Cancer Discov：基因组学、片段组学、甲基化组学“三位一体”，多模态cfDNA分析可高灵敏度识别早期癌症

导读

Li-Fraumeni Syndrome综合症（LFS）主要由肿瘤抑制基因TP53的致病性胚系变异引起，是一种罕见、外显率可变的癌症易感性综合征。LFS患者从儿童时期开始就具有非常高的患癌风险，几乎为100%。与LFS相关的常见癌症包括：软组织肉瘤、骨肉瘤、脑肿瘤、乳腺癌和肾上腺皮质癌等。由于患癌风险较高，通过对所有TP53突变（TP53m）携带者进行密集的监测，有助于更早发现癌症并改善预后。 

细胞游离DNA（cfDNA）分析，又被称为“液体活检”，能够基于患者血浆识别肿瘤相关的基因突变及特征，可用于一系列临床应用，包括早期癌症检测，是监测高危遗传性癌症综合征（HCS）患者的有力工具。

近期，加拿大玛嘉烈公主癌症中心等单位的研究人员合作在Cancer Discovery杂志上发表了题为“Early Cancer Detection in Li-Fraumeni Syndrome with Cell-Free DNA”的文章。研究团队分析了来自89名TP53m携带者193份血液样本的cfDNA，开发了一种多模态分析方法。该方法结合靶向Panel测序（TS）、低深度全基因组测序（sWGS）和游离甲基化DNA免疫共沉淀测序（cfMeDIP-seq），可在广泛的癌症谱中检测各种癌症相关的信号。研究结果表明，与单模态方法相比，多模态cfDNA分析方法可以更早发现Li-Fraumeni综合征患者中的癌症，并补充了目前的临床监测方法，能够为这些患者提供更好的保护。

文章发表在Cancer Discovery

主要研究内容

cfDNA中基因变异的检测

研究团队从玛格丽特公主癌症中心、多伦多儿童医院招募了89名TP53m携带者，并将其分为三类：①从未患过癌症的TP53m携带者（LFS-H）；②无癌且有既往癌症史的TP53m携带者（LFS-PC）；③患有活跃性癌症的TP53m携带者（LFS-AC）；LFS-H和LFS-PC的样本被归类为癌症阴性。有42名参与者接受了长期检测，每个人提供了2-11个样本，其他参与者只提供1个样本，最终收集了193份血液样本。此外，研究团队还收集了30名健康TP53野生型个体的血液样本作为健康对照。

有23份样本DNA含量（100~10ng）较少，因此未进行测序。研究团队首先对来自82名TP53m携带者的170份剩余样本和30名健康对照样本分别进行TS、sWGS和cfMeDIP测序，以单独评估不同分析方法在检测ctDNA方面的性能，然后进行多模式和纵向分析。

通过对来自69个TP53m携带者的118个血浆样本进行TS，利用胚系变异鉴定，研究团队共鉴定出109个胚系TP53变异（SNV/indel）。在未检测到胚系SNV/indel变异的样本中，研究团队使用panelcn.MOPS和VisCap进行靶向panel拷贝数分析，在7例患者中确定了胚系TP53拷贝数变异（CNV）。总体而言，研究团队在116份血浆样本中发现了胚系TP53变异，这与临床胚系检测结果一致。

图1. 样本分类及cfDNA检测。

在来自22个LFS-AC的31份癌症阳性样本中，20份来自晚期癌症（III/IV期），5份来自早期癌症（0/I/II期），6份来自无分期或不明分期肿瘤。研究团队通过TS在13份样本中发现了16个体细胞TP53突变，其中来自晚期癌症患者的有6个，来自早期癌症患者的有3个，检出率分别为30.0%和60.0%。

在60个无癌TP53m携带者的癌症阴性样本中，研究团队在11个个体的16个样本中发现了20个体细胞TP53变异。此外，使用ichorCNA对82个TP53m携带者的170个样本进行sWGS拷贝数分析，发现有22个样本具有可检测的肿瘤信息。

