从血液中获取不同的数据

介绍

2000多年前，当一个人患癌症时，罗马或希腊的医生会检查他的“体液”或体液，包括血液。然后重点是分析体液的过量或不足。在那个时候，医学是高度个人主义的，据说每个病人都有他或她自己独特的体液成分。今天，医学研究，特别是癌症研究，似乎回到了这些起源。至少像赫克托·阿尔瓦雷斯(Hector Alvarez)博士这样的科学家是这么认为的。Alvarez博士是MD Anderson癌症中心胰腺癌研究中心液体活检平台的领导医师科学家。他正在寻找一种创新的、侵入性更小的方法来诊断和监测胰腺癌。

根据国际世界癌症研究基金会(World Cancer Research Fund International)的数据，胰腺癌是全球第12大常见癌症，2012年全球新增确诊病例超过30万例。¹胰腺癌是为数不多的存活率在过去几十年没有改善的癌症之一。²持续的高死亡率可能是由于缺乏能够在早期阶段发现该病的检测方法。²

阿尔瓦雷斯博士正在开发液体活组织检查的实验室协议、设备和软件，以便在血液或其他体液中发现早期生物标志物。利用HiSeq 2500系统的下一代测序(NGS)，他和他的团队正在对胰腺癌患者的血液样本进行深入分析，以确定与疾病及其进展相关的细微肿瘤事件。他的研究重点是寻找能够帮助诊断胰腺癌的生物标志物。

Hector Alvarez，医学博士，是一名内科科学家，领导着位于德克萨斯州休斯顿的MD安德森癌症中心胰腺癌研究中心的液体活检平台。

血液中的信息

从历史上看，大多数癌症是在组织活检后诊断出来的。首先，临床医生从可疑的病变或肿块中取出一小块组织。病理学家会更仔细地观察组织中的细胞，以确定它们是否癌变。当有问题的器官位于腹部深处，比如胰腺，这类手术需要图像引导的穿刺活检，这有可能会遗漏肿瘤其他部位的重要组织异常。^3.

阿尔瓦雷斯博士说:“胰腺肿瘤很难接触到，也很难采集组织样本。”“这意味着我们通常无法获得有助于治疗和提高生存率的重要信息。当肿瘤所在的地方确实提供了通路，而活组织检查显示有癌症迹象时，只有大约20%的患者愿意接受手术。通常情况下，已经太晚了，肿瘤已经长得太厉害了，病人不适合做手术。”

“我们是第一批证明外泌体中存在足够多的双链DNA的团队之一，可以用高分辨率对它们进行肿瘤分析。”

这导致许多临床医生呼吁进行液体活检检查，在这种检查中，一小瓶血液可以为医生提供所有必要的临床信息，以作出可靠的诊断，并确定有针对性的干预措施。液体活组织检查依赖于血液或其他体液中循环的肿瘤的遗传信息。阿尔瓦雷斯博士说:“当肿瘤细胞死亡时，细胞和周围组织将DNA释放到循环中。”“这种DNA的基因改变可能有助于临床医生了解肿瘤发生了什么，或者它是否已经从最初的肿瘤部位转移到身体的其他部位。”

2016年6月，在2016年美国临床肿瘤学会(ASCO)会议上，发表了一项针对15000多名癌症受试者的大规模研究。研究发现，Guardant360是一种液体活检，可以检测70种不同的突变，它是准确的，可能是传统活检方法的可靠替代品。⁴

阿尔瓦雷斯博士对这项研究结果并不感到惊讶，但他认为，还需要进行更多的研究，才能创造出一种医生可以依赖的真正可用于临床的测试。“在MD安德森癌症中心，我们致力于开发一个平台，对临床医生有全面的意义，”阿尔瓦雷斯博士说。“我们希望开发一种可以用于临床的测试，周转时间短。我们的工作表明，通过细胞外囊泡释放的遗传物质可能提供了这类信息。”⁵

NGS, Actionable Intelligence和外泌体

三年前，科学家们还处于证明液体活组织检查可行的早期研究阶段。今天，阿尔瓦雷斯博士强调“我们所做的不仅仅是基础研究。我们正在努力寻找正确的测试方案，以提供准确的、临床相关的结果，并支持医生确定需要什么样的治疗。”

他认为，可以从特殊的细胞外囊泡(称为外泌体)释放的DNA中收集到的信息，以及来自其他细胞间隔的遗传信息，可能对了解肿瘤的发展和转移至关重要。“细胞外囊泡有50多种类型，其中最著名的是凋亡小体。还有更小的微囊泡和更小的外泌体，”他解释道。“我们是第一批证明外泌体中存在足够多的双链DNA的团队之一，可以用高分辨率对它们进行肿瘤分析。”⁵

他和他的同事研究了两个胰腺癌和一个壶腹癌患者的外泌体脱落。⁵他们使用HiSeq 2500系统对exoDNA和exoRNA进行全基因组、全外显子组和转录组测序。他们在脱落的外泌体中发现了大量的肿瘤DNA，这表明基于外泌体的液体活检可能具有临床诊断和治疗监测的潜力。虽然阿尔瓦雷斯博士是第一个证明基于外泌体的液体活组织检查的可行性和有效性的人，但他说，可能还有更重要的遗传信息有待发现。

“我们正在使用HiSeq 2500系统进行全基因组、全外显子组和rna测序，以确定可能存在的广泛的生物标志物。”

“所有的细胞外囊泡都可能很重要，”阿尔瓦雷斯博士说。“首先，我们认为不同的囊泡是异质性的，可能在疾病进化过程中发生变化。有不同的生物标记来自不同的区域，这些可能代表不同的生物状态。第二，并不是只有肿瘤细胞才会产生颗粒或细胞外囊泡。囊泡DNA的变化可能反映了身体其他部位发生的变化，这些部位可能是癌症开始的地方，但这些肿瘤太小了，在常规成像中不太明显。”

