ctDNA檢測在膀胱癌診療中應(yīng)用的研究進展

劉厚先 虞隨 姚立鋒

膀胱癌是泌尿系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，美國2020 年膀胱癌新增發(fā)病81 400 例，居惡性腫瘤發(fā)病的第6 位；死亡17 980 例，居惡性腫瘤死亡的第8 位[1]。目前膀胱癌的診斷主要依靠膀胱鏡活檢、影像學(xué)檢查、尿脫落細(xì)胞學(xué)檢查，但這些檢查方式均存在一定的不足。比如膀胱鏡活檢雖然是膀胱癌診斷的金標(biāo)準(zhǔn)，但屬于有創(chuàng)檢查，且由于膀胱癌的異質(zhì)性，并不能滿足腫瘤精準(zhǔn)治療的需要；而尿脫落細(xì)胞學(xué)檢查雖然能直接尋找腫瘤存在的證據(jù)，但靈敏度偏低。因此，臨床上亟需尋找一種非侵入性、成本較低、靈敏度和特異性較高的檢測指標(biāo)。循環(huán)腫瘤DNA（circulating tumor DNA，ctDNA）具有非侵入性、操作簡單、實時和可重復(fù)取樣等優(yōu)勢，目前在腫瘤的診斷、治療與預(yù)后等方面具有較大的潛質(zhì)。因此，本文就ctDNA 檢測在膀胱癌診療中應(yīng)用的研究進展作一綜述。

1 ctDNA 概述

循環(huán)游離DNA（circulating free DNA，cfDNA）是存在于血液中的細(xì)胞外DNA，它既存在于在健康人的血液中，也存在于癌癥患者以及其他疾病患者的血液中。ctDNA 屬于cfDNA 的一種，是指由腫瘤細(xì)胞釋放的帶有腫瘤特異性遺傳學(xué)改變的基因組片段[2]。它主要通過腫瘤細(xì)胞凋亡、壞死以及外分泌等途徑將其特異的DNA 釋放入血，并經(jīng)過肝和腎排泄[3]。ctDNA 既來源于原發(fā)腫瘤，也可來源于遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移腫瘤以及微轉(zhuǎn)移等。ctDNA 具有以下生物學(xué)特征：（1）片段大小一般為170 bp；（2）半衰期短，＜2 h[4]，能實時反映腫瘤狀態(tài)；（3）在血液中的含量較低，每毫升血漿樣本中僅有幾十拷貝的DNA；（4）血液中的ctDNA 含量通常與腫瘤類型、腫瘤負(fù)荷以及腫瘤分期有關(guān)，在血液中ctDNA占cfDNA 的比例為0.01%～50.00%不等[5]。研究表明，ctDNA 與腫瘤組織存在一致的特征性基因組，可全面反映腫瘤基因序列，如插入、缺失、拷貝數(shù)改變、點突變以及DNA 甲基化等[6]，在腫瘤的早期診斷、預(yù)后判斷、用藥指導(dǎo)以及隨訪觀察中起著重要作用[7-9]。

2 ctDNA 檢測方法

為了區(qū)分ctDNA 與野生型DNA，有必要識別和檢測腫瘤碎片所攜帶的體細(xì)胞突變。隨著近年來ctDNA研究的不斷深入，各種ctDNA 檢測技術(shù)被開發(fā)出來。ctDNA 的檢測方法主要有PCR、磁珠乳液擴增法、微滴式數(shù)字聚合酶鏈反應(yīng)（droplet digital PCR，ddPCR）、擴增阻滯突變系統(tǒng)聚合酶鏈反應(yīng)（amplification refractory mutation system polymerase chain reaction，ARMS-PCR）和二代測序（next generation sequencing，NGS）。

2.1 磁珠乳液擴增法 磁珠乳液擴增法是通過特異性引物將單個DNA 分子與油包水微乳液中相應(yīng)的磁珠一一相連進行PCR 擴增，之后通過與特定的熒光等位基因探針雜交來確定與磁珠結(jié)合的DNA 的突變狀態(tài)，再利用流式細(xì)胞技術(shù)探測熒光標(biāo)記，以此檢測血漿中突變DNA 水平[10]。

