药明康德基因中心携手NextCODE Health开展人全基因组分析

药明康德基因中心宣布与总部位于美国波士顿的NextCODE Health公司合作,利用全球唯一存储超过三十万人全基因组信息的集中式数据库,服务中国科学家。双方将基于药明康德基因中心CLIA认证的测序平台与NextCODE Health生物信息学分析平台,提供快捷、精准的一站式测序与分析服务。双方将致力于开展人全基因研究及临床诊断,建立中国人专属的全基因数据库。

药明康德基因中心是国内第一家也是唯一一家,通过美国CLIA认证的第二代测序实验室。CLIA认证的要求十分严苛,通过此认证,意味着实验室可以为美国病人提供临床报告。正是出于对CLIA认证实验室的信任,在对结果稳定性和准确性要求最为苛刻的制药行业,多家国际顶级制药公司主动要求与基因中心合作,开展临床实验药物的检测。2014年3月,药明康德基因中心宣布购买世界最先进的Illumina X10测序平台,开展人全基因组测序。成为该系统全球首批用户之一。凭借执行CLIA标准的经验,基因中心实现了国内全基因组测序最高标准。

NextCODE Health公司的前身是来自冰岛的deCODE公司。该公司在世界上第一个发现了2型糖尿病、前列腺癌、心脏病及中风等疾病的主要基因。2010年,该公司启动世界上最大的测序项目,检测了超过三十万人的全基因组序列,并从中确认超过4千万个变异,构建了全球唯一储存超过三十万人全基因组信息的数据库。2012年,又利用11万人作为对照组实验对象,进行了全球最大的阿尔茨海默病研究。迄今为止,公司的数据支持了超过350篇已发表文章,其数据库支持近百种人类疾病的检测及诊断,使基因诊断时间加快了10倍。

近年来随着测序技术的精度提高及价格下降,基因检测,尤其是全基因检测的应用范围逐渐扩大。利用全基因检测进行基础研究、临床诊断及健康评估等业务已为越 来越多的人所接受。但随之而来的检测过程缺乏规范标准,数据分析能力良莠不齐,成为了全基因测序进一步普及的瓶颈。

两个互补型伙伴的强大合作,将突破瓶颈,带来完全满足客户需求的全基因测序及分析服务。两家公司将从技术的策略性合并中受益,建立双赢合作关系。

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Science:定向深度测序技术让致病突变无处可逃

今年8月,美国波士顿儿童医院的科研人员在一项研究中深入检测了临床基因测试无法确认病因的158名脑畸形患者的DNA。在高灵敏度测序的帮助下,研究团队发现了只在每个人很少一部分细胞中发生的8个致病基因突变。对于传统基因诊断测试来说,它们实在是太过于微小。

这 类细胞基因变异又称嵌合突变,存在于每个人的身体中,并且早就为人所熟知。不过现在,基因技术使得“抓获”在少部分细胞中存在的特定突变成为可能。10 月,国立卫生研究院(NIH)将开始评审旨在寻找脑组织中基因变异的基金申请,而这有可能帮助解释一些神经精神病学疾病。同时,随着研究人员发现更多关于 嵌合突变的案例,他们正在怀疑到底有多少与基因相关的病因还保持着隐身状态,即使是面对最好的临床测试。

在 过去,基因疾病研究一直关注的是通过生殖细胞系遗传下来的突变,其被看作是身为携带者的父母或卵子和精子形成过程中发生基因错误而留下的“遗产”。一旦胚 胎开始发育,每次细胞分裂时基因错误都有可能发生。NIH国家基因组研究所遗传学家Leslie Biesecker介绍说,由于随后细胞会增殖并扩展它们的突变,因此每个身体都成为一种“微型进化试验场”。拥有特定突变的细胞数量取决于这些突变发生 的时间和地点以及其改变细胞功能的方式。很多这样的突变都是良性的,但有些会引发疾病。

对 于引发疾病的嵌合突变的系统寻找才刚刚开始。Biesecker表示,这种现象在有些病例中很明显。例如,对于多发性骨纤维营养不良症,异常细胞会通过一 个人皮肤上的斑块或形状表现出来。不过,任何一种基因疾病都可能与嵌合突变有关。研究表明,从多发性骨纤维营养不良症,到血友病和心律失常,嵌合突变会在 几十种条件下发生。

在一些疾病如唐氏综合征中,相较于影响全身细胞的突变,嵌合突变产生的症状要轻一些。还有一些如大脑过分发育导致的巨脑畸形综合征,胚系突变总是致命的。根据一项最新研究,甚至很少量的变异细胞就足以引发损害人身心健康的症状。

找到这些稀有的突变并非易事。为检测某一特定基因或完整基因组,研究人员通常从大量细胞中提取DNA,然后对其进行多次测序。从这些反复测定的序列中,测序仪基本上会就DNA链上每个碱基的可能身份达成共识。

为 从普通基因组中检测到突变,研究人员不得不增加测定的序列数量。然而,尽管DNA测序变得快速和廉价,但在测序覆盖度(一个基因组有多少碱基被测定)和深 度(基因组中每个碱基被测定的次数)之间出现了权衡问题。波士顿儿童医院神经学家和遗传学家Christopher Walsh介绍说,在全基因组测序中,通常会测定50~60次。只在很少一部分测定序列中出现的突变,会被看作测序仪固有误差率的一部分,而非取样细胞间 DNA序列上的真实差异。

这 就是Walsh和同事最近在研究脑畸形患者时所做的事情。引发脑畸形的已知遗传因素中,没有一个出现在标准临床测试中。然而,针对少数候选基因区域进行的 平均300次深度测序,使该研究团队有能力辨别那些被误认为测序错误的突变。在8个突变中,有5个只在非常少量的细胞中出现,以至于利用仍是验证突变“黄 金标准”的传统桑格DNA测序完全检测不到它们。8月,该研究团队在《新英格兰医学杂志》上发表了相关成果。Walsh表示,深度测序或许最终可以让科学 家找到隐藏在一些慢性神经疾病,如智障和自闭症背后的基因嵌合突变。

寻 找嵌合突变的其他研究人员正在追求一种更加灵敏和有针对性的方法,即基于聚合酶链反应(PCR)的技术,它能探测只在不到1%的细胞中存在的突变。该类测 试只会显示其在设计时指向的某个单一突变,而不是一个特定基因所有的变异。不过,在一项针对拥有基因疾病儿童的健康父母的最新研究中,一种类似的PCR方 法被证实可以显示很多突变。