综上，共有118个样本同时拥有TS和sWGS数据，其中86个为癌症阴性，32个为癌症阳性。在癌症阳性样本中，TS和sWGS联合分析能够在20个样本中识别出体细胞改变，检出率为62.5%。

图2. 基于cfDNA检测到的基因组改变。

TP53m携带者拥有更短的cfDNA

已有研究表明，ctDNA富含较短的DNA片段，分析片段长度可以用于检测癌症相关的基因突变。研究团队比较了肿瘤突变的癌症相关片段和健康对照相关片段。结果显示，与野生型片段相比，胚系TP53变异片段的大小分布相似，体细胞TP53突变片段的长度较短；与健康个体相比，TP53m携带者的片段得分更高。

为探讨队列中片段长度分布的差异，研究团队比较了来自健康对照、LFS-H和LFS-AC的样本在四个片段长度区间（10-89bp、90-150bp、151-220bp和221-320bp）的中位数分布。与健康对照组相比，LFS-H样本在10-89bp、90-150bp和221-320bp的片段比例增加，在151-220bp的片段比例减少，表明核小体内的碎片增加导致单核小体片段变小，并增加了TP53m携带者中双核小体片段的释放。

与LFS-H样本相比，LFS-AC样本在90-150bp和221-320bp的前半部分片段比例增加，在151-220bp和221-330bp的后半部分片段比例减少。这种不同片段化模式表明，活跃性癌症TP53m携带者的片段长度分布向更短的单核小体和双核小体相关片段转移。

图3. 基于cfDNA的片段长度分布分析。

多模态cfDNA分析可改善检测结果

研究团队经单独分析发现，不同分析方法均能检测到癌症相关信号，但往往缺乏足够的敏感性。为确定综合方法能否提高敏感性，研究团队比较了38例癌症阳性样本的基因组、片段组和甲基化组分析结果。

结果显示，利用多模态分析方法能够在81.6% TP53m携带者的活跃性癌症样本中检测到癌症相关信号，比每个单独分析提高了31.6%-55.8%。在晚期（III/IV）癌症中，多模态分析方法检出率为91.7%；在早期（0/I/II）癌症中，检出率为50.0%。

此外，在无癌TP53m携带者中，多模态方法的阳性预测值（PPV）为54.2%；阴性预测值（NPV）为95.4%，与单模态分析相比增加16.6-34.6%。上述结果表明，多模态cfDNA分析方法能够高灵敏度识别肿瘤相关突变，优于或与当前的临床筛查方式一致，可以改善和补充目前对TP53m携带者的管理。

图4. 多模态cfDNA分析改进了检测结果。

结语

综上所述，研究团队使用基因组、片段组学和表观基因组方法对来自82个TP53m携带者的170个样本进行了综合分析，揭示了多组学和多模态cfDNA联合检测对HCS（如LFS）早期癌症检测的补充价值。每种检测方法（TS、sWGS、cfMeDIP-seq）都可以检测分析独立的生物信号，当与其他临床筛查方式一起评估时，可提高预测总灵敏度、特异性和稳健性。这提示液体活检可作为一种有价值的诊断前筛查检测，与目前的影像学监测相补充。

据悉，研究团队将进一步测试这种多模态分析方法，并对具有不同类型的高风险HCS患者进行筛查，希望能及早发现癌症。

参考文献

Derek Wong, Ping Luo, Leslie E. Oldfield. et al, Early Cancer Detection in Li-Fraumeni Syndrome with Cell-Free DNA. Cancer Discov 2023. https://doi.org/10.1158/2159-8290.CD-23-0456.https://aacrjournals.org/cancerdiscovery/article/doi/10.1158/2159-8290.CD-23-0456/729598/Early-Cancer-Detection-in-Li-Fraumeni-Syndrome