ارزیابی آزمایش‌های خون مبتنی بر DNA بدون سلول برای تشخیص زودهنگام سرطان‌های متعدد

در مطالعه اخیر منتشر شده در سلول سرطانیمحققان چندین رویکرد را برای آزمایش تشخیص زودهنگام چند سرطانی (MCED) مبتنی بر اسید دئوکسی ریبونوکلئیک بدون سلول (cfDNA) در گردش ارزیابی کردند. تعریف حد تشخیص بالینی (LOD) بر اساس کسر آلل تومور در گردش (cTAF) امکان مقایسه رویکردهای مختلف را فراهم می کند.

آزمایش MCED یک آزمایش خون است که به تشخیص زودهنگام سیگنال سرطان مشترک در چندین سرطان با استفاده از نمونه خون کمک می کند. در حال حاضر، تست‌های MCED موجود نرخ مثبت کاذب پایینی کمتر از 1% دارند.

زمینه

کشف اینکه DNA از بافت های مختلف بدن انسان در خون و سایر مایعات بدن خارج از سلول ها (cfDNA) وجود دارد، منجر به چندین آزمایش cfDNA مبتنی بر خون شده است. چنین آزمایش‌هایی کاربردهای بالینی مانند تسهیل بررسی ناهنجاری‌های ژنومی خاص، به عنوان مثال، جهش‌های قابل عمل مشتق از تومور برای انتخاب درمان هدفمند سرطان را پیدا می‌کنند.

کار مدل‌سازی اخیر پیش‌بینی می‌کند که افزودن یک آزمایش MCED به مراقبت‌های استاندارد ممکن است تشخیص در مراحل اولیه را بهبود بخشد و از 39٪ از همه مرگ‌های مرتبط با سرطان در عرض پنج سال پس از تشخیص جلوگیری کند.

آزمایش تکمیلی MCED همچنین ممکن است امکان غربالگری جمعیت را در چندین نوع سرطان کشنده به طور همزمان فراهم کند.

پس زمینه فراوان cfDNA غیر سرطانی در خون نسبت به مواد ژنومی ریخته شده از تومور، و شیوع بیولوژی جسمانی (به عنوان مثال، خونسازی کلونال (CH)) ممکن است تشخیص سیگنال سرطان خاص را مخدوش کند. بنابراین، محققان به طور مداوم رویکردهای جدیدی مانند تکنیک‌های یادگیری ماشینی را برای غلبه بر چالش‌های نسبت سیگنال به پس‌زمینه مرتبط با آزمایش‌های MCED مبتنی بر خون دنبال می‌کنند.

در مورد مطالعه

در مجموع 2800 شرکت‌کننده، 1628 مبتلا به سرطان و 1172 بدون سرطان، در اولین مطالعه فرعی ژنوم بدون سلول (CCGA) شرکت کردند. محققان به طور تصادفی 1414 و 847 شرکت‌کننده را به مجموعه‌های آموزشی یا اعتبارسنجی مستقل اختصاص دادند و نمونه‌هایی را به‌دست آوردند که استانداردهای کنترل کیفیت آزمایشگاهی از پیش تعیین‌شده را برآورده کردند. همچنین، آنها با غربالگری سرطان اطمینان حاصل کردند که فقط شرکت کنندگان مبتلا به سرطان را ثبت نام کردند که درمان سرطان خود را شروع نکرده بودند.

این تیم از نمونه های خون شناسایی نشده از شرکت کنندگان در سایت هایی در ایالات متحده و کانادا استفاده کردند و cfDNA را از پلاسما استخراج کردند. میانگین زمان بین خونگیری و جداسازی پلاسما کمتر از دو روز بود. آنها یک نمونه خون cfDNA را با استفاده از سه روش توالی یابی پردازش کردند: توالی یابی بی سولفیت کل ژنوم (WGBS)، TS و WGS. برای محاسبه LOD برای دومین مطالعه فرعی CCGA، آنها DNA ژنومی (gDNA) را از خراش دادن بافت پارافین (FFPE) تثبیت شده با فرمالین استخراج کردند.

