NEJM综述告诉你，如何在癌症治疗中应用基因组测序
癌症起源于发生异常转变的体细胞。这些异常细胞摆脱了保持细胞正常功能的内在约束机制，发生不受控制的增殖，并逃避了免疫系统的清除，进而入侵健康组织、改变了局部的微环境，最终发展为恶性肿瘤。这些癌变细胞的异常特性，是由细胞生命周期中逐渐积累的突变造成的。
二代测序，又称“高通量测序”，可以同时对患者的肿瘤组织样本和正常组织样本（通常是血液）进行测序，从而识别出肿瘤中的基因变异。基因测序在肿瘤医学中的临床实践最初只针对大约300-600个已知的致癌基因，或只测序编码蛋白质的基因（通常占整个基因组的大约1%，也称为”全外显子组测序“）。这种只对基因组中特定重要区域进行测序分析的优点是成本比较低。
然而，随着技术进步，测序成本迅速降低，对整个基因组30亿对碱基进行测序已经成为可能。这样就可以识别出整个基因组中所有类型的突变，再通过对成千上万癌症患者的基因组进行深入研究，引发了对肿瘤发生、发展规律的全新理解，也促进了肿瘤医学临床实践的进步，包括改进癌症诊断和预后、寻找新的治疗方法和靶点、对治疗方案的决策支持，以及在疾病监测中的应用。
在2019年11月28日发表于《新英格兰医学杂志》（NEJM）的综述中，来自英国惠康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的Jyoti Nangalia和剑桥大学血液学系的Peter J. Campbell探讨了大规模癌症基因组测序研究在当前和未来临床中的应用，以及对将其整合到癌症精确治疗中的展望与面临的挑战（Genome sequencing during a patient’s journey through cancer. N Engl J Med 2019;381:2145-2156）。我们在此简介其内容（文中图片均来自该综述）。
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一个癌细胞中可能有数以千计的基因突变，但其中只有少数会真正导致细胞发生恶性增殖。这些突被称为“驱动突变”，其余的被称为“乘客突变”。尽管人类基因组中只有1%用于蛋白质编码，绝大多数的驱动突变都发生在这部分基因中。随着时间的推移，细胞内的驱动突变逐渐积累，当达到一个阈值后，细胞就会发生癌变。正因为如此，很多抗肿瘤靶向药物的靶点就是这些驱动突变的基因。
细胞中的突变可能来自外源诱变，比如化学物质（如烟草、黄曲霉毒素和化疗药物）、放射性辐射和紫外线等；也可能来自细胞内的变化，比如DNA复制中出现错误、受损DNA修复过程失败、细胞代谢产生的过氧化物和病毒的破坏等。内源性的突变以一定速率发生并随时间逐渐积累，这是老年人肿瘤发病率高的主要原因之一（另一方面的原因是免疫力下降）。
对导致癌症的基因突变的鉴定，有利于治疗中的方案选择。例如，BRCA1或BRCA2基因突变一方面可能导致乳腺癌、卵巢癌，另一方面它们导致同源重组功能缺陷使得癌细胞依赖其他DNA修复途径，因此选择PARP抑制剂类药物，就可能对这种癌症具有更好的治疗效果（详见《罕见！NEJM同期3项临床试验，靶向同一靶点》）。
每个肿瘤内的大量癌细胞的基因组是不一样的，这就造成了肿瘤的异质性。癌细胞的基因组处于持续的变异过程中，通过DNA测序追踪其演化，可以了解肿瘤的发生、发展和转移的规律。虽然肿瘤异质性的临床应用尚不成熟，但已经有研究表明，癌细胞基因组多样性更高的肿瘤，预后通常更差。在白血病治疗中，少量含有TP53突变的癌变细胞，可能在化疗之后迅速恶性增殖，导致化疗相关的白血病复发。
癌细胞中的突变会产生与正常蛋白序列不一样的多肽，称为肿瘤新抗原。人体免疫系统能够通过肿瘤新抗原，将癌细胞识别为“非自我”，从而加以清除。因此，在基因检测结果显示突变负荷较高的肿瘤中，可以考虑使用免疫治疗，因为其新抗原量通常会比较高，可能取得很好的治疗效果。
对癌症患者终身追踪测序
因为突变对肿瘤的关键作用，基因组测序技术使我们可以在多个关键时间点对肿瘤的发生和发展进行干预。
首先，通过基因测序可以预测未来的癌症风险。目前已经发现了100多个高外显率癌症易感基因，如果这些基因出现遗传性的缺陷，则会有较高几率罹患癌症。因此，如果测序检出遗传性的高外显率突变，未来就应该进行更频繁的筛查体检或预防性手术（典型例子就是安吉丽娜·朱莉，因为检出BRAC1突变，预防性地切除了乳腺和卵巢）。基因测序还能鉴定出因为基因缺陷无法代谢某些化疗药物的患者，降低肿瘤治疗的风险。