起 初,这些父母的基因突变被检测为阴性,而在孩子的所有细胞中都检测到了突变。但领导该项研究的贝勒医学院遗传学家Pawel Stankiewicz介绍说,在4%的病例中,少量亲代细胞含有突变,而它们也有可能出现在卵子或精子中。相关成果曾在7月份在线发表于《美国人类遗传 学杂志》。然而,当基因实验室测试这些父母,看其是否为疾病的基因载体时,却常常无法对生殖细胞系组织进行取样。Stankiewicz表示,对精子进行 测序是不切实际的,而获取卵子涉及侵入性活检。为更准确地为家庭提供指导,实验室需要更加复杂的测试。

不 过,像Walsh和贝勒医学院团队使用的诸如此类的高灵敏度测序方法,在高校实验室和研究型医院之外并不常见。Walsh解释说,部分原因在于要想确认一 个在DNA样本中极少出现的序列是真实的致病突变而非测序错误,是一件非常复杂和耗费时间的事情。同时,由于目前深度测序基因组将注意力缩小到一系列已知 候选基因或特定突变上,研究人员只得受限于对那些遗传因素已了解得较多的疾病。Walsh预测,DNA测试技术的改进将最终带来针对嵌合突变的更加广泛的 搜寻。

Harmful mutations can fly under the radar

Scientists have long known that the human body is a mosaic: All of our cells don’t contain exactly the same genome. Every     time a cell divides, genetic errors can occur, leading to variations in the DNA sequence that may proliferate and—in some    cases—cause disease. Now that genetic sequencing and ther technologies have made it easier to recognize mutations that occur    in only a subset of cells, researchers are finding more and more harmful mutations hidden among unaffected cells. These findings  suggest that in some cases, standard genetic tests in the clinic may be overlooking the underlying cause of genetic disease    and underestimating a person’s risk of passing such mutations on to their children.

 

Biotechniques:如何降低下一代测序1%的碱基错误识别?

为什么复杂疾病的全基因组关联研究都是失败的?

下一代测序带来的误差,使得我们很难检测到罕见变异,而这些罕见变异在癌症等疾病中发挥着重要的作用。

在Biotechniques最近的一篇新闻中,Janelle Weaver报道了科学家们在描绘这些误差以及开发策略提高精度方面所取得的进步。

美国国家心脏、肺和血液学研究所(NHLBI)的“Exome Sequencing Project”(外显子组测序项目)的研究人员在对2400个人的外显子组进行测序和分析之后推断:大多数单核苷酸变异是罕见的,在样本群体中的发生率小于0.5%。

这一发现解释了为什么全基因组关联研究(GWAS,常见遗传变异与特定疾病表型相关性)——对于复杂疾病通常是失败的。

Jan Vijg

阿 尔伯特·爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的Jan Vijg主要研究”基因组损伤和衰老”之间的关系。他说:“越是罕见的基因突变越发重要,尽管我们不倾向于在常见变异中寻找特定疾病的风险变异,然而很显 然当所有的罕见变异加在一起就会引发了许多疾病表型,因此我们需要研究它们。”

尽管下一代DNA测序对疾病相关突变的检测和个性化医学发展,具有很大的潜力,但是我们检测罕见变异的能力,因样本制备、测序和分析步骤过程中引入的误差而受到限制。所以这导致了有大约1%的碱基是错误识别的。

虽然这种误差率对于某些应用是可以接受的,但是它已经成为癌症研究人员的一个主要障碍。所以现在,研究人员正在开发新的技术,以准确地识别基因组大海中的罕见变异。

目前的方法主要有三点。

NO.1 双重测序——降低误差率

在 华盛顿大学,Larry Loeb是一个研究“罕见遗传变异与癌症”的研究人员。但是由于以前的测序方法不够准确,他的实验室只能研究频率超过10%的突变。他说:“我们需要一种 更准确的方法,可以研究那些可能不会出现在所有肿瘤细胞中的变异——它们可能是亚克隆或随机的。”

Loeb lab的部分成员:Lawrence Loeb, Scott Kennedy

Michael Schmitt, and Jesse Salk

(来源:University of Washington)

Loeb 和他的研究团队描述了这样一种方法,称为双重测序(Duplex Sequencing),相关研究结果发表在2012年的《PNAS》杂志。通过对DNA双链体的两条链进行独立标记和测序,这种方法实现的理论背景误差 率为,小于每十亿个核苷酸序列中有1个人为突变。因此,这种方法对于检测罕见DNA变异以及单分子计数具有很高的灵敏度,可精确地确定DNA或RNA拷贝 数的绝对值。

双重测序(Duplex Sequencing)

在 双重测序中,一段双螺旋DNA片段的两条链,被附加以一段随机的、互补的双链核苷酸序列。首先将一段单股的随机核苷酸序列引入一段接头链,然后用DNA聚 合酶产生一段互补的双链标签,进行延伸,使双链的标签序列被合并到标准的Illumina测序接头上。接着,将标签接头结扎到剪切的DNA上,然后对单独 标记的链,进行PCR扩增和配对末端测序。

通过比较双重测序两股链中每一段所获得的序列,Loeb及其同事能够将测序误差与真正的突变区别开来。由于一个DNA双链体的两股链是互补的,真正的突变位于两股链的同一位置。相反,PCR或测序误差仅在一条链上引发突变,因此可以被视为技术性误差。

Loeb说:“其他最好的方法,可在每一千个核苷酸中引起一个误差。如果你想测定存在于身体所有细胞中的遗传异常,这已经足够好了。但是,如果你想测定罕见变异,或者如果你想要一个肿瘤中的突变分布,或者如果你想测定病毒性种群,这个错误率就太高了。”

NO.2 添加金属螯合剂降低DNA氧化偏差——实现精确度

虽 然科学家们都非常清楚PCR和新一代测序过程中引入的误差,但是DNA提取和样本制备过程中产生的误差却很少受到关注。麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大 学的Gad Getz带领的一个研究小组,2013年在《Nucleic Acids Research》发表的一项研究中解决了这个问题,该研究发现了样本制备过程中发生的人为突变的一个新来源。

根据这项 研究,位于超深覆盖目标捕获测序数据中低等位基因片段的C>A/G>T颠换偏差,是来自于包含提取过程反应污染物的样品在进行声剪切时的 DNA氧化。往剪切缓冲液中添加金属螯合剂,可降低这些氧化偏差,一种后处理过滤法能够筛选出氧化引起的测序数据误差。这些研究结果表明,实验室程序的变 化和信息工具的使用,可以帮助研究人员抑制人为偏差的影响。

加州大学旧金山分校的Nadav Ahituv,研究基因调控序列在人类生物学和疾病中的作用,他没有参与这项研究,但是他指出:“人们都知道,使用任何测序技术都有误差,所以我不认为这 有什么惊讶的。这项研究的长处在于,他们针对的是原因,并且提出了很好的计算工具来减少这个问题。”

