大咖论健72期 | 许传波:从Grail经验看癌症早筛的突破与前景

关键词:癌症早筛   液体活检

临床试验   建立数据库

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从数字化医学影像、基因测序到脑神经计划开启生命数字化,赋能精准医学,生物能源,分子农业等,增强医疗健康获得感,促进产业结构升级,引领生命时代。跨界融合发展的同时存在极大信息鸿沟。基于此,基因慧主办《大咖论健》,聚集数字生命健康领域先锋参与前瞻性探讨。第72期嘉宾为深圳因合生物首席医学官、美国Grail公司前临床项目负责人许传波博士。

 

一、Grail锋芒初露

90年代初期,人类基因组计划刚刚开启,正在法国巴斯德研究所从事博士后研究工作的许传波博士嗅到了这一前沿科学即将带来的变革,对这项研究产生了强烈兴趣并投身其中。他深信这将是人类医疗健康事业中革命性的事件,于是在巴黎第五大学高等信息技术学院花了一年的时间学习计算机科学,也就是最早期的生物信息学。

之后,许博以工作签证的身份进入美国,在多家生命科学与医药、医疗技术公司从事科研、产品、临床、药证,以及市场开发、商业运营等工作,其中就包括葛兰素史克、雅培等医药及医疗器械公司等。

在2016年初,Illumina 宣布成立全新的公司Grail,专门从事癌症早筛的血液检测开发。许博作为最早进入新公司临床部门的科学家,与业界的大专家们,例如Richard Klausner、Alex Aravanis、Mark Lee、Amy Sehnert、Bill Novotny等,一起参与到这一伟大的事业中。如今,许博带着为我国癌症早筛液体活检追赶世界标准的理想,参加因合生物,与同事们一起紧追国际领军企业,希望准确有效的检测的泛癌筛查可以尽快在中国出现并应用。

 

图,Grail成立两年获两次融资,总额13亿美元,来自基因慧旗下YourMap(www.yourmap.net.cn)

 

在Grail成立后短短的几个月中,团队就高质量地完成了设计目标入组一万人、每个病人随访周期五年的巨大型CCGA(Circulating Cell-free Genome Atlas)临床试验。

许博向基因慧介绍道,“这个名字是临床部的几个同事一起想出来的。主要的缘由就是因为当时大家都已熟知TCGA这样一个国际性的学术界联合研究多癌种病理组织基因组的大型项目,我们就想搞一个血液ctDNA的大型临床试验,收集样本、建立血液检测癌症的基因组数据库。”

 

图,Grail官网发布CCGA临床试验的新闻,来自Grail官网

 

在运行一年半之后,到今年的AACR 2018大会的报道时,CCGA临床试验已经在美国24个州的140多个临床试验点入组1万多病人。

中国是癌症大国。发病率与人口占世界比例相当,但死亡率却远高于发达国家。造成这种状况的主要因素就是我们的健康生活环境及疾病预防和医疗水平还与发达国家有距离。例如,同样是肝癌高发国家,日本由于长期采取积极全民性的肝癌早筛措施,他们的肝癌发现较高,治疗效果就比较好,病人存活率较高。

基于对国人有效防治癌症的迫切需求和将癌症扼杀在摇篮中的梦想,因合生物于2016年成立,紧跟国际领军企业,率先在国内提出了开发泛癌早筛产品的目标。

 

图,深圳因合生物团队,照片来自作者授权

二、癌症筛查的现状与挑战

癌症作为一种致死性疾病其主要原因是发现时已是晚期。随着治疗手段的进步,早期癌症的五年存活率可高达80-90%。然而,根据一般估算,目前各种癌症的早期发现率平均只有20-30%。例如,美国国立癌症研究院的SEER数据库的2004-2010年间的数据的统计结果显示,一期结直肠癌的存活率可以达到92%,而四期则只有11%。

目前,癌症的早期筛查和临床诊断主要依赖于影像学手段,例如CT,PET-CT,MRI等。对于可疑结节、阴影、病灶的最后确诊依赖于对穿刺甚至手术的组织样本的病理学检测。这些方法都要等到疾病发展的一定的程度才能检测到病灶,例如至少要有数毫米大小才可能被影像学观察到,更大的病灶才能考虑活体取样。其它的方法有传统的血清蛋白标志物。但这些标志物的敏感度和特异性都非常低,也没有任何相关应用的批准。因此,依赖于这些手段提高癌症早期筛查的准确率将难以为继。

