【Nature Comms】cfDNA多组学超早期识别食管鳞癌和癌前病变

导语

食管癌是最常见的消化道肿瘤之一，全球约55%的食管癌发生在中国，其中主要为食管鳞癌（ESCC，占新发食管癌的88%）。ESCC也是预后最差的肿瘤之一，5年生存率仅为36.9%，究其原因是发现较晚。早期ESCC（如粘膜内ESCC）和癌前病变（如上皮内瘤变），可通过内镜下切除，患者5年无病生存率能达到98%-100%。因此早发现对于提高ESCC患者的生存率和生活质量至关重要。

当前，食管癌早诊主要依赖于胃镜检查和活检，但这些方法依从性低且成本较高，难以在临床广泛应用。液体活检能检测血浆游离DNA（cfDNA）中的循环肿瘤DNA（ctDNA），为无创早期癌症检测提供了一种更具前景的方式。近年来，随着cfDNA生物学的进步以及相关数据的积累，高精度检测肿瘤特异性改变成为可能，包括遗传学、表观遗传学和片段组学特征。

中国医学科学院肿瘤医院刘芝华教授、陈洪岩教授团队与温州医科大学生物医学大数据研究所苏建忠教授团队合作，开发了一款cfDNA全基因组甲基化多模态分析模型。该模型系统解析了ESCC和癌前病变患者cfDNA甲基化和遗传学特征的全景信息、出现时序和互补性，进一步提高了早诊准确性，并证实了cfDNA甲基化特征与刘芝华教授团队先前提出的ESCC分子分型（Cancer Cell. 2023）^[1]高度相关。研究成果于近日发表在Nature Communications^[2]，世和基因参与了该研究（DECIPHER-EC）的测序工作。

研究内容

此前，基于cfDNA甲基化的早筛方法在众多肿瘤中虽显示出一定准确性，但尚存一些问题：

1、cfDNA全基因组亚硫酸氢盐甲基化测序（whole-genome bisulfite sequencing，WGBS）数据中的拷贝数变异（copy number variants，CNVs）和片段特征的诊断意义尚未被挖掘；

2、ESCC中遗传和表观遗传改变的先后顺序和互补性仍不清楚；

3、用于早诊的cfDNA甲基化特征的生物学意义和分型价值尚不明确。

为了克服这些技术难题，研究团队对前期建立的155对ESCC组织样本的全基因组多组学队列（the ESCC Genome and Epigenome Atlas，ECGEA）进行了重新分析，进一步收集了来自中国医学科学院肿瘤医院和上海胸科医院两个中心的460份cfDNA样本（分别来自230名早期/非转移性ESCC或食管癌前病变患者，以及230名性别和年龄匹配的健康对照），并对这些样本进行了cfDNA WGBS测序和数据分析，开发了cfDNA WGBS数据多模态分析（Expanded Multi-Modal Analysis，EMMA）模型。

该模型能同步捕捉cfDNA甲基化、CNV和片段特征等多重信息。基于此模型，研究团队不仅识别出ESCC cfDNA中最具诊断价值的cfDNA甲基化、CNV和片段特征标志物，还深入剖析了这些特征间的时序性和互补性，提高了基于cfDNA早诊策略的准确率，将其诊断时间提前至癌前病变阶段，并揭示了其生物学意义和分型价值。

图1. 多模态分析模型在cfDNA WGBS数据中同时识别 DNA甲基化、CNV和片段特征

首先研究发现，cfDNA甲基化特征可在50%的食管癌前病变和70%的早期ESCC样本中被检测到，是最早、最敏感的cfDNA标志物（图2）。

图2. cfDNA甲基化特征出现最早、具有最高的诊断效能，而拷贝数变异和片段特征出现较晚，几种特征具有互补性，联合分析（EMMA）能显著提高ESCC早诊准确率

接下来研究证实，EMMA识别模型增强了cfDNA甲基化组的早诊潜力，可以在不增加检测成本的条件下提高ESCC的诊断率（AUC从0.90提高到0.99），并能在保证特异性大于95%时诊断出87%的ESCC和62%的癌前病变。与单纯依赖cfDNA甲基化特征相比，EMMA对于各分期的ESCC均表现出更高的检出率，并能进一步提高ESCC患者的生存获益（图3）。