他相信，在未来，这些结果可以帮助诊断那些无法接受常规手术活检的癌症患者。“对这些患者来说，任何非侵入性诊断程序的进展都是一种收获，”阿尔瓦雷斯博士补充说。

他在MD Anderson的液体活检团队也对在无细胞DNA中发现的标记物感兴趣，特别是当它与治疗反应有关时。细胞游离DNA的不同变异和突变可能提供有关某种特定干预或治疗是否有效的遗传数据。

“当细胞死亡时，核DNA变得碎片化，并被切成双链DNA的小片段，释放到循环中，”阿尔瓦雷斯博士说。“这些小片段的DNA可能包含信号临床反应的改变。在癌症的晚期，细胞游离DNA的浓度往往较高。这可以让我们对癌症的活动有更全面的了解。”

NGS技术创新

阿尔瓦雷斯博士的测序经验始于他在约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)研究胆囊癌的时候。“在我写博士论文的时候，我接触到了一种叫做基因表达序列分析(SAGE)的新技术。这是用于癌症基因解剖项目(CGAP)的测序技术。它基本上是一种RNA测序技术。”

事实上，SAGE数据收集是NGS的前身。但与任何早期平台一样，它也并非没有挑战。“我们需要建立手工的基因组库，”阿尔瓦雷斯博士说。“当时没有准备库的工具，所以我们花了很长时间来创建执行测序所需的巨大库。尽管困难重重，但这是对遗传学力量的一次很好的介绍。”

“我们很高兴我们选择了HiSeq 2500系统。它提供高质量的数据，对于这类工作来说，数据质量很重要。”

数据质量是Alvarez博士和他的团队选择NGS系统进行研究的关键因素。“我们研究了几个有竞争力的系统，决定使用数据质量最好的系统，”阿尔瓦雷斯博士说。“我们很高兴我们选择了HiSeq 2500系统。它提供高质量的数据，对于这种工作，数据质量很重要。我们用它来观察和跟踪各种生物标志物。”

除了易于使用，Alvarez博士认为，使用NGS和HiSeq 2500系统，以及最近的NextSeq 500系统的好处之一是，这两个系统都能实现整合基因组学方法来研究细胞外生物标志物。

Alvarez博士表示:“我们正在使用HiSeq和NextSeq系统进行全基因组、全外显子组和rna测序，以识别可能存在的广泛的生物标志物。”“液体活组织检查要有价值，就需要检测几个生物标志物。如果我们能识别出细胞外囊泡、循环肿瘤细胞和游离DNA中的生物标志物，我们就能获得这种疾病在整个身体中发生的总体情况。”

阿尔瓦雷斯博士表示，随着癌症研究人员认识到肿瘤本质上是异质的，同时对DNA和RNA信息进行调查就变得更加重要了。

“所有来自这些不同区域的高分辨率信息可能预示着一种更好的方法，以确定胰腺癌的具体情况。”

阿尔瓦雷斯博士说:“即使你可以通过核心活检或细针活检有效地采集组织，你的样本中的内容可能不能代表整个肿瘤。”“我们相信，在液体活检的情况下进行NGS可以让我们对整个肿瘤发生的情况有一个完整的了解。这是令人难以置信的强大。来自这些不同区域的所有高分辨率信息可能是一种更好的方法，以确定胰腺癌的具体情况。”

前进

阿尔瓦雷斯博士的目标仍然是开发一个全面的、可供临床使用的液体活检平台。他认为，这将在针对个别患者的个性化治疗计划中发挥关键作用，特别是对于难以诊断或治疗的癌症，如胰腺癌。

阿尔瓦雷斯博士说:“我们认为，拥有一组个性化的基因改变很重要。”“一种特殊的基因图谱可以在治疗开始时确定，然后临床医生可以随着时间的推移跟踪这种图谱的变化，以帮助他们了解疾病的过程。”

他和他的团队目前正在跟踪100多名胰腺癌患者，将exoDNA和细胞游离DNA进行比较，以衡量不同疗法的效果。他们希望很快公布这些结果。他还兴奋地发现，NGS提供的不同识别标记也可能提供一些关于肿瘤耐药机制的信息，并为未来设计新的免疫疗法提供线索。

阿尔瓦雷斯博士说:“在未来，液体活组织检查在精准医疗中有广泛的作用，包括在预防、早期检测和疾病管理方面的价值。”“例如，免疫疗法可以从液体活检中获益良多。通过同时分离核酸，如DNA和RNA，我们可以识别和跟踪新抗原，这是非常有前途的治疗策略的个性化分子靶点。我们正在开发肿瘤衍生的外泌体富集过程，以增加液体活检中的肿瘤信号。如果没有液体活检和NGS，就不可能对实体肿瘤进行持续的基因改变监测。”

尽管阿尔瓦雷斯博士对液体活组织检查的前景持乐观态度，但他提醒说，仍有很多工作要做。随着时间的推移，他和他的团队将继续跟踪研究对象，并测量细胞游离DNA、外泌体DNA和其他生物标志物的不同基因变化。他期待看到这些生物标记将揭示胰腺癌本质的哪些秘密，以及他和他的团队如何利用它们将这些秘密转化为对抗这种疾病的工具。

阿尔瓦雷斯博士补充说:“胰腺癌很难治疗，因为它不像肺癌、结肠癌或乳腺癌那样是典型的实体肿瘤，所以没有太多的治疗余地。”“我们的研究需要不断发展，这样我们才能了解我们可以在哪些方面进行干预并做出改变。我们必须收集足够的数据来证明液体活检在临床上是可靠的，并且与护理相关。这需要一些时间，但我们会实现的。”

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