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基于 cfDNA 片段组学和 5hmC 的泛癌检测新方法

花匠小妙招
2024-12-03 23:22

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DOI: https://doi.org/10.1016/j.tranon.2023.101694

组织活检是最广泛使用的癌症诊断和分期的方法，然而，由于组织活检是一种侵入性的检查方法，它在早期筛查癌症、跟踪克隆演变、监测治疗反应以及检测癌症复发方面存在一定的困难。因此，临床迫切需要开发一种准确的液体活检方法，可用于泛癌检测，识别抗性机制，量化最小残留疾病，监测治疗反应等。

循环无细胞肿瘤 DNA（ctDNA）是癌症患者血液中的一种肿瘤衍生物质，主要来自于癌细胞的凋亡或坏死。ctDNA 携带癌症特定的基因突变、表观遗传学改变和片段组畸变，可以以非侵入性的方式进行癌症检测和原发组织预测。然而，由于癌症是一种高度异质性的疾病，基于遗传和表观遗传畸变的生物标志物在实际应用中往往有局限性。最近的研究表明，无细胞 DNA（cfDNA）片段化是一个非随机的过程，其在生成过程中保留了能反映机体转态的的多种与染色体结构相关的生物学信息，如肿瘤来源的cfDNA更短，cfDNA末端碱基组成也有偏好性等等，因此，随着研究的深入，cfDNA片段组学的概念逐渐形成并得到认可，利用 cfDNA 片段组学开发一种非侵入性癌症检测的通用方法已成为一种新型的有效方案。近年来，5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）被证实在组织特异性基因表达中具有极其重要的调节作用，并且结合 cfDNA 5hmC 图谱的多组学分析有效提高了癌症检测的敏感性和特异性，成为泛癌检测发展的新方向。

泰莱生物cfDNA 5hmC检测方案，在有效捕获表观修饰序列的同时，其使用的技术及测序路径也有效保留了以上cfDNA片段组学的特征，为开发多维度整合疾病预测模型提供了基础。

5 月 18 日，国际著名期刊《转化肿瘤学》（Translational Oncology）在官方网站上刊载了成果论文《基于游离 DNA 中 5 羟甲基胞嘧啶测序中片段组学信息的泛癌检测》（英文全称：Integrated fragmentomic profile and 5-Hydroxymethylcytosine of capture-based low-pass sequencing data enables pan-cancer detection via cfDNA），进一步证实 5hmC 测序数据中的片段组学信息是癌症检测的理想标志物，在低通测序数据中显示出高性能。并且开发了一种集成模型，包含了代表片段组学和羟甲基化的 63 个特征，该模型实现了泛癌检测的较高灵敏度（88.52%）和特异性（82.35%）。该研究由四川大学华西医院主导，四川大学华西医院疾病分子网络前沿科学中心博士后、泰莱生物表观基因组学研究员张俊博士为该项成果的重要参与者，四川大学华西医院疾病分子网络前沿科学中心研究员、泰莱生物顾问科学家谢丹教授为本项成果的通讯作者。

研究团队纳入了 85 名健康对照组和 311 名癌症患者的 5hmC-seq 数据，其中癌症患者数据囊括了肺腺癌（LUAD）、胰腺导管腺癌（PDAC）、肝细胞癌（HCC）以及胶质母细胞瘤（GBM），收集来自 15 名健康对照和 59 名癌症患者的血浆样品进行 WGS 来建立末端标志物组，同时对来自 19 名健康对照和 98 名癌症患者的低通量 WGS 数据与低通量 5hmC 测序数据进行交叉检查，比对其一致性。根据结果，四个癌症样品中的 cfDNA 5hmC 片段大小显著短于健康对照组。除此之外，研究团队在 5hmC 测序数据中证实了在 cfDNA 5hmC 中存在超长片段，并创造性使用长片段进行了相关分析。结果显示，基于捕获的测序技术比 WGS 更可能捕获到超长 cfDNA 片段，并且在所有癌症类型中，超长片段的百分比明显低于对照组。通过评估不同长度片段处的 cfDNA 5hmC 片段比例，结果显示癌症组中单核小体的 cfDNA 片段比例较高，双核小体的 cfDNA 片段比例较低。

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图 1：研究设计流程

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图 2：全基因组 cfDNA 片段末端图谱构建 90421685424846447

图 3：基于 5hmC 测序数据，结合片段组学和 5hmC 特征的癌症检测性能

通过结合两种特征（表观遗传标记和片段组学信息），研究团队进一步深入挖掘基于 cfDNA 的泛癌检测能力。结果表明，癌症样品中的 5hmC 数据超长片段在预测癌症方面有着重要的作用。

四川大学华西医院疾病分子网络前沿科学中心博士后、泰莱生物表观基因组学研究员张俊博士介绍道：“在这个基础上，我们开发了一种整合模型，并入了 63 个代表片段组学和羟甲基化特征，其在泛癌检测方面有较高的敏感性和特异性，证实了使用非线性分类算法对 5hmC 数据进行 cfDNA 片段组学分析可以提供一种简单、低成本和高效的癌症检测方法，并且表观组学与cfDNA片段组学的碰撞，擦出了高准确度、高溯源性的火花，为液体活检泛癌种筛查与诊断提供了一种新方法。” 另一方面，利用 5hmC 数据中的超长片段作为生物标志物，可以在未来应用于其他的测序方法，例如游离细胞甲基化 DNA 免疫沉淀和高通量测序（cfMeDIP-seq）。

实际上，本研究所涉及到的表观基因组学渗透在机体生长发育中的方方面面，在癌症样品中所检测的 5hmC 是胞嘧啶表观修饰的一个中间产物，此前有研究表明，该项基于表观基因组学 cfDNA 5hmC 测序的评估方法在部分单癌种预测评估中也存在突出表现。

四川大学华西医院、泰莱生物等多单位早先针对胰腺癌、肝癌、肺癌、脑胶质瘤等进行了单癌种预测评估的联合研究，在多个癌种的辅助筛查与诊断方面积累了高质量的验证经验，相关技术成果均已被 Clinical Epigenetics、ESMO Open、International Journal of Cancer 等国际重要期刊收录和刊载。

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