یافته های مطالعه

مطالعه حاضر چندین یافته مهم داشت. اول، بیشتر از نوع سرطان و مرحله بالینی، cTAF مسئول بیشتر تغییرات cfDNA از سیگنال‌های سرطان بود. بنابراین، محققان تنوع گسترده ای را در cTAF بین انواع سرطان و در مراحل منفرد مشاهده کردند که نشان می دهد مرحله بالینی آن به تنهایی ممکن است پیش بینی کننده میزان ویژگی های ژنومی خاص تومور نباشد.

انواع سرطان ممکن است حتی پس از کنترل مرحله، میزان ریزش بسیار متفاوتی داشته باشند. بر اساس توزیع ریزش تومور در بین سرطان ها، توالی بیوپسی تومور می تواند cTAF را در انواع سرطان و مراحل بالینی آنها تخمین بزند. احتمالاً به دلیل افزایش ریزش تومور در سرطان های مرحله پیشرفته، cTAF معمولاً با مرحله بالینی افزایش می یابد. همانطور که انتظار می رفت، تشخیص سیگنال سرطان برای هر سرطان با افزایش مرحله و cTAF بهبود یافت، اگرچه این رویکرد نمی تواند به طور قابل اعتماد تمام سیگنال های سرطان مرحله IV را تشخیص دهد. یک توضیح قابل قبول این است که عوامل مولکولی در سرطان های مرحله چهارم شناسایی نشده، مانند فعالیت میتوزی کم، با ریزش DNA تومور کمتر و cTAF کمتر مرتبط هستند. به همین ترتیب، عوامل فیزیکی، سطح کمتر تومور و وسعت تومور میکروسکوپی (یعنی دسترسی آن به منبع خون) منجر به ریزش DNA تومور و کاهش cTAF می شود.

دوم، محققان مشاهده کردند که مرحله بندی بالینی ممکن است رفتار تومور را به طور کامل نشان ندهد. در مقابل، حتی اگر سرطان مرحله I-III به دلیل تکثیر فعال و ریزش بالای DNA تومور، cTAF بالاتری را نشان دهد، به خوبی می تواند رفتار تومور را تشخیص دهد. ممکن است بین سیگنال‌های سرطان cfDNA و cTAF با تومورهای متخاصم‌تر ارتباط وجود داشته باشد. بنابراین، سنجش‌های cfDNA ممکن است سرطان‌های مهم بالینی را بهتر تشخیص دهند. در واقع، پیش آگهی سرطان با cTAF کمتر بهتر است. علاوه بر این، برنامه نظارت، اپیدمیولوژی و نتایج نهایی (SEER) گزارش داد که سرطان‌هایی که با آزمایش‌های مبتنی بر cfDNA شناسایی نشده‌اند، بقای قابل‌توجهی بهتری را نشان می‌دهند.

سوم، بر اساس مشاهداتی که یک همبستگی قوی بین تشخیص سیگنال طبقه‌بندی کننده و cTAF وجود دارد، یک LOD بالینی با استفاده از cTAF می‌تواند ایجاد شود. این می‌تواند معیاری برای بهینه‌سازی طبقه‌بندی‌کننده فراهم کند که تغییرات گسترده‌ای را در زمینه ریزش تومور در یک مرحله بالینی و بین انواع سرطان توضیح دهد. این معیار بالینی مبتنی بر LOD می تواند به طور مستقیم عملکرد تشخیص سیگنال سرطان را در چندین سنجش مبتنی بر cfDNA مقایسه کند. با این حال، شرط این است که تخمین‌های cTAF از ویژگی‌های تأییدشده با بیوپسی تومور در سطوح ویژگی آزمون معادل استفاده می‌کنند.

در نهایت، متیلاسیون WG امیدوارکننده‌ترین گزینه در این مطالعه بود، زیرا با 30 میلیون CpG، یک سیگنال فراگیر در سراسر ژنوم بود. از بین تمام ویژگی‌های cfDNA ارزیابی‌شده در این مطالعه، به دلایل زیر جزو حساس‌ترین روش‌ها بود:

i) نیازی به تعیین توالی WBC نداشت،

ii) یکی از پایین ترین LOD های بالینی را نشان داد، و

iii) بالاترین دقت پیش‌بینی منشأ سیگنال سرطان (CSO) را داشت.