2.2 ddPCR ddPCR 是目前在膀胱癌診斷中應(yīng)用較多的ctDNA 檢測技術(shù)，是將含有DNA 的反應(yīng)體系分成數(shù)萬乃至十萬個微滴，對每個微滴進行PCR 擴增，然后用微滴分析儀逐個識別微滴中的DNA，并根據(jù)微滴的熒光振幅判斷有無目標(biāo)DNA，之后通過陽性微滴的個數(shù)和比例得出目標(biāo)DNA 序列的濃度[11]。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)核酸濃度的絕對定量，靈敏度極高，能夠從十萬個野生型DNA 中檢測到一個突變，但僅能檢測先前已知的突變，且不能一次檢測多種突變。Birkenkamp-Demtr?der 等[12]設(shè)計了個性化ddPCR 檢測方法檢測膀胱癌患者腫瘤、血漿和尿液DNA 中的體細(xì)胞突變，結(jié)果顯示能在野生型基因的6 000 個背景拷貝中檢測出一個突變基因等位基因（＜0.02%）。

2.3 ARMS-PCR ARMS-PCR 是利用DNA 聚合酶缺少3'-5'外切酶活性的原理，在一定條件下，PCR 引物3'末端的錯配導(dǎo)致產(chǎn)物的急劇減少，針對不同的已知突變設(shè)計適當(dāng)?shù)囊?，通過PCR 直接達(dá)到區(qū)分突變型和野生型基因的目的[13]。該技術(shù)操作簡單，靈敏度高，但是只能檢測已知突變，對未知突變難以檢測，而且假陽性率較高。

2.4 NGS NGS 采用邊合成邊測序的方法將數(shù)百萬的DNA 分子同時進行測序，并能夠檢測出低頻突變以及未知突變，具有更高的靈敏度。另外，NGS 還能對基因拷貝數(shù)變化、基因重排、基因融合等改變進行分析。與第一代Sanger 測序相比，NGS 有3 個主要優(yōu)勢，最突出的一個是高通量，使得測試數(shù)千個基因甚至整個基因組成為可能。此外，NGS 在低輸入DNA的情況下，表現(xiàn)出更為出色的檢測性能；在大規(guī)模并行測序中，NGS 也具有更優(yōu)的成本效益。但是，NGS 對儀器設(shè)備的要求較高，數(shù)據(jù)處理分析較難，在監(jiān)管問題、分析驗證、能力測試和質(zhì)量控制等方面仍然存在著許多挑戰(zhàn)[14]。

3 ctDNA檢測在膀胱癌診療中的應(yīng)用

在膀胱癌患者的血漿和尿液中可以檢測到突變DNA。在非肌層浸潤性膀胱癌（non-muscle invasive bladder cancer，NMIBC）患者中，ctDNA 的主要來源是尿液和血液，而多數(shù)研究是采集尿液樣本進行的。在1991 年的一項研究中，Sidransky 等[15]通過對膀胱癌患者尿液ctDNA 的分析，發(fā)現(xiàn)了其可行性的證據(jù)，并從尿液沉渣中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞中存在p53 基因突變。在本世紀(jì)初才開始對膀胱癌血漿和血清中ctDNA 的廣泛研究。von Knobloch 等[16]、Utting 等[17]采用PCR 檢測膀胱癌患者尿液、血清和血漿中DNA 的微衛(wèi)星不穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其不僅能在尿液中檢測到，而且在血清和血漿中也能檢測到。Togneri 等[18]比較了尿液DNA與cfDNA 的基因組概況，以及匹配的23 例特征明確的膀胱癌患者甲醛固定石蠟包埋的ctDNA，結(jié)果顯示尿液DNA 對患者腫瘤具有高度代表性，可用于檢測臨床可操作的復(fù)發(fā)基因組畸變；且與尿細(xì)胞DNA 相比，從尿液提取的cfDNA 具有更高的腫瘤基因組負(fù)荷，能更好地檢測關(guān)鍵基因組生物標(biāo)志物（90%）。Ward 等[19]采用數(shù)字PCR 和NGS 分析120 例原發(fā)性膀胱癌患者和91 例經(jīng)尿道電切術(shù)后膀胱癌患者的尿液DNA，并在70%的患者中檢測到突變DNA。以下主要從ctDNA 檢測在膀胱癌診斷、療效評價、預(yù)后評估中的應(yīng)用進行闡述。

