血液循环肿瘤DNA甲基化在直肠癌跟踪诊断中的应用研究

Colorectal cancer (CRC) is the second most prevalent cancer in China, which causes tremendous suffering to the patients and incurs social and financial burden to the families and society. It is imperative to develop sensitive, precise and easy to use diagnostics tools that allow population-wide screening and subsequent early treatment of this cancer. Recent research shows that, during the growth of tumor, chromosomal DNA inside the tumor cells can be fragmented and migrate into the blood stream of the patients. These cell-free circulating DNA (ctDNA) can be captured and sequenced, and the mutations on these ctDNAs can be used to ascertain the mutation spectrum of the nuclear DNA in the tumor cells. Such a ctDNA based approach is called “liquid biopsy”, which has the potential to become an accurate, low-cost and non-invasive diagnostic and prognostic tool. We have recently developed a novel and exciting approach to study these circulating DNAs, i.e. to use microarray to measure their methylation profile. Our initial results on a small patient cohort and four chromosomes showed that the methylation pattern on these circulating DNAs are in good agreement with the reported methylation pattern in solid CRC specimen. The biomarkers we discovered from the initial study could distinguish tumor and healthy control cohorts with good precision. In this project, we propose to expand this approach onto larger cohort and the whole genome, develop robust computational methods, and identify accurate genomic marker loci. We hope that this novel method can be improved and become available in the clinic in the near future, which could a revolutionary breakthrough in cancer diagnosis.

直肠癌是中国发病第二位的恶性肿瘤， 给患者、家庭和社会带来巨大的经济、精神负担，扩大人群普查，早期诊断，加强监控，遏制肿瘤转移，在肿瘤的防治工作中具有极其重要的意义。研究表明，肿瘤在生长过程中，坏死的肿瘤细胞DNA会释放入血液循环系统，由于细胞基因组DNA甲基化水平在肿瘤的生长过程中会发生紊乱，因此通过检测血液中肿瘤DNA的甲基化水平可用于检测癌症。在前期工作中，课题组利用限制性内切酶降解和高密度全基因组DNA芯片杂交法，在93例直肠癌患者及100例对照的4个染色体上找到了200余个能够有效区分直肠癌与健康对照的甲基化变异位点。本项目旨在前期工作基础上，扩大临床样本量，覆盖整个人类基因组，进一步寻找更多和更精确的甲基化标记性位点，构建一个灵敏而又精确的基于循环DNA甲基化的直肠癌诊断工具，并进行患者随访及在人群中进一步验证。

我们的项目研究重点在于探讨论证二代测序(next generation sequencing)在肿瘤临床诊断治疗中的应用， 具体目标为评估患者群体中的前期诊断， 手术或者化疗以后的预后， 以及后期复发的风险评估。 考虑到获取样本的实际考虑因素以及输血研究所的技术资源优势，我们将重点转移到急性白血病肿瘤。项目的研究重点为能否筛选100-200个基因， 进行targeted panel sequencing, 降低测序费用，达到临床诊断和后期预后的要求。 另外， 除了DNA-seq以外， 其他基因组学数据， 比如RNA-seq, DNA methylation， 是否同样可以作为诊断和预后标记物。 .我们的研究结果证明， 利用靶向基因targeted panel, 不需要进行整个全基因组测序， 可以达到准确预测白血病患者化疗以后的复发的风险度。在患者化疗以后3星期（21天）以后复检的时候， 进行targeted sequencing, 可以根据患者在几个基因上的突变频率， 准确地将患者分为高， 中， 低三个风险类别。 这些相关基因包括：FLT3, DNMT3A, NPM1, CEBPA, IDH1, IDH2, NRAS, PTPN11, KIT, TET2, WT1, ASXL1, SMC1A. 根据这几个基因上的突变频率预测出了后期复发风险，与临床跟踪结果多数吻合。 这个工作发表于Blood. .在另外一个工作， 我们探讨了能否利用RNA-seq进行肿瘤的亚型分类以及后期预后。 与传统的DNA-seq相比， RNA-seq具有以下技术优势： 可以准确地发现fusion transcript, 准确地反应患者在诊断当时的肿瘤细胞的状态， 如果测序深度达到一定深度的话， 还可以检测到可能的基因DNA突变。 在这个方向， 我们也采用了靶向targeted panel sequencing, 设计利用了一个针对血液肿瘤的专门的靶基因panel。 我们的结果显示， 在一些肿瘤亚型上， 尤其是由于fusion gene造成的肿瘤中， RNA-seq 达到了很高的诊断与预后准确度。这个工作发表于Scientific Reports.