根据卡罗林斯卡医学 院癌症系统生物学专家Jussi Taipale介绍,除了最近这些研究中描述的实验和信息学方法之外,还有其他潜在的方法可提高测序的准确度。他没有参与这些研究,但是他指出:“精确度 总是受到聚合酶错误率的限制,因为你必须使用它。如果我们能开发一种酶,具有较低的错误率,如果我们能处理突变的所有化学来源,那么这当然会提供更多的帮 助。”

NO.3 临床影响:双重测序可以揭示赋予耐药性的罕见突变

像Vijg这些致力 于罕见突变的研究人员,可能不需要等待太长时间就能实现这些方法。例如,双重测序可以适用于各种测序平台,含有双链标签序列的接头,可以代替标准的测序接 头,且不会明显改变Illumina测序仪样本制备的正常工作流程。Vijg说:“我们肯定能够在当前的工作流程中快速地实现它。”

也 许最重要的是,双重测序可以揭示赋予耐药性的罕见突变。Vijg说:“如果我们已经知道,在肿瘤中的某个地方,有一个特定的基因变异,能够使它们有机会逃 脱一种特定药物,那么我们就可以尝试另外一种药物。这可能会对治疗产生直接影响。”此外,单细胞测序的未来发展,可能会进一步帮助研究人员确定这些类型的 突变。

但是双重测序是否能够应用于许多类型的突变,仍有待确定。“实际上,他们主要将其应用于小突变——点突变。是否能在大的变化上做到这一点,如大的缺失、易位或拷贝数变异,我还不清楚。”

最 后,双重测序可能不会代替标准方法。其中一个原因是,对于全外显子组测序来说,这种方法过于昂贵。Loeb说:“它对于细胞的测序不均匀混合物或提问的生 物学问题,真的很有用,因为它们需要超级精确度。所以,从某种意义上说,双重测序可能会被限制在癌症研究、病毒群、古DNA取证之类的事情。”

Ahituv认为,各种测序方法将被并行使用。他说:“这两篇论文最重要的意义在于,如果我们想利用新一代测序技术来寻找罕见基因变异,我们就必须非常小心。”

PNAS:可大大增加糖尿病风险的9个遗传变异

最近,哈佛大学的研究人员确定了9个遗传变异,可大大增加2型糖尿病的患病风险,使我们对这种疾病的基础有了更深的认识,并发现了该基因的较高遗传多样性。
哈佛大学医学院(HMS)和哈佛大学附属马萨诸塞州总医院的医学讲师Amit Majithia,和MIT-Harvard布罗德研究所的一名研究人员指出,这些变异可使患2型糖尿病的风险增加七倍,但是它们在人群中非常罕见,只存在于千分之一的人当中。
Majithia说,重要的是,他们研究的一个基因(称为PPARG)具有较高的遗传多样性,20年来这个基因已知与糖尿病风险相关。
尽管科学界对这个基因很熟悉,但该项目对来自各种国际人群的20,000个人的基因组进行扫描后,发现了53个突变,其中只有4个是先前描述过的。进一步的实验表明,其余49个突变可使增加2型糖尿病风险的关键蛋白质发生一些变化。
Majithia说:“这些罕见突变仅存在于千分之一的人当中,但是对个体的影响非常强,因为它们可使患病风险增加70%。”
Majithia认为,关于这个基因中的突变,目前的研究所发现的仅仅是冰山一角。他指出,这个基因可调节脂肪细胞的发育,编码一个由500个氨基酸组成的蛋白质。有19个可能的氨基酸插入在每个位置,有近10000个可能的突变,极有可能还有额外的突变——可能其中很多突变影响着糖尿病风险。
相关研究结果发表在最近的《PNAS》杂志,是由Majithia和本文资深作者、HMS遗传学教授David Altshuler带领的研究小组完成。
Majithia说,这项工作旨在了解PPARG基因在糖尿病中所起的作用。之前已经发现的一个突变,可使2型糖尿病的患病风险降低20%。另一方面,该基因中的遗传突变与脂肪细胞发育中的严重故障以及糖尿病风险增加有关。
这项工作还指出,通过遗传突变分析疾病风险的新兴计算机方法存在缺陷。作为工作的一部分,研究人员将计算机算法运用于他们所发现的49个新突变,将它们确定为良性或有害。在进一步的调查中,通过计算机算法分类为有害的突变,并没有显示出2型糖尿病的风险增加。
Majithia及其同事在实验室,逐一地检测了这些突变,发现了9种有害的变异。

Majithia计划继续开发新方法,以揭示PPARG的哪种突变是有害的,希望能创建一个全方位的有害突变目录,临床医生在检测患者糖尿病风险的时候,可以将其作为参考。

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原文摘要:
Rare variants in PPARG with decreased activity in adipocyte differentiation are associated with increased risk of type 2 diabetes

Abstract:Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARG) is a master transcriptional regulator of adipocyte differentiation and a canonical target of antidiabetic thiazolidinedione medications. In rare families, loss-of-function (LOF) mutations in PPARG are known to cosegregate with lipodystrophy and insulin resistance; in the general population, the common P12A variant is associated with a decreased risk of type 2 diabetes (T2D). Whether and how rare variants in PPARG and defects in adipocyte differentiation influence risk of T2D in the general population remains undetermined. By sequencing PPARG in 19,752 T2D cases and controls drawn from multiple studies and ethnic groups, we identified 49 previously unidentified, nonsynonymous PPARG variants (MAF < 0.5%). Considered in aggregate (with or without computational prediction of functional consequence), these rare variants showed no association with T2D (OR = 1.35; P = 0.17). The function of the 49 variants was experimentally tested in a novel high-throughput human adipocyte differentiation assay, and nine were found to have reduced activity in the assay. Carrying any of these nine LOF variants was associated with a substantial increase in risk of T2D (OR = 7.22; P = 0.005). The combination of large-scale DNA sequencing and functional testing in the laboratory reveals that approximately 1 in 1,000 individuals carries a variant in PPARG that reduces function in a human adipocyte differentiation assay and is associated with a substantial risk of T2D.