3.1 診斷 NMIBC 的特點是疾病復(fù)發(fā)率和相關(guān)疾病進展率高。一般來說，高達(dá)50%的NMIBC 患者在5 年內(nèi)出現(xiàn)腫瘤復(fù)發(fā)，20%～30%的患者可能進展為肌層浸潤性膀胱癌（muscle invasive bladder cancer，MIBC）[20]。因此，早期明確診斷和危險分層十分重要，有助于優(yōu)化治療策略。Reinert 等[21]采用實時PCR 檢測尿液標(biāo)本中EOMES、HOXA9、POU4F2、TWIST1、VIM、ZNF154 基因甲基化水平，同時分析了184 例NMIBC 患者的390份尿液沉積物，結(jié)果顯示能檢測到6 種標(biāo)志物的高甲基化（P＜0.01)，靈敏度和特異度分別為0.82～0.89 和0.94～1.00。Roperch 等[22]利用等位基因特異性PCR 結(jié)合HS3ST2、SLIT2 和SEPTIN9 基因的cfDNA 甲基化狀態(tài)分析cfDNA 中FGFR3 基因突變狀態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其與NMIBC 患者的危險分層高度相關(guān)，表明這可能是診斷和監(jiān)測NMIBC 的一種有效策略；進一步作ROC 曲線分析發(fā)現(xiàn)，其診斷的靈敏度＞90%，AUC＞0.80。Kim等[23]采用實時定量PCR 檢測尿液中拓?fù)洚悩?gòu)酶2-α cfDNA 表達(dá)水平，結(jié)果顯示膀胱癌患者尿液中拓?fù)洚悩?gòu)酶2-α cfDNA 表達(dá)水平明顯高于非癌癥對照者和血尿患者（均P＜0.01）；ROC 曲線分析顯示，膀胱癌、NMIBC 和MIBC 的AUC 分別為0.741、0.701 和0.838，其中NMIBC 的靈敏度為0.63，特異度為0.70，陽性預(yù)測值為0.48，陰性預(yù)測值為0.82，證明其可能是膀胱癌的潛在生物標(biāo)志物。Qian 等[24]報道了1 例尿路上皮癌患者，通過NGS 檢測ctDNA 發(fā)現(xiàn)了肺腺癌有關(guān)的突變，并且頸部淋巴結(jié)病理分析證實為肺腺癌。肺腺癌來源的病變對奧西美替尼反應(yīng)良好，而尿路上皮癌則不起作用，表明ctDNA 分析可以更好地捕捉患者多原發(fā)腫瘤所蘊含的分子異質(zhì)性，有助于多原發(fā)腫瘤的同步診斷。

3.2 療效評價 血漿中ctDNA 水平與腫瘤負(fù)擔(dān)有關(guān)，對某些治療的反應(yīng)與治療樣本ctDNA 水平有關(guān)，故早期病程樣本的ctDNA 分析可用于檢測免疫治療的抗腫瘤反應(yīng)。ctDNA 水平已被證明與免疫治療的反應(yīng)相關(guān)，這在轉(zhuǎn)移性黑色素瘤[25]、結(jié)直腸癌[26]、非小細(xì)胞肺癌[27]已有相關(guān)報道。研究發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)影像學(xué)檢查，檢測ctDNA 可以早期發(fā)現(xiàn)腫瘤負(fù)荷的變化，從而更早了解疾病進展，但作為一項新方法，仍需進一步完善腫瘤的療效評價體系[28]。Yi 等[29]的一項前瞻性臨床研究采集了125 例轉(zhuǎn)移性乳腺癌患者的血漿樣本，靶向捕獲并測序了1 021 個基因，對ctDNA 的突變進行檢測發(fā)現(xiàn)，樣本中ctDNA 百分比與腫瘤負(fù)荷顯著相關(guān)，進一步驗證ctDNA 在腫瘤療效評價中的價值。

Raja 等[30]通過ctDNA 來預(yù)測肺癌和膀胱癌患者經(jīng)德瓦魯單抗治療后的生存率。在兩個隊列（隊列一包含28 例非小細(xì)胞肺癌患者，隊列二包含72 例非小細(xì)胞肺癌和29 例尿路上皮癌患者）中，使用靶向測序方法對ctDNA 中73 個基因的體細(xì)胞突變的變異等位基因頻率（variation allele frequency，VAF）進行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)VAF 在影像學(xué)檢查提示改變前出現(xiàn)變化，6 周時VAF 減少的患者腫瘤體積明顯縮小，無進展生存期和總生存期明顯延長，提示ctDNA 的早期變化是一個有效的預(yù)測標(biāo)志物，有助于確定對免疫療法無反應(yīng)的患者并指導(dǎo)聯(lián)合治療策略。Vandekerkhove 等[31]結(jié)合全外顯子測序和靶向測序分析51 例侵襲性膀胱癌患者[包括14 例局限性肌肉浸潤膀胱癌和37 例淋巴結(jié)和（或）遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移患者]血漿樣本的ctDNA，結(jié)果發(fā)現(xiàn)95%的患者TP53、RB1 或MDM2 發(fā)生異常改變，70%的患者存在影響染色質(zhì)修飾劑如ARID1A 的突變或破壞重排；同時檢測到MAPK/ERK 或PI3K/AKT/mTOR 通路的靶向改變，包括ERBB2 的擴增（占20%）和PIK3CA 的激活熱點突變（占20%），提示ctDNA 分析有助于發(fā)病機制的研究與轉(zhuǎn)移性膀胱癌治療策略的指導(dǎo)。

