“液体活检” 新突破！仅抽血一次，机器学习可识别 50 余种癌症，早筛误检率低于 1％

癌症早筛技术的提升，每年可挽救全球数百万条生命。

文 | 付静

癌症早期诊断，是癌症病患存活率大大提高的有效手段。

当地时间 2020 年 3 月 30 日，众多英美知名癌症研究机构在欧洲肿瘤内科学会官方刊物《肿瘤学年鉴》（Annals of Oncology）上联合在线发表了题为 Sensitive and specific multi-cancer detection and localization using methylation signatures in cell-free DNA（利用游离 DNA 中甲基化标记的灵敏、特异性多癌症检测和定位）的论文。

研究人员开发出一种针对癌症的血液检测方法，可一次性准确检测出 50 多种癌症类型，并且可在患者出现任何临床症状之前识别出癌症病灶。这一方法检测的假阳性率为 0.7％，也就是说该方法的癌症早期误检率还不到 1％，该检测方法最终可用于国家癌症筛查计划。

雷锋网了解到，研究人员主要来自美国肿瘤学（US Oncology）、梅奥诊所、丹娜法伯癌症研究院、格利克曼泌尿与肾脏研究所、英国弗朗西斯克里克研究所及伦敦大学学院癌症研究所。

关注癌症早期诊断

人们常常谈癌色变，一方面我们无法完全了解癌症的病因，另一方面癌症不仅会给患者带来生理上的痛苦、精神和经济上的负担，癌症患者的存活率一直以来也很低。

目前而言，根据肿瘤发生的不同部位和性质，对癌症的常规诊断方式主要包括对患者临床表现与体征的综合分析、实验室检查、影像学和细胞病理学检查。在此基础上，医生还会进一步了解肿瘤的范围和程度，以便拟定治疗方案和评估预后。

遗憾的是，大多数情况下，癌症一经确诊已是中晚期，这是因为癌症的发病一般较为隐匿，大部分癌症在早期都并没有很典型的症状。体重减轻、发低烧、疲乏等可能是癌症早期的表现，很容易被医生、患者忽略。

因此，对癌症的早期诊断虽是小概率事件，但已成为“特效疗法”。世界卫生组织曾给出权威性结论：癌症如果能早期发现，治愈率可达 80%。

2019 年 10 月，英国癌症研究会宣布与剑桥大学、伦敦大学学院、斯坦福大学等机构共同成立了“癌症早期检测国际联盟”，旨在开发新方法、技术，提升早期癌症诊断能力，提高病患存活率。该联盟曾表示将在多方面进行科研合作，包括开发新的成像技术与医用机器人等等。

实际上，血芯片检测、基因检测、纳米检测、TTM、PET CT 等一系列方法已被用于进行癌症早期诊断。但当前仍缺乏理想的异质性较强的早期诊断方法——肿瘤异质性主要是指患者不同部位肿瘤突变信息可能存在差异，甚至有时同一肿瘤内的肿瘤细胞突变信息也存在差异。

在此基础上，「液体活检」（liquid biopsy）应运而生。

液体活检与 cfDNA

说起组织活检，很多人可能并不陌生。通过切取、钳取或穿刺等方式从患者体内取出病变组织，进行病理学检查，绝大多数时候都能做出明确的组织病理学诊断。

那么什么是液体活检呢？

所谓液体活检，是指利用患者体液作为样本进行检测，从而获取相关疾病的信息。其中，体液包括血液、尿液、唾液甚至脑脊液，可对应检测肺癌、前列腺癌、头颈部癌症和中枢神经系统肿瘤疾病。

雷锋网了解到，液体活检技术曾被《麻省理工科技评论》评为 2015 年度十大突破技术之一。

相比传统的组织活检，液体活检优势明显：

副作用小、非侵入式、可重复取样：传统活检对病人体质要求较高，而且可能会引起并发症；
无需影像学支持：传统活检通常要先依赖影像学（CT、MRI、超声波等）支持，发现、定位肿瘤的确切大小、位置后进行穿刺；
有效应对肿瘤异质性：传统活检的样本中可能出现部分肿瘤信息缺失的情况。