Nature:循环血DNA指导癌症治疗

2012年,Charles Swanton被迫面对一种癌症的“肮脏”把戏。当时,他与同事在英国癌症研究中心伦敦研究所测序从少量肾脏肿瘤中提取的DNA,以期找到一些不同的变异,但是单一肿瘤的遗传多样性的宽度让他们十分震惊。一端的细胞就与另一端的细胞存在差别,只有1/3的突变遍及整块肿瘤。扩散到其他部位的继发性肿瘤又出现了不同。
最终,Swanton研究小组公布了一种看上去难以逾越的多样性。“诚实地说,我还是很郁闷。如果我们进行了更高分辨率的试验,这些复杂性将更严重。”
通过发展和改善针对血流中肿瘤DNA的测量和测序技术,科学家正把血瓶变为“液体活检”。随着时间的推移,此类血液样本将告诉临床医生治疗是否会起作用以及肿瘤是否会进化出抗性。
约翰斯·霍普金斯大学遗传肿瘤学家Victor Velculescu指出,如果研究人员清楚这些障碍,液体活检将帮助临床医生更好地选择疗法和调整决策。此外,相关研究将提供新的治疗靶点。“这将有助于实现个体化治疗。它将是游戏规则改变者。”Velculescu说。
1948年,科学家第一次报告了人体血液中存在DNA循环;1977年,明确提出癌症患者血液中的DNA循环。人们又花费17年时间指出,这些DNA出现了与癌症有关的突变。
这一发现使得医生可以在孕期初期不干扰胎儿的前提下检查胎儿性别,并能不依靠侵入性试验筛查唐氏综合征等发育性疾病。这也成为妇产诊断学领域的革命性成果。
但过去10年间科学家发展出了更灵敏的技术,能在片刻间探测和量化DNA数量。例如,即使ctDNA与健康细胞DNA的比例为1/10000, 一个名为BEAMing的技术也能将其检测出来。
更好的生物标识
但ctDNA出现假阳性的几率更低,因为它是由具有癌细胞印记的突变和其他遗传变化定义的。尽管大多数蛋白质生物标识能在血液中存在数周,而ctDNA的半衰期不到两个小时,因此,后者呈现的是肿瘤目前的情况。剑桥团队与约翰斯·霍普金斯团队分别发现,在监测乳癌和肠癌时,与蛋白质生物标识相比,ctDNA更加敏感,并且在追踪肿瘤消失、扩散和复发时,ctDNA也更准确。
而让科学家最为兴奋的是能够随时观察肿瘤发展和改变,Diaz指出:“它能帮助我们回答之前没有人能回答的肿瘤学问题。”
检测抗性能让医生避免患者服用有毒、昂贵且没有效用的药物。而且,通过识别抗性背后的突变,研究人员能发现有效的替代选择和药物组合。“希望我们能将癌症从致命性疾病变为慢性病。”Velculescu说。
尽管存在希望,ctDNA在临床上还未准备好成为主角。首先,最敏感的ctDNA探测技术依靠的是寻找对那些突变的认知。这些认知可能来自于活体检查、测序突变、设计患者个性化分子探针、使用这些探针分析血样。替代选择是使用外显子组测序。这要求之前对肿瘤没有认知,但是以探测稀有突变片段所需要的深度来测序和分析每个样本,则成本过高。
与所有的ctDNA活体监测技术一样,Diehn的方法无法监测初期癌症。在一个小型研究中,它检测出了所有II期或更晚的肺癌,但I期肿瘤只检测出一半。这个可以理解——晚期肿瘤会释放更多DNA,但这限制了ctDNA作为癌症筛查工具的潜力。
不过,即便ctDNA无法影响结局,科学家表示,它也是一个无价的研究工具,并且临床医生可以常规地对其进行收集。正如Rosenfeld所说的,知道这些信息要比不知道好。当前,他说,“我们正在黑暗中摸索。但如果有个工具能让你看到发生了什么,那你为什么不这样做?”

Cancer biomarkers: Written in blood DNA circulating in the bloodstream could guide cancer treatment — if researchers can work out how best to use it.

30 July 2014
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Illustration by Oliver Munday

In 2012, Charles Swanton was forced to confront one of cancer’s dirtiest tricks. When he and his team at the Cancer Research UK London Research Institute sequenced DNA from a handful of kidney tumours, they expected to find a lot of different mutations, but the breadth of genetic diversity within even a single tumour shocked them. Cells from one end differed from those at the other and only one-third of the mutations were shared throughout the whole mass. Secondary tumours that had spread and taken root elsewhere in the patients’ bodies were different again1.

The results confirmed that the standard prognostic procedure for cancer, the tissue biopsy, is woefully inadequate — like trying to gauge a nation’s behaviour by surveying a single street. A biopsy could miss mutations just centimetres away that might radically change a person’s chances for survival. And although biopsies can provide data about specific mutations that might make a tumour vulnerable to targeted therapies, that information is static and bound to become inaccurate as the cancer evolves.
Swanton and his team laid bare a diversity that seemed insurmountable. “I am still quite depressed about it, if I’m honest,” he says. “And if we had higher-resolution assays, the complexity would be far worse.”
But researchers have found ways to get a richer view of a patient’s cancer, and even track it over time. When cancer cells rupture and die, they release their contents, including circulating tumour DNA (ctDNA): genome fragments that float freely through the bloodstream. Debris from normal cells is normally mopped up and destroyed by ‘cleaning cells’ such as macrophages, but tumours are so large and their cells multiply so quickly that the cleaners cannot cope completely.
By developing and refining techniques for measuring and sequencing tumour DNA in the bloodstream, scientists are turning vials of blood into ‘liquid biopsies’ — portraits of a cancer that are much more comprehensive than the keyhole peeps that conventional biopsies provide. Taken over time, such blood samples would show clinicians whether treatments are working and whether tumours are evolving resistance.
As ever, there are caveats. Levels of ctDNA vary a lot from person to person and can be hard to detect, especially for small tumours in their early stages. And most studies so far have dealt with only handfuls or dozens of patients, with just a few types of cancer. Although the results are promising, they must be validated in larger studies before it will be clear whether ctDNA truly offers an accurate view — and, more importantly, whether it can save or improve lives. “Just monitoring your tumour isn’t good enough,” says Luis Diaz, an oncologist at Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland. “The challenge that we face is finding true utility.”
If researchers can clear those hurdles, liquid biopsies could help clinicians to make better choices for treatment and to adjust those decisions as conditions change, says Victor Velculescu, a genetic oncologist at Johns Hopkins. Moreover, the work might provide new therapeutic targets. “It will help bring personalized medicine to reality,” says Velculescu. “It’s a game-changer.”
Delayed action Scientists first reported finding DNA circulating in human blood in 1948 (ref. 2), and specifically in the blood of people with cancer in 1977 (ref. 3). It took another 17 years to show that this DNA bore mutations that are hallmarks of cancer — proof that it originated from the tumours4, 5.
The first practical use of circulating DNA came in another field. Dennis Lo, a chemical pathologist now at the Chinese University of Hong Kong, reasoned that if tumours could flood the blood with DNA, surely fetuses could, too. In 1997, he successfully showed that pregnant women carrying male babies had fetal Y chromosomes in their blood6. That discovery allowed doctors to check a baby’s sex early in gestation without disturbing the fetus, and ultimately to screen for developmental disorders such as Down’s syndrome without resorting to invasive testing. It has revolutionized the field of prenatal diagnostics (see Nature 507, 19; 2014).
“Cancer has been slower to catch on,” says Nitzan Rosenfeld, a genomicist at the Cancer Research UK Cambridge Institute. This is partly because tumour DNA is much harder to detect than fetal DNA. There is typically less of it in the blood, and the amounts are extremely variable. In people with very advanced cancers, tumours might be the source of most of the circulating DNA in the blood, but more commonly, ctDNA makes up barely 1% of the total and possibly as little as 0.01%. Early sequencing technologies were not up to the task of detecting it — at least, not consistently or reliably enough to use ctDNA as a biomarker.