3.3 預(yù)后評估 由于膀胱癌復(fù)發(fā)率高、進展快，故早期發(fā)現(xiàn)膀胱癌的復(fù)發(fā)與轉(zhuǎn)移對該病的治療與預(yù)后改善至關(guān)重要。ctDNA 作為基于DNA 的生物標(biāo)志物，可以在治療前和治療期間進行監(jiān)測來反映膀胱癌的復(fù)發(fā)與進展?fàn)顟B(tài)[32]。

Birkenkamp-Demtr?der 等[12]回顧性分析12 例復(fù)發(fā)或進行性/轉(zhuǎn)移性膀胱癌患者的377 份樣本，首先使用NGS 識別每例患者切除的原發(fā)腫瘤組織中體細(xì)胞突變，隨后用ddPCR 個性化檢測腫瘤、血漿和尿液樣本DNA 中的體細(xì)胞變異，并在每例患者疾病進展的多個時間點進行檢測，結(jié)果顯示最終顯示臨床進展的6 例患者中，有4 例在臨床顯示前測到了ctDNA；進展性疾病患者在疾病進展前血漿和尿液樣本中的ctDNA 水平均明顯高于疾病復(fù)發(fā)患者（P＜0.05）。此外，該研究在所有疾病進展患者的尿液樣本中發(fā)現(xiàn)高水平的ctDNA，即使在沒有檢測到血漿ctDNA 的情況下也是如此。該研究結(jié)果提示在非侵襲性疾病患者的血漿和尿液樣本中也能檢測到ctDNA，尤其是在尿液樣本中，當(dāng)病情進展前即可檢測到高水平的ctDNA。因此，基因組變異的個性化檢測可能有助于疾病監(jiān)測。

Christensen 等[33]在兩個回顧性隊列研究中應(yīng)用非個性化ddPCR，其中一個隊列包括363 例NMIBC 患者，另一個隊列包括403 例接受膀胱癌根治術(shù)患者。該研究選擇膀胱癌中最常見的突變基因（FGFR3、PIK3CA）并采用PCR 對兩組患者血漿和尿液樣本進行突變篩查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)后期進展患者尿液樣本中ctDNA 水平明顯升高（P＜0.05）；Kaplan-Meier 生存曲線分析顯示，尿液樣本中ctDNA 水平較低的患者疾病進展風(fēng)險低于ctDNA 水平較高的患者。在另一組行膀胱癌根治術(shù)的對列研究發(fā)現(xiàn)，術(shù)前尿液樣本中ctDNA 水平高低與疾病復(fù)發(fā)無關(guān)（P＞0.05），而血漿樣本中ctDNA 水平高低與疾病復(fù)發(fā)有關(guān)（P＜0.05）。因此，尿液和血漿中FGFR3、PIK3CA 突變DNA 檢測，將有助于膀胱癌復(fù)發(fā)和進展的監(jiān)測。Christensen 等[34]在2019 年發(fā)表的研究中使用全外顯子檢測68 例局限性晚期膀胱癌患者體細(xì)胞突變，并通過對656 份血漿（在診斷、化療期間、膀胱切除術(shù)前和監(jiān)測期間獲得）DNA 的超深度測序來評估ctDNA，結(jié)果顯示診斷時發(fā)現(xiàn)ctDNA 陽性的患者（即開始新輔助化療前）總復(fù)發(fā)率為46%（11/24），僅3%（1/35）的ctDNA 陰性患者在研究過程中出現(xiàn)了復(fù)發(fā)；化療后和膀胱切除術(shù)前發(fā)現(xiàn)ctDNA 陽性的患者總復(fù)發(fā)率為75%（6/8）；膀胱切除術(shù)后，ctDNA 能識別所有復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的患者，且特異度達(dá)98%，其中ctDNA 陽性的患者總復(fù)發(fā)率為76%（13/17），ctDNA 陰性的患者總復(fù)發(fā)率為0（0/47）；ctDNA 診斷復(fù)發(fā)相較于影像學(xué)檢查平均提前96 d。此外，對于治療前或化療期間ctDNA 陽性的患者，ctDNA 的動態(tài)變化與疾病復(fù)發(fā)有關(guān)（P＜0.05）?？梢?，化療前ctDNA 檢測是評估預(yù)后的重要生物標(biāo)志物，而化療期間ctDNA 水平變化能反映患者對治療的反應(yīng)以及預(yù)后情況；此外，ctDNA 識別術(shù)后疾病復(fù)發(fā)也具有較高的靈敏度和特異度。

