行业洞察|一文浅析液体活检

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随着人类基因组计划的完成，精准医学开始频繁出现在大众视野之中，2015年，由国家卫计委和科技部牵头，论证启动精准医学计划。自此，精准医学时代正式开启。

癌症是一个慢性病，是多因素相互作用的结果。癌症的早期发现对于癌症治疗至关重要，但是癌症早筛的重要性却往往被人们忽视。


随着癌症发病率的提高，国民的健康意识也在不断提升，健康意识觉醒让癌症早期筛查关注度增长171%。
随着人类基因组计划的完成，精准医学开始频繁出现在大众视野之中，2015年，由国家卫计委和科技部牵头，论证启动精准医学计划。自此，精准医学时代正式开启。
而精准医学时代，液体活检成为肿瘤诊疗领域的重要技术手段。
那么，什么是液体活检呢？
一、什么是液体活检

广义的液体活检是指：利用人体的体液样本的分子标志物进行检测分析以获取相关疾病信息的技术。液体标本包括血液（外周血）、唾液、尿液、脑脊液、胸腔积液等多种。
相对组织活检，液体活检的整体优势主要在于获得侵入性要小得多，允许频繁、连续的采样，从而能够实现对肿瘤组织的实时动态检测、克服肿瘤异质性并提供更全面的检测信息，并且还可以在无法进行组织活检时进行液体活检。
大量研究显示液体活检生物标志物具有改变肿瘤诊疗范式的潜力，具有极高临床应用和市场价值，并于 2015 年入选 MIT 科技评论（MIT Technology Review）“年度十大突破性技术” 之一。
以下为液体活检重要里程碑：
● 1948 年，Mandel 和 Metais（PMID: 18875018）发现人类血液的循环游离 DNA（cell-freeDNA，cfDNA）。
● 1977 年，Leon 和 Shapiro 等人发现癌种患者的血浆和血清中存在高于正常水平的
cfDNA，并假定该 cfDNA 主要代表循环肿瘤 DNA （circulating tumor DNA，ctDNA）。
● 2004 年，Cristofanilli 等 人 通 过 CellSearch 证 明 循 环 肿 瘤 细 胞（circulating tumor cells，CTC）计数与癌症患者分层的临床相关性；后来，Diehl 等人在 CTC 中检测到与结肠癌相关的突变。
● 2008 年，Johan Skog 等首次发现外泌体（exosome）携带有大量的 DNA 和多种 RNA，从病人血液中分离的外泌体可以作为检测肿瘤基因检测的目标。
● 2010 年，Pantel 和 Alix-Panabières 将基于循环肿瘤物质分析的临床应用命名为“液体活检（liquid biopsy）”。
● 2013 年，Crowely 等人在此基础上报道了 ctDNA 在原则上可以提供和肿瘤组织一致的遗传信息。
● 2014 年，Bettegowda 等人基于 14 种癌种的血液样本分析，证实癌细胞和癌症衍生的DNA 可以在疾病发展的任何阶段进入血液。
● 2020 年，FDA 批准首个基于 NGS 的液体活检产品，即 Guardant Health 公司开发的Guardant 360 CDx 产品用于所有实体瘤类型的综合基因组分析以及伴随诊断。
● 2021年，ctDNA液体活检用于MRD检测：Cytosorter循环上皮细胞分离仪获得NMPA许可。
● 2022年，来自以色列魏兹曼科学研究所和希伯来大学领导的国际研究团队开发了一种基于单分子的液体活检方法，并发表于Nature Biotechnology。
二、检测分类

液体活检技术应用的关键在于靶标类型选择。
通常，液体活检的肿瘤来源生物标志物主要包括循环肿瘤细胞（CTC）、细胞游离DNA（cfDNA）、循环肿瘤DNA（ctDNA）， 外泌体（Exosome）、胞外RNA（exRNA）、循环蛋白和代谢产物等，不同靶标类型具有不同的检测特点。



液体活检靶标类型

其中，CTCs和ctDNA的研究较为成熟，而在检测肿瘤驱动基因突变（含 SNV 和 CNV）以及甲基化方面具有高信号丰度和高信号强度等方面，ctDNA 则更具优势。
1、CTCs液体活检

循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells, CTCs）是由肿瘤原发灶或转移灶脱落进入血液循环，通过血液循环播散并进行远处转移的肿瘤细胞。



循环肿瘤细胞（CTCs）（来源：Bourré ,et all, Crown Bioscience,2020）

CTCs携带肿瘤和转移组织的遗传和表型的生物学信息，可以增加对肿瘤和转移扩散过程的了解，并且可以对疾病进展和治疗反应进行实时监测。CTC检测更适用于早期的癌症筛查和后期的临床预后检测。
2、ctDNA液体活检