在美国,开展的比较普及的癌症筛查包括宫颈癌、乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌。而肺癌筛查应用的普及也有望在近期提高。

宫颈癌:宫颈癌的筛查主要使用新型的HPV检测和传统的液基细胞涂片检查。乳腺癌:乳腺癌筛查进行的最普及,使用钼靶、MRI并配合某些肿瘤标志物。结直肠癌:结直肠癌的筛查方法最为多样化,包括肠镜、粪便潜血和最新的血液与全粪便基因检测。前列腺癌:前列腺癌的筛查只有使用传统血清标志物PSA。但是由于该方法严重的假阳性率,美国的专业抗癌协会从其指南中将此删除。

肺癌:随着NLST随机对照临床试验结果显示的优越于一般X光片胸透的结果,低剂量CT也被专家、学会推荐使用与高风险人群的肺癌早筛。

肝癌:肝癌筛查在日本开展得比较好,手段主要是超声和AFP等蛋白标志物。同样的,美国肝脏协会也不支持使用AFP进行肝脏筛查。包括中国在内的亚洲国家,使用腔镜进行胃癌的筛查也逐渐多起来。

▼ 这些筛查方法都有各种各样的缺点:

① 比较准确的方法,例如各种腔镜和活体取样,都有一定程度的危险性和对病人的不便之处,例如需要全身麻醉等。

② 另外一些方法虽然简单无创,例如粪便潜血检测和血清肿瘤标志物检测,则准确度非常低。

综上所述,癌症早筛是个急迫而又没有很好的解决方案的医学难题。

 

三、血液及其它体液早期筛查癌症的可能性

作为人体内的“高速公路”,血液循环系统承载着支持机体正常新陈代谢、疾病防御的重要功能,其中存在着各种各样的内源性和外源性的细胞与物质其它体液,例如尿液,也对某些局部器官与组织具有类似的支持功能。通过对血液等体液的检测,可能观察到某些人类生理现象和疾病的状况。最为人知的便是无创产前筛查(NIPT),即通过胎儿游离到孕妇血液中的DNA检查潜在的胎儿染色体异常,从而筛查唐氏综合征等遗传性疾病。

对于癌症的筛查和诊断,血液等体液同样具有重要价值,被称为液体活检如同其名称所代表的,这是与传统的癌症诊断金标准的组织活检相对应的一种检测活体状况的方法。肿瘤生物学的研究报告已经表明实体肿瘤在不同的时期会有肿瘤细胞或其中的遗传物质被释放到血液中液体活检就是通过检测血液中的循环肿瘤细胞(CTC)或游离DNA当中的循环肿瘤DNA(ctDNA)来检查癌症的发生发展状况。

 

▼ 与组织活检相比液体活检具有以下几个优势:

① 血液中含有的各种成分是很均匀的,代表了整个循环系统里面各种物质的分布状态,避免了组织穿刺的只是对于器官的某一个部位的局部性。

② 因为其有创性,活体穿刺也不能反复进行。血液采样在一定的时间间隔里是可以多次反复进行的,适合于癌症治疗后的跟踪监测。

③ 由于癌症的异质性(heterogeneity),受制于时间和空间的组织活检将难以理解当时个体的癌症全貌。而液体活检则可能对所有的肿瘤过程及发展状态,例如远处转移等,进行动态检测、全程监控与观察干预结果。

 

最早开始的液体活检方法主要是针对CTC的捕获和检测。也有公司开发与推出了专门的检测仪器与试剂,例如 Cell Search 产品就获得了包括美国在内的多个市场的准入许可。但是因为CTC技术的难度较高、临床意义没有非常清晰,其临床应用仍然十分有限。

 

近几年来广泛被关注的液体活检方法已经转向了对ctDNA的检测。这个方法的优点主要是DNA相对稳定,其检测方法如PCR或测序都是比较成熟的技术。更为重要的是,通过DNA水平的检测,可以获得对于癌症的基因层面的信息,例如驱动基因的突变及基因组突变图谱,从而直接指导临床治疗方案的设定。

 