在臨床或影像學(xué)確認(rèn)前，ctDNA 檢測復(fù)發(fā)的潛力已在Patel 等[35]研究中得到證實。該研究從17 例接受新輔助化療的MIBC 患者中收集液體活檢樣本248 份，包括血漿、尿細(xì)胞沉淀和尿上清液，然后使用標(biāo)記的擴增子和淺層全基因組測序評估突變DNA 中的單核苷酸變異和拷貝數(shù)變化；結(jié)果顯示在新輔助化療前，在血漿、尿細(xì)胞沉淀和尿上清液中分別檢測到35.3%、47.1%和52.9%的突變DNA，其中尿上清液中的突變DNA 水平較高（P＜0.05）；在新輔助化療期間，特別在兩個新輔助化療周期前采集的樣本中，83%（5/6）的復(fù)發(fā)患者中存在突變DNA，但在無復(fù)發(fā)患者中未檢測到突變DNA（特異度1.00，靈敏度0.83），較影像學(xué)診斷進展提前243 d。此外，突變DNA 的持續(xù)性檢測可預(yù)測疾病復(fù)發(fā)（P＜0.05），顯示了ctDNA 作為化療反應(yīng)早期生物標(biāo)志物的潛力。另有文獻(xiàn)報道，結(jié)直腸癌和膀胱癌患者的手術(shù)創(chuàng)傷與cfDNA 水平升高有關(guān)，可能會降低血液樣本中ctDNA水平，并且會持續(xù)4 周，從而影響復(fù)發(fā)患者ctDNA 的檢出[36]。因此，該研究建議在提取術(shù)后血液樣本作ctDNA 檢測時，應(yīng)仔細(xì)考慮抽血時間，避免手術(shù)創(chuàng)傷引起的野生型cfDNA 污染的問題。

綜上所述，ctDNA 檢測用于膀胱癌早期危險分層、療效和早期復(fù)發(fā)的評估是可行的，以指導(dǎo)早期治療干預(yù)措施的制定與實施。

4 小結(jié)

ctDNA 檢測是一種非侵入性檢查方法，不僅能滿足臨床對實時性、連續(xù)性取材的要求，捕捉到腫瘤的異質(zhì)性，避免組織活檢的取樣偏差，而且可識別最小殘留或隱匿性腫瘤疾病，較目前標(biāo)準(zhǔn)的影像學(xué)檢查具有更高的靈敏度，患者也易于接受，目前已越來越多應(yīng)用于臨床。ctDNA 檢測在膀胱癌診療中的應(yīng)用有助于早期篩查腫瘤，評估腫瘤分期和轉(zhuǎn)移風(fēng)險，預(yù)測和監(jiān)測臨床癌癥治療效果，追蹤耐藥性機制，為治療干預(yù)提供信息，還能監(jiān)測腫瘤早期轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)。然而，ctDNA 檢測在臨床應(yīng)用中也存在許多挑戰(zhàn)：（1）NGS、PCR 等技術(shù)檢測的靈敏度仍然不足以應(yīng)用于臨床，特別是非肌層浸潤性膀胱癌患者，ctDNA 檢出率較低；（2）ctDNA 檢測成本較高，特別是NGS，不適合用于疾病的早期篩查；（3）樣本采集、實驗規(guī)范性、基因檢測儀器、生物學(xué)因素（如腫瘤異質(zhì)性）等均會對ctDNA 檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，目前尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)流程；（4）目前尚缺乏大規(guī)模臨床前瞻性研究證實ctDNA 檢測在膀胱癌診療中的應(yīng)用潛力。但是隨著ctDNA 檢測技術(shù)的進一步完善，有望在臨床廣泛應(yīng)用。