編輯 | 2049
在癌症診療的漫長征程中，早期檢測始終是最具挑戰性的環節之一，液體活檢技術因其無創性和高靈敏度而備受關注。然而，現有的檢測方法大多依賴於深度靶向測序，難以同時整合多模態資料，導致檢測靈敏度和特異性受限。
正是基於這一技術痛點，牛津大學的研究團隊開發了一種基於全基因組 TET 輔助吡啶硼烷測序（TAPS）的多模態迴圈腫瘤 DNA（ctDNA）檢測方法。
該方法不僅能夠同時分析基因組和甲基化資料，還在多種癌症型別的診斷中表現出高達 94.9% 的靈敏度和 88.8% 的特異性。這一突破性技術為癌症早期篩查和患者分層提供了新的可能性。
該研究以「Multimodal cell-free DNA whole-genome TAPS is sensitive and reveals specific cancer signals」為題，於 2025 年 1 月 8 日釋出在《Nature Communications》。
研究背景
癌症的早期檢測對改善患者預後至關重要。然而，現有的篩查專案僅覆蓋不到 30% 的癌症型別，且依賴於侵入性檢查，導致接受度較低。多癌種早期檢測（MCED）技術透過液體活檢實現無創檢測，但其在無症狀人群中的假陽性率較高，限制了其廣泛應用。
傳統的 ctDNA 檢測方法主要依賴於靶向深度測序，雖然靈敏度較高，但僅能檢測特定型別的癌症和突變，無法充分利用多模態資料。此外，常用的亞硫酸氫鹽測序技術會破壞 80% 的 ctDNA，顯著降低檢測靈敏度。
為了解決這些問題，研究團隊開發了一種基於 TAPS 的全基因組測序方法，能夠在單次測序中同時分析基因組和甲基化資料，從而顯著提高檢測的準確性和適用範圍。
TAPS 技術的核心理念與理論基礎
TAPS 是一種基於鹼基解析度的新型測序技術，能夠檢測 5-甲基胞嘧啶和 5-羥甲基胞嘧啶。與傳統的亞硫酸氫鹽測序不同，TAPS 透過 TET 酶和硼烷的組合，僅將 5% 的甲基化胞嘧啶轉化為胸腺嘧啶，從而保留了基因組資訊，並允許在同一測序資料中同時進行基因組和甲基化分析。
這一技術的核心優勢在於其非破壞性，能夠在低 ctDNA 含量（低至 0.7%）的情況下仍保持高靈敏度。研究團隊透過對 61 例癌症患者和 30 例非癌症對照的樣本進行深度測序（80x），驗證了 TAPS 在多種癌症型別中的診斷準確性。
多模態資料整合與分析方法
研究團隊開發了一套多模態資料分析流程，整合了複製數變異（CNA）、體細胞突變和甲基化訊號，以提高 ctDNA 檢測的靈敏度。
首先，透過將基因組劃分為 1 kb 的非重疊區間，統計每個區間的高質量比對讀數，並進行去噪處理，以去除 GC 含量和可對映性引入的系統偏差。隨後，利用主成分分析（PCA）對非癌症樣本的背景噪聲進行建模，並透過 Savitzky-Golay 濾波器進一步平滑資料。
圖示：複製數變異分析。（來源：論文）
在體細胞突變分析中，研究團隊採用深度全基因組測序（80x）策略，結合 TAPS 特異性軟體，有效區分了體細胞突變和測序誤差。
圖示：體細胞突變負擔分析。（來源：論文）
甲基化分析則基於 TCGA 資料庫中的高甲基化區域，透過片段中心的方法提高了低 ctDNA 含量下的檢測靈敏度。
圖示：甲基化訊號分析。（來源：論文）
實驗結果與效能評估
研究團隊透過 ROC 曲線分析評估了該方法的效能。在模擬資料中，當 ctDNA 含量低至 0.7% 時，AUC 值達到 86%，表明該方法在低 ctDNA 含量下仍具有較高的區分能力。在臨床樣本中，整合多模態資料的檢測靈敏度達到 85.2%，顯著高於單一資料模態的檢測結果。
圖示：用於 ctDNA 檢測的基因組資料模式的整合。（來源：論文）
此外，研究團隊還開發了一個多類分類器，用於預測癌症型別，其平衡分類準確率達到 71.7%。在結直腸癌患者的術後監測中，該方法成功追蹤了 ctDNA 的動態變化，並與臨床結果高度一致。例如，在一例結直腸癌患者中，術後 1 年檢測到的 ctDNA 與 3 年後發現的轉移性癌症相關。
圖示：多模式 ctDNA 檢測用於無匹配腫瘤的結直腸癌術後 MRD 和輔助治療反應跟蹤。（來源：論文）
結語
綜上所述，基於 TAPS 的多模態 ctDNA 檢測方法在癌症早期檢測和術後監測中表現出顯著的優勢。其高靈敏度和特異性為癌症篩查和患者分層提供了新的工具。
然而，該方法在實際應用中仍面臨一些挑戰，例如深度測序的成本較高，且在資源有限的臨床環境中推廣存在困難。未來的研究可以進一步最佳化測序深度，探索更經濟的測序技術，並擴大樣本量以驗證其在更多癌症型別中的適用性。
此外，構建基於 TAPS 的甲基化圖譜將有助於提高癌症起源預測的準確性。該研究不僅為癌症早期檢測提供了新的技術路徑，也為多模態資料整合在液體活檢中的應用開闢了新的方向。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55428-y