“It’ll help us answer questions in oncology That have never been answered before.”

But the past decade has brought sensitive techniques that can detect and quantify minute amounts of DNA. For example, an amplification method known as BEAMing — which fastens circulating DNA to magnetic beads that can then be isolated and counted — can detect ctDNA even if it is outnumbered by healthy cell DNA by a factor of 10,000 to 1.
Genetic oncologists Bert Vogelstein and Kenneth Kinzler at Johns Hopkins developed the technique, and in 2007 they described7 using it to track ctDNA in 18 people who were being treated for bowel cancer. After surgery, the patients’ ctDNA levels fell by 99%, but in many cases the signal did not disappear completely. In all but one of the people with detectable ctDNA at the first follow-up appointment, the tumours eventually returned. None of the people with undetectable levels after surgery experienced a recurrence.
These results suggested that ctDNA can reveal how well a patient has responded to surgery and whether they need chemotherapy to finish off any lingering cancer cells. Researchers soon found similar results for other types of cancer. Rosenfeld and his Cancer Research UK colleagues James Brenton and Carlos Caldas showed that ctDNA provides a precise portrait of advanced ovarian and breast cancers8. And in the largest study yet, Diaz and other members of the Johns Hopkins group detected ctDNA in at least 75% of patients with advanced tumours, in organs as diverse as the pancreas, bladder, skin, stomach, oesophagus, liver and head and neck9. (Brain cancers were a notable exception, because the blood–brain barrier stops tumour DNA from reaching the bloodstream.)
Better biomarkers Circulating DNA might perform better than the protein biomarkers that researchers have been seeking and refining for decades. Proteins are used in the clinic to diagnose illnesses and monitor people undergoing treatment. For example, prostate-specific antigen is a biomarker for prostate cancer, but it can give false positives because there are other reasons that the antigen can be elevated in the blood. False positives should be rarer with ctDNA because it is defined by mutations and other genomic changes that are hallmarks of cancer cells. And although most protein biomarkers stay in the blood for weeks, ctDNA has a half-life of less than two hours, so it gives a clearer view of a tumour’s present, rather than its past. The Cambridge and Johns Hopkins teams have found that ctDNA is more sensitive than protein biomarkers when it comes to detecting breast10 and bowel9 cancers, respectively, and it is more accurate at tracking tumour disappearance, spread and recurrence.

Illustration by Oliver Munday

Both teams also showed that ctDNA was more sensitive than circulating tumour cells — intact cancer cells that also travel around the bloodstream and have been an intense area of research. In a sub-study of 16 people, Diaz’s team found that where both were present, ctDNA fragments outnumbered circulating tumour cells by 50 to 1 (ref. 9). And although ctDNA was always there if the circulating cells were, 13 people with detectable tumour DNA had no trace of such cells.
But most exciting to scientists, says Diaz, is the ability to watch tumours evolve and adapt over time: “It’ll help us answer questions in oncology that have never been answered before.”
For example, why do so many targeted therapies eventually fail? Gefitinib and panitumumab are among several drugs that block the epidermal growth factor receptor (EGFR), a protein involved in cell growth and division that is overactive in a number of cancers. People taking these drugs do very well — briefly. But after a few months, their cancers almost always develop resistance, often through changes to other genes, such as KRAS, which is mutated in many cancers.
To monitor patients and decide on the next course of action, clinicians would normally need to take multiple biopsies. But people with advanced cancer often have several tumours to test, and different parts of any single tumour could be resistant in different ways. Biopsies are invasive and risky, and difficult for inaccessible and fragile organs such as the lungs. “You can’t just go to the patient and get five more biopsies after the treatment fails,” says Velculescu. Taking blood is simple in comparison.
In 2012, Diaz’s team reported11 using ctDNA to study patients who were being treated with EGFR inhibitors. The researchers found 42 different KRAS mutations that confer resistance; on average, these turned up 5 months before imaging techniques showed that the tumours were progressing. The team was specifically looking for KRAS mutations, but Rosenfeld’s group has used ctDNA to identify resistance mutations from a blind start. Last year, the researchers described how they had sequenced the complete exomes — the 1% of the genome that encodes protein — in blood samples from six people being treated for advanced breast, lung or ovarian cancers. In five cases, the unguided search revealed routes to resistance, such as mutations that prevent drugs from binding to their target proteins12.
Spotting resistance early would let clinicians take patients off toxic and expensive drugs that are unlikely to keep working. And by identifying the mutations that underlie the resistance, they could find effective alternatives or drug combinations. “The hope is that we can turn cancer from a deadly disease into a chronic one,” says Velculescu. “You treat someone with one therapy and when it stops working, you switch, or alternate back and forth.”
Clinical caveats Despite its promise, ctDNA is not yet ready for a starring role in the clinic. For one thing, the most sensitive techniques for detecting it, such as BEAMing, rely on some knowledge of which mutations to look for. This knowledge can be provided by taking a biopsy, sequencing its mutations, designing patient-specific molecular probes that target them, and using those probes to analyse later blood samples — a laborious approach that must be repeated for each patient. The alternative is to use exome sequencing, as Rosenfeld’s team did. This requires no previous knowledge about the cancer, but it is prohibitively expensive to sequence and analyse every sample at the depth required to detect rare mutant fragments.
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Maximilian Diehn, a radiation oncologist at Stanford University in California, has tried to combine the best of both worlds. His team identified a small proportion of the genome — just 0.004% — that is repeatedly mutated in lung cancers13. Whenever the researchers get a new blood sample, they sequence this fraction 10,000 times over. This picks up even rare mutant fragments, and the focused approach keeps costs down. Because almost everyone with lung cancer has at least one mutation in these regions, the method should work in almost every patient, says Diehn. The team is now working to develop similar mutation panels for other types of cancer, and to validate the technique in clinical trials — work that could take several years.
Like practically all ctDNA biopsy techniques, Diehn’s approach does not do well at picking up early forms of cancer. In a small study13, it detected every lung cancer of stage II or higher, but only half of stage I tumours. This is understandable — advanced cancers simply discharge more DNA — but it limits ctDNA’s potential as a cancer-screening tool.
Diehn says that more-sensitive techniques could overcome this problem, but Diaz disagrees. “The limiting factor is biology,” he says. “There just aren’t a lot of fragments in circulation.” And if ctDNA hints at the presence of an undetected cancer, what then? “If you detect a mutation in the circulation, you don’t know where it’s coming from,” says Diaz.
There are other unknowns, too. Does ctDNA paint a truly representative portrait of a cancer? Do tumours that have spread to other organs release as much DNA as the original tumours? Do all the cells in a tumour release as much ctDNA as each other? Diaz says that the only way to answer these questions is to do ‘warm autopsies’ — to take samples and characterize all of a person’s tumours very soon after death, and compare them with ctDNA extracted in life. “This is the heavy lifting that’ll need to be done in the field,” he says.
And the biggest question remains: does an accurate picture of tumour burden, or a real-time look at emerging mutations, actually save patients or improve their quality of life? Even if doctors discover that someone’s tumour has developed a resistance mutation, that insight is useless if there are no drugs that target the mutation. “The limitation is the reality of targeted therapies,” says Velculescu. “You get all this information — but so what? Our approaches to understanding cancer are outstripping our clinical options.”
Even if ctDNA does not yet affect outcomes, scientists say that it is an invaluable research tool, and clinicians are starting to collect it routinely. Swanton, for example, is leading a £14-million (US$24-million) lung-cancer study called TRACERx (Tracking Cancer Evolution Through Therapy), which will use both conventional biopsies and ctDNA collected once every three months. The circulating DNA may or may not provide clues that help the study participants, but at the very least, it will give Swanton a much better understanding of how lung cancer evolves, and how to control that evolution.
As Rosenfeld argues, it is better to have this information than not to. Currently, he says, “we’re groping in the dark. Why would you do that if you have a tool that allows you to see what’s happening?”

