早筛技术，通过机器学习将多种全基因组层面的特征联合建模，用于区分肿瘤患者和非肿瘤患者，进一步在肿瘤患者中进行组织溯源。MERCURY技术主要纳入的特征是cfDNA片段特征，这一特征的生物学基础是循环游离DNA（cfDNA）断裂的形成机制：它并不随机，通常有一个显著的167bp的峰值分布，这是细胞凋亡时DNA以每个核小体剪切后形成的 [7]。癌症患者的血浆中cfDNA峰值分布更短，且与患者分期有一定联系[8]。此外， cfDNA末端碱基序列也显示出cfDNA非随机碎裂的特征，并被证明可用来区分癌症患者[9]。相比基于基因突变或甲基化等聚焦部分基因组的早筛方法，片段组学的特征来自全基因组范围，依靠多组学、低通量的广度去补偿早期肿瘤可能信号微弱的问题。
图6 （上）cfDNA剪切示意图[7] （下）健康人和肿瘤患者的cfDNA片段大小对比[8]
基于MERCURY技术，世和基因开展了DECIPHER系列研究，在单癌种和多癌种早筛方向均取得了突破，我们一起来回顾一下。
DECIPHER系列早筛研究
1 ► 单癌种早筛研究
DECIPHER-Colon研究 (Journal of Hematology & Oncology, IF=17.388) [10] (点击详情)，与复旦大学附属肿瘤医院蔡三军教授、彭俊杰教授团队合作开展，基于MERCURY多组学液体活检技术建立的肠癌早筛模型，区分健康人和进展期腺瘤/早期肠癌的AUC达到 0.988，在94.8%特异性下，进展期腺瘤和早期肠癌（0/I期）敏感性分别为95.7%和98%。
图7 世和MERCURY早筛技术建立的肠癌早筛模型性能优异[10]
DECIPHER-Liver研究（HEPATOLOGY, IF=17.425）[11] (点击详情)，与复旦大学附属中山医院樊嘉教授、周俭教授、王征教授团队合作开展，基于MERCURY多组学液体活检技术的肝癌早筛模型，区分肝癌和非癌的AUC高达0.995，在98.8%特异性下灵敏度高达96.8%，预测性能优异。
图8 世和MERCURY早筛技术建立的肝癌早筛模型性能优异[11]
2 ► 泛癌种早筛研究：
与单癌种早筛不同，泛癌种早筛的目标是通过一次采样筛查，不仅需要预测肿瘤的存在，更需要精准地对肿瘤信号的来源进行追溯，以更好地辅助临床进行早筛早诊。因此需要更长的时间周期和更高的成本进行前期数据累积及研发投入，对肿瘤信号指标的筛选、产品性能等方面的要求也更加严苛。尽管拥有大量的需求和关注，国内外泛癌种早筛的研发进展仍然相对缓慢，数据也尚不成熟。部分肿瘤早筛早诊的难度极高，例如肺癌这样的高发癌种，早筛技术对于1cm以下小结节的良恶性判断仍然没有足够强大的鉴别诊断能力。
图9. 泛癌种早筛需通过cfDNA信息区分肿瘤来源[6]
在高技术门槛之下，世和基因迎难而上，在泛癌种早筛方面做了大量尝试和投入。可喜的是，阶段性成果DECIPHER-Multi针对肝癌、肠癌、肺癌及健康人志愿者共1214人的泛癌种队列开展，深度学习片段大小、末端序列及拷贝数变异等特征，建立泛癌种区分肿瘤患者与健康人，并对不同癌种进行了区分和溯源，即将在影响因子>20分的SCI期刊上发表，是世和基因泛癌种策略研发和验证的重要里程碑之一，大家敬请期待。
结语
肿瘤的早筛查、早诊断、早治疗事业方兴未艾，越来越多的市场资源和研发力量加入其中，为技术和行业发展源源不断地提供着新鲜血液。世和基因在术后MRD监测和早筛方面抢先进行战略布局，大量的研发投入已逐步得到临床数据的验证以及临床专家的认可。但在未来，无论是开展基于术后MRD状态的干预性研究，还是早筛的广泛市场推广所需的大规模人群研究，对企业的技术研发、资源调配、临床管理能力将是不小的挑战。世和基因已做好万全的准备迎接挑战，继续在技术的深度和广度上不断拓宽，踏浪前行。
参考文献
1、深度分享 | 国内NGS-MRD检测技术流派之争：个体化Panel or 固定化Panel？https://mp.weixin.qq.com/s/iZLRt0YHrmkON-2saCT5dA
2、Webinar #3: Opportunities and Challenges Toward the Clinical Application of ctDNA MRD Testing in Solid Cancers. Speaker: Everett Moding, MD PhD. Date: Tuesday September 28, 2021 at 2:00pm Eastern. Meeting: Utility of Cell-free DNA in the Clinic: Current State and Future Directions
3、CALIBRATE-NSCLC: Qiu et al. Dynamic recurrence risk and adjuvant chemotherapy benefit prediction by ctDNA in resected NSCLC. Nat Commun. 2021 Nov 19;12(1):6770.
