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近日，约翰斯·霍普金斯大学著名肿瘤学家Bert Vogelstein领衔的团队，在肿瘤领域顶级期刊Cancer Discovery上发表了一项重磅研究成果，首次系统性探索了正常人和肿瘤患者血液中cfDNA的来源[1]。
他们发现，无论是正常人还是肿瘤患者，无论cfDNA的浓度是高还是低，他们血液中约76%的cfDNA都来自于白细胞，其中又以来自于中性粒细胞的cfDNA为主。更值得注意的是，癌症患者血液中的高浓度cfDNA既不是主要来自肿瘤细胞，也不是主要来自肿瘤原发组织周围的正常上皮细胞，而是来自于白细胞。
基于以上研究结果，Vogelstein团队认为，癌症可能会对细胞周转或DNA清除产生系统性影响。
论文首页截图
在开始研究之前，Vogelstein团队先回顾了一下之前的研究。
从2018年发表在《科学》上的一个大型队列研究（纳入了812名健康人和1005名癌症患者）[2]来看，健康人血液中cfDNA的平均浓度为4.3纳克/毫升，而I-III期癌症患者血液中cfDNA的平均浓度为12.6纳克/毫升，而且不同癌种的cfDNA浓度存在差异，肺癌相对较低，肝癌最高。
健康人和癌症患者cfDNA浓度的比较
为了搞清楚健康人和癌症患者体内cfDNA的来源，以及癌症患者血液中cfDNA水平增加的源头，Vogelstein团队分析了他们招募的64名健康人和178名I-IV期癌症患者的cfDNA水平。
总的来看，64名健康人血液中cfDNA的平均浓度为6纳克/毫升，178名I-IV期癌症患者血液中cfDNA的平均浓度为21.8纳克/毫升。cfDNA溯源的方式是甲基化分析。
先来看健康人血液中cfDNA的来源。
研究结果表明，无论64名受试者血浆中cfDNA的浓度如何，绝大多数cfDNA（平均79%）都是来自白细胞。在白细胞来源的cfDNA中，有2/3来自中性粒细胞；B细胞和T细胞来源的cfDNA分别占白细胞来源cfDNA的16.4%和17.5%。值得注意的是，无论cfDNA浓度的水平有多高，来自中性粒细胞、B细胞和T细胞的cfDNA占比都是相似的。除了白细胞来源的cfDNA之外，其他cfDNA主要来自肝（5.8%）、肠（4%）、心脏（3.5%）、脑（3.1%）和肺（2.4%）。
一开始，Vogelstein团队还推测，那些血液cfDNA浓度较高的人，多余的cfDNA可能来自于特定受损的组织细胞，但是数据的分析结果表明，在所有浓度下，白细胞贡献的cfDNA量与cfDNA总浓度之间都存在线性相关。说明前面的推测不合理。
不同组织细胞对血液cfDNA的贡献情况 （蓝色代表健康人，红色代表癌症患者）
在178名癌症患者中，有18人患结直肠癌、31人患肺癌、36人患卵巢癌、93人患胰腺癌。
出人意料的是，癌症患者血液cfDNA的组织来源竟然与健康人相似，约70.5%的cfDNA来自于白细胞（约2/3来自中性粒细胞），11.4%来自于肝、5.9%来自于肠、3.6%来自于心脏、3.1%来自于脑、2.2%来自于肺，以及2.2%来自于胰腺。
Vogelstein团队重点关注了cfDNA浓度较高的癌症患者，他们一开始也是认为可能来自与肿瘤细胞或者肿瘤原发组织周围的正常上皮细胞，因为肿瘤的侵袭性进展会破坏周围的组织。
分析结果出乎他们的预料：与健康人一样，在cfDNA浓度较高的患者中，白细胞贡献的DNA量也与cfDNA总浓度呈线性相关。这也说明他们的推测不成立。
他们还以肠癌患者为研究对象，探索了肿瘤细胞贡献的变化。结果发现，肿瘤贡献的cfDNA占比与正常肠上皮细胞来源的cfDNA占比也存在线性关系。来自肺癌和胰腺癌的研究，也得到了类似的结论。这再次证明，这些肠癌患者体内cfDNA的增加不是癌细胞带来的。
正常组织与肿瘤组织的cfDNA呈线性相关
由于有研究发现，术后患者的cfDNA水平会增加。因此，Vogelstein团队又探索了术后增加的cfDNA来源。
他们采用了8名胰腺癌患者的数据。这8名患者术前cfDNA处于正常水平，术后24小时cfDNA总浓度急剧升高2.3-18倍不等。随后的甲基化分析得出了3个结论。
第一，术后来自所有可评估组织来源的cfDNA浓度均有所增加，但肺、大脑、食道、小肠、胰腺和心脏的增加幅度较小。
术前/术后不同组织来源cfDNA的浓度变化
第二，术后的cfDNA大部分（平均57%，范围42%至70%）来自白细胞，在白细胞来源的cfDNA中，中性粒细胞来源的占比最高（平均73%，，范围67%至82%）。
第三，除肝脏来源cfDNA占比显著增加（平均46倍）外，其他组织来源的cfDNA比例在术后都有所下降或仅有轻微变化。经过计算之后，他们发现在新增加的cfDNA中，肝细胞平均贡献了其中的38.2%（范围为23.9%至57.6%），而白细胞平均贡献了其中的48.4%（范围为23.3%至67.1%）。
术前/术后不同组织来源cfDNA的占比变化
基于以上数据，以及之前研究观察到的数据[4,5]，Vogelstein团队认为，术后增加的cfDNA很可能是由于肝损伤造成的。
总的来说，Vogelstein团队的这个研究表明，与健康人相比，癌症患者血液中的cfDNA确实增加了，不过增加的cfDNA并不是主要来自肿瘤组织或者肿瘤周围的受损的健康组织，而是主要来自白细胞中的中性粒细胞；由于其他组织器官往血液中释放的DNA也增加了，因此这是一种系统性的全身效应。
因此，Vogelstein团队推测，可能是由于肿瘤细胞或肿瘤里的血管内皮细胞释放的系统因子，加速了全身细胞的更替，导致了cfDNA的系统性释放。他们还提出了另一种可能，那就是癌症患者体内细胞更替正常，但是cfDNA的清除出现障碍。Vogelstein也希望他的这个研究能帮助大家找出癌症患者cfDNA水平增加的直接原因。
最后，我们想说的是，这个研究让我们对癌症患者体内cfDNA的来源有了清晰的认知，对目前围绕cfDNA的液体活检研究有极大的指导意义。
参考文献： [1].Mattox AK, Douville C, Wang Y, et al. The origin of highly elevated cell-free DNA in healthy individuals and patients with pancreatic, colorectal, lung, or ovarian cancer. Cancer Discov. 2023;CD-21-1252. doi:10.1158/2159-8290.CD-21-1252 [2].Cohen JD, Li L, Wang Y, et al. Detection and localization of surgically resectable cancers with a multi-analyte blood test. Science. 2018;359(6378):926-930. doi:10.1126/science.aar3247 [4].Sun K, Jiang P, Chan KC, et al. Plasma DNA tissue mapping by genome-wide methylation sequencing for noninvasive prenatal, cancer, and transplantation assessments. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(40):E5503-E5512. doi:10.1073/pnas.1508736112 [5].Jiang P, Chan KCA, Lo YMD. Liver-derived cell-free nucleic acids in plasma: Biology and applications in liquid biopsies. J Hepatol. 2019;71(2):409-421. doi:10.1016/j.jhep.2019.04.00   |
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