事实上，大部分人可能都听说过的无创 DNA 产前检测（NIPT）也是一种液体活检，仅仅采取孕妇静脉血，通过新一代母体外周血中胎儿游离 DNA 的检测，就能较为有效地进行胎儿的染色体检测，或获取胎儿的患病信息（比如唐氏综合征）。

不难看出，无创 DNA 产前检测用到的方法是游离 DNA（cfDNA，cell-free DNA）检测。

值得一提的是，cfDNA 检测也是一种很有效的癌症检测方法，其具体原理是：

在健康人的血浆中，cfDNA 来自于凋亡细胞，不来自于坏死细胞，而癌症患者血浆中的 cf-DNA 不仅来自于凋亡细胞，还来自于肿瘤细胞主动释放出的 DNA 及肿瘤细胞坏死溶解释放出的 DNA。

据了解，通常情况下，肿瘤将 DNA 释放到血液中就形成了 cfDNA，但由于体内其他类型的细胞也可能会形成 cfDNA，因此会给癌症检测带来一定的干扰。

癌症早期误检率不到 1％

针对这一问题，上述研究团队的目光聚焦于 cfDNA 的甲基化水平，旨在以较强的异质性检测、定位出处于各阶段的多种癌症类型——DNA 甲基化是指 DNA 化学修饰的一种形式，能够在不改变 DNA 序列的前提下改变遗传表现。DNA 甲基化通常会抑制基因表达，DNA 甲基化异常及其造成的基因表达的变化将促进肿瘤的生长，因此分析 cfDNA 甲基化有利于检测和定位癌症。

具体来讲，研究团队将 6689 名参与者中的 2482 例癌症患者（癌症类型超过 50 种）和 4207 例非癌症患者分为训练组和对照组，对参与者的血浆 cfDNA 进行亚硫酸氢盐测序。这一检测主要针对人类基因组中 3000 万个甲基化位点中的大约 100 万个。

研究团队通过对参与者进行抽血，便可识别出 50 多种类型的癌症、所处阶段及癌变起源的组织。从未患癌症（下图上半部分）、患癌症（下图下半部分）的血液样本中分离 cfDNA，并进行靶向甲基化测序分析。

随后，研究团队将识别甲基化（红色部分）或未甲基化（蓝色部分）的测序结果作为输入变量，输入机器学习模型，来具体进行识别。

雷锋网了解到，该研究用到的机器学习模型基于一个 cfDNA 癌症和非癌症信号甲基化数据库进行训练。这一数据库被认为是目前世界上最大的甲基化数据库，由美国癌症早筛公司 GRAIL 提供。

实际上，GRAIL 首席执行官 Hans Bishop 也曾表示：

GRAIL 正处于癌症早期检测转变的最前沿，我们将通过启动首个干预性研究将泛癌种检测纳入临床实践。我们正与领先的医疗保健系统合作，以获得对泛癌种早期检测临床应用的重要见解。

该研究结果表明：

异质性为 99.3％[95％置信区间：98.3％-99.8％；假阳性率 0.7％]；
在最为致命的 12 种癌症类型（肛门、膀胱、结肠/直肠、食道、胃、头和颈、肝/胆管、肺、卵巢、胰腺）中，I–III 期真阳性为 67.3％（置信区间：60.7％-73.3％）；
在 50 多种癌症类型中，第一阶段真阳性为 18％（置信区间：13％-25％），第二阶段为 43％（置信区间：35％-51％），第三阶段为 81％（置信区间：73％-87％），第四阶段为 93％（置信区间：87％-96％）。

可见，这一研究在原先的癌症早筛方法上有了新突破，正如《肿瘤学年鉴》主编 Fabrice André 教授所说：