经过过去十年左右的发展,液体活检在某些方面已经达到可以临床应用的程度。例如,Guardant Health 自2014年以来,其73基因Panel已经在几年中每年使用于检测上万例血液样本。同时,行业的发展已经导致使用血液检测EGFR基因突变指导肺癌等的一线药物TKI抑制剂的选择已经成为临床标准程序,有罗氏的试剂盒和厦门艾德的试剂盒分别在2016年夏天和2018年初获得美国FDA和中国CFDA的批准。

▼ 癌症早筛使用ctDNA液体活检技术具有几个重要的挑战与困难:① 释放在血液中的ctDNA含量非常低,尤其是在癌症的早期。② 这样少的ctDNA又是混杂在大量的正常人体细胞凋亡释放的游离DNA当中。因此,高度敏感并且降低背景噪音的检测方法是这种应用的基础。

 

自从斯坦福大学的研究者在2014年报道开发了使用下一代测序(NGS)方法的超敏感检测ctDNA的CAPP-Seq技术以来,众多的实验室和生物技术公司开发出了各种各样的改进技术。

从临床验证的角度来看,ctDNA检测的结果需要与病理组织的基因检测相符。这个符合率在不同癌种中的情况在过去两年中有了较多报道。例如,Grail在2017年的ASCO大会上报告了他们与MSKCC联合研究三种癌症(乳腺癌、前列腺癌和肺癌)共计一百三十来例的血液ctDNA检测与同一病人的病理组织基因突变检测的符合率平均达到73%。这样的结果给人以希望,但同时也指出了问题。这个平均数的背后是检测符合率在不同时期的癌症患者中的分布的差异。晚期病人很容易检测到血液ctDNA,而早期癌症病人的检出率则较低。类似的结果在Grail今年的AACR报告中重演,但有所进展。

由于基因突变信息并不能提供有关癌病的机体部位信息,因此还需要配合其它的方法。目前最为常见的是结合DNA甲基化或结合使用蛋白标志物。这两种增加的检测物质在过去几十年的研究中都有大量的文献。关于DNA甲基化在ctDNA检测中的应用,Grail在今年的AACR报告中有数据报道。关于结合蛋白标志物,今年初Johns Hopkins(霍普斯金)团队在《Science Translational Medicine》上发表的论文展示了在8个癌种中蛋白标志物增加了癌种机体部位特异性的信息。此外,也有新创公司采用DNA甲基化技术进行癌症早筛的。

此外,血液及其它体液中还有其它的组成成分,例如外泌体和血小板。外泌体是细胞分泌出的小泡,这个小泡包含的内容非常多,有蛋白质、DNA、信使RNA以及一些非编码RNA,是细胞之间沟通的载体。使用血浆和外泌体含有的遗传物质,尤其是微小核糖核酸(microRNA)进行癌症液体活检的研究非常活跃。例如在肝癌检测中,上海复旦大学中山医院合作研发了使用7个微小核糖核酸检测肝癌的试剂盒。

超深度测序检测癌症基因突变及液体活检的其它方法目前都还极其昂贵。为了达到上述的检测敏感度,对目标基因位点区域的测序深度要达到4-5万次(40000-50000X)。这样的基因组学检测工作无论在试剂成本、机器需求和数据处理方面都有巨大的资金要求,使得每个检测成本都很高昂,还有待于测序技术进一步的发展来降低测序成本。

 

在技术发展的同时,我们也积累了大量的临床检测数据。

各公司建立的私自的数据库、文献解读软件系统和数据库(示例):
Foundation Medicine 的FoundationCORE、QIAGen 的 Ingenuity。由政府主导的公用数据库(示例):英国 Wellcome Trust 的 COSMIC、美国 NCBI 的 ClinVar、MSKCC 建立并负责管理的 cBioPortal 等。许多跨国的政府支持的科研项目都将其产生的大量数据递交到这些公用数据库中,例如最为著名的TCGA肿瘤组织基因数据、ExAC 全外显子组数据、1K全基因组数据等。

除了这些各公司进行的临床试验数据和公共研发项目产生的大数据形成的数据库,采用最新的人工智能(AI)技术进行数据挖掘的努力也在蓬勃开展。位于旧金山湾区的新型创业公司Freenome就是声称要使用AI技术来进行液体活检癌症早筛的产品开发。同时,其它已在开展癌症早筛研发的公司,例如Grail也同样声称有采用大数据分析科学策略的基因组数据分析计划。

 