原来癌细胞、细菌也可以这么美

一听到癌细胞、细菌这两样东西时,相信大部分都不会把它们跟美丽一词联系在一起,因为它们常常会让人们染上疾病或是死亡。但就在近日,艺术家Vik Muniz和MIT博士后Tal Danino却让那些令人望而却步的东西打造成了一套极富美感的艺术作品–Colonies。

在下面这幅名为《鲜花(Flowers)》的作品中,一朵朵美丽的鲜花其实是Huh7.5肝癌细胞被牛痘病毒感染之后形成的。Danino介绍称,当牛痘病毒感染了肝癌细胞之后就会产生一种红色的荧光色。

不过并不是所有的癌细胞被感染之后都会发生颜色的变化,比如下面这幅。它的颜色则是Muniz他们事后加工的。Tal Dannino介绍称,这些图片原始的颜色是黑白的,它们被称为是明场显微镜图。

另外,Muniz还会用细菌创作一些人头肖像。

更多作品欣赏:

苹果CEO库克出柜啦!基因决定的你造吗?

苹果CEO公开承认自己的同性恋。这消息终于解开了很多果粉心中的疑惑,原来这就是你们的iPhone6会弯的原因……
  
苹果CEO库克称为自己是同性恋而自豪。他还表示,如果听说苹果CEO是一名同性恋者能够抚慰其他一些同性恋者,牺牲我个人一点隐私也是值得的。怪不得iPhone的壁纸很奇怪。彩虹色5C 6屏保的菊花,越来越容易弯的iphone早就一直在暗示你们了。

 

那么,同性恋是不是由基因决定的呢?

  同性恋现象自古就有。但是,对同性恋的成因却众说纷纭,莫衷一是。人们试图从生物 学、心理学、社会环境等角度解释同性恋,然而到目前为止,还没有一个证据充分、说服力强的理论来给同性恋的成因下一个定论。现在一般认为,同性恋是先天和 后天因素共同作用的结果,其中,基因的重要性被越来越多的证据所支持。

发现同性恋基因的科学家本人也是同性恋

美国遗传学家DeanHamer首先确定了同性恋基因,根据同性恋亲兄弟的X染色体,他发现顶端的一段基因Xq28决定同性恋。
这篇论文发表在《Science》上后,Hamer成为争议人物,而当人们知道,发表这篇文章的作者本人就是同性恋时,质疑声就更大了。但之后又有几项研究支持了Hamer的结论,也在另外三条染色体上也发现了同性恋基因。

400名同性恋研究发现8号染色体存在同性恋基因

然而今年年初,美国西北大学的一项对400名同性恋DNA的大型研究发现,无法通过Xq28基因来准确地预测同性恋,同时发现第8号染色体上存在同性恋基因,但也同样无法精确预测。

 

果蝇的经过基因修饰就会变成同性恋

虽然分子生物学的研究既没有肯定也没有否定同性恋基因的存在,但来自动物界的观察倾向于认可,因为在动物界中同性恋的存在很普遍,而且对果蝇进行基因修饰后,会使得果蝇变成同性恋,为同性恋基因的存在提供了动物实验依据。

 

韩国科学家分分钟将雌老鼠变拉拉

韩国科学家在2010年报道,胚胎期去除雌性老鼠的一个特殊性基因——FucM,可使雌性老鼠变成拉拉——它们拒绝异性的求爱,并试图与同性交配。原来,FucM基因影响了雌激素水平,进而使大脑受到影响。

同性恋无法生小孩,那基因如何流传下来呢?

同性恋占人群的比例为5%到15%之间,如果真有同性恋基因存在的话,从进化上似乎很难 解释,因为同性恋不会有后代,这些基因不会流传下来,更不可能有这么大的比例。这种基因不利于人类繁衍,是应该被进化淘汰的。那么同性恋的潜在基因倾向究 竟为什么能延续下来?我们仍没有找到答案。不过演化学者提出几个非常有潜力的假说:

亲缘选择假说

科学家们推测,产生利他主义的基因帮助了有遗传关系的亲属,从而使后者的利他基因具有了遗传优势,利他主义便得以延续。同样的 道理也可能适用于同性恋:同性恋个体不用在其自身的繁殖上投入时间和精力,或许他们就能够帮助亲戚养育后代,而最终使这些孩子身上潜在的同性恋倾向基因在 演化中受益。
一项研究以南太平洋萨摩亚群岛的男同性恋者为对象进行了调查。萨摩亚是一个更加传统的社会,当地的男同性恋者被称为 “Fa’afafine”, 不生育后代,完全能被社会全体接受,尤其被他们的血亲家庭所接受。这些男同性恋者对侄(外甥)辈倾注了大量的精力——这些孩子与他们平均有 25% 的基因是相同的。