图3. cfDNA多模态联合分析（EMMA）能显著提高各分期的ESCC和癌前病变的检出率，并具有提高ESCC 5年生存率的巨大潜力

值得注意的是，用于ESCC诊断的cfDNA 甲基化特征与ESCC分子亚型^[1]、肿瘤微环境构成显著相关。根据cfDNA甲基化特征对ESCC肿瘤组织的DNA甲基化进行聚类，可以分为高、中、低DNA甲基化组三组。其中，高DNA甲基化组展现了更高的细胞周期激活型（cell cycle pathway activation，CCA）ESCC 占比，并具有更高比例的上皮细胞成分。低DNA甲基化组与免疫调节型（immune modulation，IM）ESCC相关，并呈现出更高的免疫细胞成分。相比cfDNA甲基化标志物，该研究创新性提供了一种实时监测分子特征并指导治疗策略的液体活检方式（图4）。

图4. cfDNA甲基化特征与分子亚型、肿瘤微环境构成相关

结语

该研究证实，基于cfDNA全基因组甲基化组的多模态分析有助于ESCC的早期诊断和分子特征监测，将其应用于癌前病变识别，可进一步提高患者的生存获益。该研究不仅为ESCC早诊提供了一种新的无创诊断方法，还揭示了cfDNA甲基化在无创分型和指导治疗中的伴随诊断价值，进一步拓展了cfDNA甲基化的分析策略和应用场景。

世和基因深耕片段组学技术多年，在甲基化技术平台上成果丰硕。本研究在食管癌早筛领域首次尝试将甲基化技术与片段组学技术进行联合应用，在成本可控的条件下，显著提升了甲基化技术的性能。我们将依托多组学早筛技术平台，开发更精准、更可及的早筛检测产品，推动肿瘤诊疗关卡前移，让肿瘤不再成为危及生命或不可逆转的疾病，为肿瘤早筛领域的发展贡献更多力量。

中国医学科学院肿瘤医院副院长刘芝华教授、温州医科大学生物医学大数据研究所所长苏建忠教授、中国医学科学院肿瘤医院陈洪岩教授为该论文的共同通讯作者，中国医学科学院肿瘤医院刘嘉琦副主任医师、王强副主任医师和温州医科大学在读博士生代丽君、李成浩为本论文的共同第一作者。本研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

参考文献

【1】Liu Z, Zhao Y, Kong P, Liu Y, Huang J, Xu E, Wei W, Li G, Cheng X, Xue L, Li Y, Chen H, Wei S, Sun R, Cui H, Meng Y, Liu M, Li Y, Feng R, Yu X, Zhu R, Wu Y, Li L, Yang B, Ma Y, Wang J, Zhu W, Deng D, Xi Y, Wang F, Li H, Guo S, Zhuang X, Wang X, Jiao Y, Cui Y, Zhan Q. Integrated multi-omics profiling yields a clinically relevant molecular classification for esophageal squamous cell carcinoma. Cancer Cell. 2023 Jan 9;41(1):181-195.e9. doi: 10.1016/j.ccell.2022.12.004.

【2】Liu J, Dai L, Wang Q, Li C, Liu Z, Gong T, Xu H, Jia Z, Sun W, Wang X, Lu M, Shang T, Zhao N, Cai J, Li Z, Chen H, Su J, Liu Z. Multimodal analysis of cfDNA methylomes for early detecting esophageal squamous cell carcinoma and precancerous lesions. Nat Commun. 2024 May 2;15(1):3700. doi: 10.1038/s41467-024-47886-1.

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