很多基因突变具有鲜明的特征，据此可以鉴定肿瘤的诱因，比如肺癌是否由吸烟导致、肝癌是否因为黄曲霉素、肾癌是否因为马兜铃酸中毒。根据肿瘤高发区、高发人群的基因组特征，可以揭示职业、生活方式、环境污染等致癌因素的分布规律。例如，对肾癌和肝癌的基因组研究发现，不仅仅在东亚有很多病例是因为服用含有马兜铃属植物的草药，在欧洲多瑙河流域如罗马尼亚，也有相当数量因为野生的马兜铃属植物污染小麦所导致的癌症病例。
当前临床实践中，肿瘤都是按原发部位、组织学和发展阶段分类。通过对肿瘤进行分类，我们获得了一种可以用来描述单个患者的肿瘤和临床试验队列的通用语言。未来，我们希望还可以用导致常见癌症的突变类型来对肿瘤进行分类。
在不同类型的肿瘤中，驱动突变并不是随机分布的。一些癌症易感基因倾向于同时出现变异，而其它易感基因却几乎从未在一个患者身上同时发生变异。因此，肿瘤的类型可以根据驱动突变的聚类被分为不同亚种，这种现象在血液肿瘤中表现得尤为突出。
根据基因组的特征对肿瘤进行分类的优势是，它是根据肿瘤的起因（驱动突变）来进行分类，因此天然契合肿瘤的生物特性，确保了分类的长期稳定性和可重复性。其临床意义是，具有相似基因组特征的患者，将倾向于表现出相似的临床特征和治疗反应。
不仅血液肿瘤可以直接用血液来检测，许多实体瘤也可以。癌细胞的特征性基因片段会进入血液，成为所谓的循环肿瘤DNA（ctDNA），其含量大致与肿瘤体积成正比。以此为依据，可以判断体内是否存在肿瘤。尤其是对原发肿瘤中已知突变或肿瘤特异性基因组重排的检测，可能在出现临床征兆前几个月就发现早期的复发肿瘤。这一技术在急性淋巴细胞性白血病的治疗中已经获得了应用。
在当前的临床实践中，许多治疗方案的决定，是基于根据肿瘤分期、分级等预测的治疗结果来做出的。肿瘤生物学的研究表明，驱动突变所提供的信息，与未来的临床表现呈现很强的相关性。因此，结合临床和基因组数据，能够较为准确地评估肿瘤的预后。有的基因表现出普遍规律，如含有TP53突变的肿瘤通常会恶化。但单个基因的预后关联往往对于特定的肿瘤类型具有特异性，例如SF3B1突变使骨髓增生异常的预后良好108，而使慢性淋巴细胞白血病的预后不良。
利用基因组测序来估计肿瘤预后，能帮助医生决定是否使用毒性更强的治疗方法。确保这种评估的准确性，需要建立大队列的患者数据库，综合分析包括分子图谱、临床变量、组织学分析和肿瘤分期，以及治疗方法与疗效等多方面的临床信息。
基因测序技术能帮助实现肿瘤的个体化精准治疗。首先是对肿瘤的早期干预。一方面，许多癌症患者错过了早发现、早治疗的机会；另一方面，并非所有早期肿瘤最终都会发生致命的恶化，甚至可能自行消退，因此又存在过度治疗的风险。理论研究表明，出现迅速进展的肿瘤，通常有着更高的突变负担、更多的基因拷贝数变化和更多的驱动突变。虽然这一发现还没有用于指导临床实践，但已经为个性化的早期肿瘤诊疗指出了新的方向。
通过测序鉴定肿瘤中的基因突变，是选择使用靶向药物的前提。然而，虽然靶向药物具有明显的疗效，肿瘤仍然可能因为出现抗药性癌细胞而复发。癌细胞对靶向药物产生耐受性的机制很多，利用基因测序可以分析了解可能存在的抵抗机制，从而进行先发制人的治疗，取得更好、更持久的治疗效果。
目前很多癌症患者还无法得到靶向药物治疗，因为他们的肿瘤基因组中的驱动突变没有对应的靶向药物，或者其驱动突变的作用是使基因沉默（如透明细胞肾癌）。针对这些类型的癌症，只能寄希望于通过基因测序，找到肿瘤细胞特有的弱点，进行针对性地个体化治疗。
个性化癌症治疗
虽然目前还存在进行选择性测序还是全基因组测序的争论，但毫无疑问的是，未来我们应该对整个肿瘤基因组进行测序。在不同地区和国家的患者获得现代基因测序帮助的途径存在差异，但只要建立起样品处理和数据分析的标准，基因测序的应用就会越来越便利。
理想的情况，是能够在公共卫生系统中建立起基因检测的设施和标准，以取代现有的各行其是的独立检测机构和方法。在未来，一个患者的基因组报告，将会是一篇全面的总结，链接着各种支持它的数据和证据，同时还具有规范、全面的质量保证。当然，这样一个系统的建立和维护，需要得到国家或国际层面的倡议和支持。
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