همچنین، الگوهای متیلاسیون در امتداد هر بخش ژن حاوی یک سیگنال قوی خاص تومور است که به راحتی بالاتر از تغییرات زمینه ژنومی طبیعی قابل شناسایی است. به نوبه خود، تشخیص سیگنال متیلاسیون را در سطوح پایین تر cTAF نسبت به سایر ویژگی های سرطان ژنوم های آزمایش شده در این مطالعه تسهیل می کند. سنجش WGBS ویژگی‌های متیلاسیون WG را ایجاد کرد، بنابراین، همچنین بیشترین احتمال بهبود را در بین سه سنجش نشان داد.

مطالعه دیگری WGS و TS را با عمق و وسعت توالی یابی 30× و 60000× انجام داد که به ترتیب 507 ژن را پوشش می داد. از آنجایی که آنها نویز فنی را با استفاده از شناسه‌های مولکولی منحصربفرد و سرکوب CH با استفاده از WBC از این داده‌ها حذف کردند، نتایج احتمالاً حد بالایی عملکرد را برای سنجش‌های WGS و TS برای یک آزمایش عملی MCED نشان می‌دهند. سنجش توالی بی سولفیت، مناطق حاوی CpG را که به احتمال زیاد حاوی الگوهای متیلاسیون WG مخصوص سرطان و بافت در cfDNA هستند، مورد هدف قرار داد. این امکان افزایش عمق توالی یابی را فراهم می کند در حالی که پیچیدگی را کنترل می کند و باعث تسهیل بهبود در LOD بالینی می شود.

محققان از یک رویکرد مبتنی بر متیلاسیون برای توسعه بیشتر به دلیل پتانسیل بهینه سازی و عملکرد برتر آن استفاده کردند. در مقایسه با متیلاسیون WG، LOD بالینی برای طبقه‌بندی‌کننده متیلاسیون هدفمند که در مطالعه فرعی CCGA دوم تأیید شد، تقریباً یک بهبود مرتبه‌ای را نشان داد. بهبودهای بعدی در ویژگی، حساسیت و دقت CSO سنجش و طبقه‌بندی مبتنی بر متیلاسیون هدفمند، اجرای بالینی آزمون MCED Galleri را پشتیبانی کرد. به طور کلی، یافته‌های مطالعه به شواهدی در مورد روش‌های به کارگیری الگوهای متیلاسیون cfDNA برای تشخیص سرطان اضافه می‌کند.

نتیجه گیری

به گفته نویسندگان، هیچ یک از مطالعات قبلی، مقایسه سیستماتیک ویژگی های ژنومی مختلف از cfDNA را برای آزمایش MCED گزارش نکرده است.

اولین مطالعه فرعی CCGA نشان داد که LOD بالینی یک معیار ارزشمند برای ارزیابی عملکرد طبقه‌بندی کننده است. می تواند مقایسه بین مطالعات را امکان پذیر کند، مشروط بر اینکه ویژگی و احتمال تشخیص معادل باشند. داده های مطالعه همچنین نشان می دهد که cTAF ممکن است اندازه گیری مستقیم و دقیق تری از بیولوژی تومور زمینه ای باشد. این یک محرک بهتر برای تشخیص سیگنال سرطان cfDNA نسبت به شاخص های پیش آگهی فعلی، مانند مرحله و نوع سرطان است.

بنابراین، استراتژی‌های بهینه‌سازی تست MCED باید شامل تلاش‌هایی برای بهبود تشخیص در سطوح پایین‌تر cTAF باشد. علاوه بر این، متیلاسیون WG از cfDNA مورد استفاده در یک نمونه آزمایشی MCED بهترین عملکرد را در بین رویکردهای مشخص شده برای تشخیص سیگنال سرطان و پیش‌بینی CSO بدون نیاز به توالی اضافی برای تصحیح پس‌زمینه WBC ارائه کرد.

در نهایت، نتایج مطالعه پس از ارزیابی آزمایش‌های نمونه اولیه با عملکرد برتر، طراحی و عملکرد آزمایش cfDNA MCED مبتنی بر متیلاسیون هدف‌مند گزارش‌شده اخیراً، تست Galleri® MCED را نشان داد. نسبت به همه آزمون‌های ارزیابی‌شده در مطالعه، پیشرفت‌های قابل‌توجهی را نشان داد.