4、CALIBRATE-CRC: Chen et al. Postoperative circulating tumor DNA as markers of recurrence risk in stages II to III colorectal cancer. J Hematol Oncol. 2021 May 17;14(1):80.
5、CALIBRATE-RC-nCR: Wang et al. Utility of ctDNA in predicting response to neoadjuvant chemoradiotherapy and prognosis assessment in locally advanced rectal cancer: A prospective cohort study. PLoS Med. 2021 Aug 31;18(8):e1003741..
6、Heitzer et al. Current and future perspectives of liquid biopsies in genomics-driven oncology. Nat Rev Genet. 2019 Feb;20(2):71-88.
7、Snyder et al. Cell-free DNA Comprises an In Vivo Nucleosome Footprint that Informs Its Tissues-Of-Origin. Cell. 2016 Jan 14;164(1-2):57-68.
8、Lan et al. Enhanced preclinical antitumor activity of M7824, a bifunctional fusion protein simultaneously targeting PD-L1 and TGF-β. Sci Transl Med. 2018 Jan 17;10(424):eaan5488.
9、Jiang et al. Plasma DNA End-Motif Profiling as a Fragmentomic Marker in Cancer, Pregnancy, and Transplantation. Cancer Discov. 2020 May;10(5):664-673.
10、DECIPHER-Colon: Ma et al. Multi-dimensional fragmentomic assay for ultrasensitive early detection of colorectal advanced adenoma and adenocarcinoma. J Hematol Oncol. 2021 Oct 26;14(1):175.
11、DECIPHER-Liver: Zhang et al. Ultrasensitive and affordable assay for early detection of primary liver cancer using plasma cell-free DNA fragmentomics. Hepatology. 2021 Dec 25.
作者：Xtinee 审核：二向箔 排版：Moro
世和基因致力于肿瘤精准医疗、伴随诊断及临床转化研究，为医院提供一站式NGS解决方案；中国独角兽企业
NGS及液体活检实验室获CAP / CLIA / ISO15189三重国际认证，185次通过国家卫健委临检中心室间质评
服务临床超9年；累计检测超60万例样本，液体活检超28万例
公司核心技术人员参与发表以及公司参与临床研究项目发表SCI论文共400多篇，总影响因子(IF)超3000分；2020年度江苏省科学技术二等奖：“肺癌精准医学高通量测序检测技术的创新与产业化”项目；拥有发明专利22项（其中境内20项），其中形成主营业务收入的发明专利19项
2018年，公司研发的“EGFR / ALK / ROS1 / BRAF / KRAS / HER2基因突变检测试剂盒（可逆末端终止测序法）”获得国家药监局注册审批，系国内同期首批获准上市的肿瘤伴随诊断高通量基因检测产品之一
基于ATG-Seq等液体活检技术的CALIBRATE系列多癌种围术期大型临床研究成果相继发表。2021年5月，前瞻性多中心早中期肠癌术后ctDNA MRD大型临床研究（CALIBRATE-CRC）发表于J Hematol Oncol（IF=17.388）；2021年9月，液体活检预测直肠癌新辅疗效的大型临床研究成果（CALIBRATE-RC-nCRT）发表于PLoS Med（IF=11.069）；2021年11月，前瞻性早中期肺癌术后ctDNA MRD大型临床研究成果（CALIBRATE-NSCLC）发表于Nature Comms（IF=14.919）
基于MERCURY多组学液体活检技术的DECIPHER系列多癌种早筛研究成果相继发表。2021年10月，大型肠癌早筛临床研究（DECIPHER-Colon）成果发表于J Hematol Oncol（IF=17.388）；2021年12月，大型肝癌早筛临床研究（DECIPHER-Liver）成果发表于Hepatology（IF=17.425）
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