性别互补选择假说

也许在一个性别——比如男同性恋中损害生存适应性的基因,在女性身上具有增强适应性的作用。有专家认为这是一种“爱男基因”, 主要用途是让有这些基因的女性在性方面更早熟,因此能够生更多的孩子,从而具备进化优势。其代价是如果男性有了这些基因就会变成同性恋。这个理论有证据支 持,在意大利进行的研究发现同性恋男子的女性亲属生孩子的数量是其他妇女的1.3倍。这在选择上是一个巨大的优势,其代价是男性亲属是同性恋,相比之下, 获得的益处大于弊端,因此被进化筛选出来,一代一代地通过X染色体遗传下来。
同理,男性也应该有“爱女基因”,这种基因在男的身上是进化优势,会有更多的后代,但在女的身上就是女同性恋,也同样益处大于弊端,得以遗传下来。这种 “爱女基因”不可能通过性染色体遗传,而会在其他染色体上,因此女同性恋在数量上不如男同性恋,而且其中双性恋的比例较大。

社会声誉假说

有人类学证据表明,在工业化之前的社会,同性恋男性更有可能成为牧师或者祭司,他们的异性恋亲属也因此获得了较高的社会声誉,并因此占有繁殖优势,从而使得任何共有的同性恋倾向基因得到延续。这是一个非常有吸引力的想法,不过也缺乏实证支持。

群体选择假说

大部分生物学家都认为自然选择发生在个体及其基因的层面,而非发生于群体之中。但人类可能是一个例外;或许包含有同性恋个体的 群体比全部是异性恋个体的群体更好。最近,人类学家莎拉•赫迪(Sarah B. Hrdy)等人指出,在人类演化史的大部分时期,养育后代不都是父母的(更不是母亲的)专利,我们的祖先有很多拟母亲行为那些并非孩子双亲的人,尤其是其 他的血缘亲属,参与到了抚养后代的任务中。智人发展出这样一套体系是很有道理的,因为在所有的灵长目动物中,智人的新生儿是最无助的,需要成人投入的精力 也最多。如果种群中有足够多育儿帮手是同性恋者,整个群体都将从中极大地受益。
另一方面,就算人类祖先中的同性恋者并不一定要参与到合作抚养后代的任务中去,他们较少生育(或者干脆就不生),这本身就为其异性恋亲属节省了更多的资 源。还有研究者提出了其他群体层面上的模型,关注社交互动而不是资源利用:同性恋也许与更强的社交性和社会合作有关;它还可能阻止为争夺异性而产生的暴力 竞争。

平衡多态假说

或许同性恋这种遗传倾向与某种或者某几种特定的基因共同起作用时,会因为某种未知的原因 而产生补偿性的益处,比如著名的镰刀形红细胞贫血症(sickle-cell disease ※此处已更改),这种病的致病基因有助于预防疟疾。虽然目前还没有确定哪一段基因是决定性取向的,但我们仍旧不能排除这种平衡多态的可能性。

非适应性的副产物

同性恋行为可能既不是适应性的,也不是不适应的,它可能就是一种非适应性的行为。也就是 说,它也许并没有得到自然选择,而是作为某些优势性状的副产物被保留了下来。这样的优势性状可能是渴望形成配对关系、寻求感情或者生理上的满足,等等。那 么,为什么会存在这样的倾向,为什么人与人之间的亲密关系是愉悦的? 答案很有可能是,在演化进程中,长期的配对关系最有利于个体的成功繁殖。

存在即合理 同性恋基因不会丢失

同性恋的成因依然没有定论,但有两点可以肯定:第一,无论是动物还是人,其性行为的作用都不可能、也不应该是以繁殖为唯一目 的;第二,同性恋基因不会丢失,它已经走过了生物进化的漫漫长路,如果会被淘汰的话,它早就已经没了,不是吗?不必因为同性恋是少数派,就要对其“特别关 照”,存在即合理,在这个孤独的星球上,大家都是一样的。

苹果之父是乔布斯,苹果之娘就是库克啦

 

为了解释苹果6容易变弯,库克也是蛮拼的

循环肿瘤细胞如何实现辩血识癌

                                                                                导读

他眼看着他的兄弟死于癌症,无药可救。现在,世界最具权威的一名癌症专家宣称,到了执行方案B的时候了,已经找到了一种通用检查工具,可以在无症状病人的年度体检中发现其体内癌细胞的分子踪迹。

 

从血液中找到微量肿瘤DNA
    波特·福格斯坦(Bert Vogelstein)所需要的而又令人不安的答案就在血液样本中。

福格斯坦是世界上最富盛名的科学家之一。上世纪八十年代,他和约翰霍普金斯大学的同事发现了DNA是如何经历数十年发生一系列的变异而使细胞发生癌变,被认为是攻克了“癌症的阵地”。福格斯坦对于证实受损DNA是导致的癌症的元凶这一理论做出了重大贡献。

现在,你可以想象你可以通过血液看到这些变异――看到癌症。几乎所有类型的癌症都会向血液中释放DNA,福格斯坦在约翰霍普金斯大学的实验室发明了一种叫做“液体活检”的技术,可以找出癌症遗传物质。

这项技术可以通过仪器对血液样本中的DNA进行快速排序,使研究人员找出即使是极其微量的肿瘤DNA。霍普金斯大学的科学家们与来自巴尔的摩最大的肿瘤治疗中心的医生合作,对一千多份血液样本进行了研究。他们认为,液体活检可在疾病症状出现之前发现癌症。

这有一份特殊的血液样本,它来自福格斯坦的弟弟――比福格斯坦小一岁的整形外科医生。他 患有皮肤癌,而且癌细胞已经扩散。当时他对一种新型药物产生反应,但治疗使他全身肿胀,从X光或CT扫描中很难看出癌细胞是否消失。因此,福格斯坦采用了 这项新技术,如果血液中的肿瘤DNA消失,则他们可以庆祝一下了,如果它仍然存在,他可能要劝他的弟弟改用别的药物,做最后一搏。

“我们曾试过指导治疗。不管怎样,还有一线希望。”福格斯坦声音哽咽的说。他没有告诉我们后来发生了什么。

出生于巴尔的摩的巴力·福格斯坦(Barry Volgelstein)的讣告在2013年7月3日发布。

预防比治疗更有效

在 与癌症的斗争中,我们并没有取得胜利,福格斯坦弟弟的死揭示了原因何在。许多癌症在已经变得无法治愈时才得以发现。每年全世界的癌症药物花费达910亿美 元,但大多数药物对于治疗这些患者为时已晚。最新治疗方法所产生的治疗费用高得离谱,每月需花费1万美元,但常常只能延长生命几个星期。制药公司对晚期癌 症药物的研发和测试远多于其他类型的药物。
“不论是普通民众还是科学家,都执迷于这样一个观念:治愈晚期癌症。”福格斯坦表示, “这是社会上普通采用的方案A,我认为这不是解决办法”。还有其他的方法可以降低癌症的死亡率:涂防晒霜、不吸烟以及进行检查尽早发现癌症。对于福格斯坦 而言,这些预防措施代表“方案B”,这是因为人们对于预防癌症没有给予足够的重视和资金投入。