四、业界领军者 Grail 两年来的进展

随着液体活检技术的成熟与临床应用的初步实现,人类要想早期发现癌症,从而可能从根本上进行癌症的防治的梦想再次浮现。2016年初的 JP Morgan Healthcare 大会上,测序行业的龙头企业 Illumina 宣布了融资近一亿美元成立专注于癌症血液早筛的技术与产品开发的公司 — Grail。

从此,癌症早筛基因检测进入了崭新并高度加速的阶段。在美国,Guardant Health 也很快宣布将投入巨大资金开展癌症早筛的研发。在中国,一些基因检测液体活检公司也都快速宣布开展癌症早筛的研发。

Grail自成立以来就开始了癌症早筛的临床试验。最初设计的CCGA临床试验目标是入组一万名受试者,包括14种常见的实体肿瘤和3000非癌症对照组。这一目标后来被扩大为15000名受试者,包括20种癌症。每个受试者都要提供病理组织和基线以及随访的血液样本,临床及病理分期,以及以后在5年中的癌症诊断信息。

在刚刚结束的美国癌症研究协会2018年度大会上,Grail发表了CCGA临床试验的一个初步亚队列研究结果。根据这份报告,Grail已经在140多个临床试验点完成了超过10000病人的入组工作,预计今年完成全部15000病人的入组工作,进展速度令人满意。

发表的研究工作使用了2800名受试者进行了对比研究(case control analysis)。这些病人样本又分为开发癌症筛查检测试剂用于病人分类(classifier)的训练群(training set)和对产生的病人分类进行验证的测验群(test set)。对于所有的样本,他们分别使用三种检测试剂进行测序分析:507个癌症相关基因Panel(Targeted)的单核苷酸变异以及小片段插入与缺失、全基因组(WGS)检测基因拷贝变异以及全基因组亚硫盐化(WGBS)检测DNA甲基化测序。

结果显示这些检测有极高的特异性,都达到甚至超过了99%。检测敏感度则与血液中ctDNA的含量相关。在常规早筛进行的较普遍的癌症,例如结直肠癌,对于ctDNA较少的早期癌症(一、二期),敏感度在三种检测都超过了60%,而在晚期癌症则超过了80%。在没有进行常规筛查的癌种部位,例如肺、卵巢、肝胆、胰腺和食管,这些检测的敏感度也都达到上述水平,而且WGS和WGBS的敏感度更高。

 

图,来自作者授权

 

五、癌症早筛血液检测的挑战与前景

使用无创、简单、精准的液体活检方法进行癌症早期筛查,代表着人类征服癌症的最大希望。在过去的两年中,这个梦想变得越来越可触可及了。众多的大学、科研机构、医院和公司开始挑战这一重大疾病。尤其是由DNA测序行业领军企业创立并引入巨额产业和风险投资而支持的专注癌症早筛的公司– Grail给我们带来了巨大的希望。

许博认为,这个行业的发展必将在今后的三到五年中产生初步有效的泛癌血液筛查产品。根据受筛查的人群对假阳性结果的耐受程度,这样的产品以消费者产品可能率先出现在健康体检应用场景。结合类似于23andMe等模式,产品将由非监管或低监管的市场区域,逐步成熟到针对某些应用人群和应用场景的预防医学筛查市场。

然而,癌症早筛仍然是一个具有巨大风险、需要集中人类资源、全力开发的科学技术领域与医疗应用领域。许博认为的目标是帮助全社会充分认识癌症早筛的巨大经济、医疗和社会价值,从而共同促进这一行业的快速发展与广泛接受。

各级政府和卫生健康管理部门应该清楚了解这个领域对公共卫生、社区医学以及大众健康的潜在影响与意义,采取政策鼓励与引导该产业的发展。

各相关专业大学、研究机构、科研人员应该积极投入这一重要的研究领域,为人类战胜癌症而研究癌症的发生发展的机制。

最为重要的是从事癌症早筛基因检测的各个公司应该坚持各自的研发方向,尽快开发有价值的产品,投入市场,加速推进癌症早筛行业的发展。

在访谈近尾声的时候,许博借用一句我们熟知的话来勉励彼此:道路是曲折的、任务是艰巨的、前景是光明的。

注:以上信息仅代表嘉宾观点欢迎政产学研资医代表,参与《大咖论健》info@genonet.cn,400-088-7466

 

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