循环肿瘤DNA（Circulating Tumor DNA，ctDNA）是人体血液循环系统中不断流动的携带一定特征来自肿瘤基因组的DNA 片段。
ctDNA会携带来源于肿瘤细胞相关的遗传学特征，如基因突变、甲基化、插入、重排以及拷贝数异常等，可作为肿瘤筛查、伴随诊断、治疗疗效评估及预后风险分层的重要指标。



ctDNA来源

The New England Journal of Medicine研究结果发现：ctDNA检测作为一种无创的检测方法，能够真实的反映实体瘤组织中的基因突变图谱与频率，是作为治疗效果的评估及治疗后临床随访的一项重要监测指标。
但在早期无症状个体中，在体液中实现可检测的ctDNA浓度并非易事，且ctDNA片段呈现较短的半衰期，特定突变更加微乎其微，在肿瘤筛检中存在一定限制。



2022年ctDNA高通量测序临床实践专家共识

2022年ctDNA高通量测序临床实践专家共识指出：随着液态活检的快速发展，采用体液对患者的分子特征进行分析成为可能，特别是基于ctDNA的下一代测序（next generation sequencing，NGS）技术，因其无创或微创、检测时间短、能够反映瘤内和转移灶异质性、可动态监测治疗疗效等优势而在临床得到越来越广泛的应用。



ctDNA 水平一般呈动态变化，且受多种因素影响

3、cfDNA

细胞游离DNA（cell-free DNA，cfDNA）是由细胞释放到血液中的降解的DNA分子。cfDNA的特征之一是：其长度分布反映了DNA释放的来源和机制。



cfDNA和ctDNA的区别

这些片段的长度在50到300个碱基对之间，通常在健康人的血液中以低浓度存在。然而，随着癌症和其他健康状况的发展，细胞会释放大量DNA进入血液循环，血液中cfDNA的水平普遍升高。例如，与健康对照相比，胰腺癌患者的 cfDNA 显示出更短的片段大小和更高的 cfDNA 水平。
以诊断和筛查为目从人类血液中分离出的各种类型的cfDNA包括循环肿瘤DNA、线粒体DNA和胎儿DNA，在临床研究的不断积累与支撑之下，已广泛用于液体活检、癌症早筛、无创产前筛查（NIPT）、用药指导、以及感染性疾病诊断等领域。
三、从科研走向应用

液体活检为手术活检提供了一个有吸引力的替代方案，相关检测手段已用于癌症管理中的多种临床场景。
截止到2019年3月，已有194项液体活检技术及相关应用在美国临床试验注册平台（https://clinicaltrials.gov）注册使用，所使用的生物标志物均为CTCs和cfDNA/ctDNA。
然而，在广泛应用于临床实践之前，还需要解决一些挑战和限制，包括样本丰度、背景干扰以及缺乏标准化的检测分析方法等问题。
液体活检技术的进步是推动市场增长的关键因素之一。一些新型液体活检平台还可以同时分析单个样本中的多个生物标志物。此外，cfDNA提取和分析技术的进步也将大大提高从液体活检中获得的ctDNA的质量和数量。
随着技术的发展和改进，基因检测通量的不断提高和测序成本以“超摩尔速度”下降，技术飞速发展推动了新的应用，液体活检也将进入到“多组学 2.0”时代，并在肿瘤早筛、分子分型、预后判断、用药指导、疗效监测、耐药研究中呈现出重要价值。
四、前景广阔，未来可期

近年来癌症患病率不断上升，尤其体现在人口老龄化群体；随着大多数人的健康管理意识增强，对身体健康情况的“忧患”意识增强，对疾病的早筛查，早诊早治理念普遍认同，而非侵入性方法检测自身健康状态正是适合这一情况的最好选择。
今年，Technavio公司宣布了其关于液体活检市场的最新报告，报告显示，2022年至2027年预计液体活检市场规模将增长21.7亿美元，复合年增长率达19.54%。


未来，液体活检需要朝着更加准确、灵敏、快速、费用更低的方向发展，前景广阔，未来可期。同时，伴随着新技术的发展及多维大规模信息量的获取，单一学科、单一检测已无法满足目前临床诊疗需求以及肿瘤患者早诊早筛的需求，需多学科、资源及信息的整合，建立个体化治疗方案，实现肿瘤患者个体化、精准化治疗的内生动力。
相信未来，超早期肿瘤的发现将成为现实，液体活检有可能成为整个人类的健康福音。
<hr/>参考文献：

• Tivey A, Church M, Rothwell D, Dive C, Cook N. Circulating tumour DNA - looking beyond the blood. Nat Rev Clin Oncol. 2022 Sep;19(9):600-612.
  
• Wei F, Strom CM, Cheng J, Lin CC, Hsu CY, Soo Hoo GW, Chia D, Kim Y, Li F, Elashoff D, Grognan T, Tu M, Liao W, Xian R, Grody WW, Su WC, Wong DTW. Electric Field-Induced Release and Measurement Liquid Biopsy for Noninvasive Early Lung Cancer Assessment. J Mol Diagn. 2018 Nov;20(6):738-742.
  
• ctDNA的高通量基因检测临床实践专家共识（2022年版），中国癌症防治杂志，2022年6月第14卷第3期
  
• https://mp.weixin.qq.com/s/kMoulUUOHKY0zU4CTSMMOA，复合增长率近20%！最新液体活检市场全球趋势及预测【早筛网】
  

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