然而预防工作比任何药物都有效得多。在美国,结肠癌的死亡率为40%,低于1975年的死亡率,这种疾病多半是在结肠镜检查中发现的。同样的,黑色素瘤皮肤癌如果能在早期发现,是可以通过手术治疗的。福格斯坦表示,“我们认为应该把方案B变为方案A。”

循环肿瘤细胞使一切成为可能

新的血液检测方法会使这一切成为可能。霍普金斯大学的研究者们第一次宣称,他们已经找到一种通用检查工具,可以在无症状病人的年度体检中发现其体内癌细胞 的分子踪迹。“我想我们解决了早期检测这一问题。”维克特·威尔克斯库(Victor Velculescu)称,他是霍普金斯大学的研究人员,他的实验室与福格斯坦的实验室仅一楼之隔。
进行癌症常规检查在医学上将是一个挑战。其中的一个困难就是当检查出体内出现癌细胞 DNA时,内科医生可能并不清楚肿瘤到底在哪、危险性有多大,甚至不知道是否值得治疗。“我们必须谨慎对待”,马萨诸塞州总医院癌症中心的主管丹尼尔·哈 勃(Daniel Haber)表示。他认为,DNA血液检测“尚未成熟”,而且还需要大量研究证实其有用性。“还有许多棘手的问题需要解决”,他说。

尽管有人对此有所怀疑,这项技术还是吸引了越来越多的关注。托尼·迪科哈勃(Tony Dickherber)是美国国家癌症研究所创新分子分析技术项目组组长,他表示,通过检测血液来查找肿瘤DNA在三年前“只不过是边缘技术”。但现在从 美国加州到英国伦敦,许多实验室和公司都投入到血液检测技术的改进之中,并积极寻找支持这项技术的新数据。“人们开始相信福格斯坦是对的――这可能是癌症 早期诊断的最佳途径,”他说,“它可能比现有的其他检查技术功能更强大,它筛查的癌症范围之广令人难置信。”

来自霍普金斯大学和其他23家机构的医生们在二月发表了他们的研究成果。他们对患有15 种不同类型癌症的846名病人进行了研究。研究发现,在癌细胞已经扩散的晚期癌症患者中,血液中发现肿瘤DNA的患者比例超过80%,在癌细胞未扩散的早 期癌症患者中,这一比例约为47%。在所有晚期结肠癌患者的血液中都检测到肿瘤DNA。

霍普金斯大学的研究者们第一次宣称,他们已经找到了一种通用检查工具,可以在无症状病人的年度体检中发现其体内癌细胞的分子踪迹。

起初,检测结果可能并不尽如人意。检测结果会经常产生疏漏吗?根据威尔克斯库的说法,血 液检测的益处在于“极其准确”。如果检测出你的血液中确实出现肿瘤DNA,则说明你目前患有癌症。因此,与当前前列腺癌和乳腺癌的检测技术通常会出现假阳 性相比,DNA检测占有优势。“血液中出现循环DNA是正常的;但出现与肿瘤匹配的循环DNA就不正常了”,斯坦福大学外科肿瘤研究所所长斯特芬尼·杰夫 睿(Stefanie Jeffery)表示。

对于福格斯坦而言,血液检测意味着超过半数的癌症有可能在早期得以发现,并可能通过手术得到治愈。他表示,“如果有一种可以治愈一半癌症的药物,那你可以在纽约举行盛大游行了。”

循环肿瘤细胞的早期发现
  尼克森总统于1971签署了“对癌症宣战”法案,那时福格斯坦正在读医学院。由于药物没能使癌症死亡率下降,这使多年的研究毫无成果。现在我们知道了是什 么导致了癌症。福格斯坦与同事肯乃斯·肯斯勒(Kenneth Kinzler)在上世纪八十年代进行的研究证实了基因突变是导致癌症的元凶。科学家们已经发现了150多种致癌基因。虽然癌症的基因图谱非常复杂,但所 有的DNA突变都会导致一个结果:本应死亡的正常细胞持续分裂增生。这种细胞生长失衡就是癌症。

对于制药公司而言,这意味着要花费数十亿美元来开发出治疗晚期癌症的新药。但是对于福格斯坦而言,DNA突变导致癌症这一发现还意味着:在疾病得到诊断之前确定致病的变异是有可能的。在肿瘤学中有个共识:癌症发现越早,生存机会越大。

关于结肠癌,这种类型的癌症是福格斯坦研究最为深入的一种癌症。它起始于叫做APC基因 的单点突变。但是细胞该点的突变转化为具有扩散能力和杀伤能力的DNA突变平均需要30年。每年有大约60万人死于结肠癌。“他们几乎都是因为没有在肿瘤 存在的前27年没有发现患有癌症而死亡的”,福格斯坦说,“在这个过程中我们有足够长的时间进行治疗。”

问题是除了血液检测,没有其他简便的方法来找出这些突变。福格斯坦从上世纪九十年代开始 进行癌症早期检测的研究,他最初使用的是当时的传统方法,从尿液和粪便中查找肿瘤DNA。他认为预防和检查仍然未受到人们的重视,即使在现在,他也是研究 者中的“绝对少数派”。据他估算,药物的研制费用是预防检查费用的100倍。

这就解释了为什么尽管福格斯坦声名卓著却总是看起来一幅愤愤不平的样子。包括其他几位著 名学者在内的霍普金斯大学研究团队发布的新观点总是会驳倒一些主流科学观念。按照实验室的惯例,想要在这里工作的年轻科学家在首次介绍自己的研究工作时一 定要戴上Burger King皇冠。

路易斯·迪亚斯的构想
    实验室有关血液检测的工作在路易斯·迪亚斯(Luis Diaz)的带领下进行,他是一名肿瘤专家,是福格斯坦的得意门生。他在2005想到利用血液检测来查找癌症DNA,那时他正在研究是否可以利用噬肉菌摧 毁肿瘤。这项研究需要将人类癌症转移到老鼠身上,迪亚斯想起他需要一种在不杀死老鼠的情况下监视老鼠体内肿瘤的方法。他和他的同事决定采用血液检测的方 法。很快,他们发现人DNA水平随着治疗的成功或失败而大幅上升或下降。既然能够监测到老鼠体内的DNA水平,是不是也可以监测到人体内的DNA水平呢?

这种想法并不是第一次提出。早在1948年就有人提出在人类的静脉和动脉中存在游离循环DNA,它通常是死亡细胞产生的废物。但肿瘤也会向血液释放DNA。在死于癌症的人体内,这种来自肿瘤的DNA可高达87%,但通常数量极少,令人难以查觉。

当迪亚斯开始探究这个问题时,所有这些理论尚未成形,只是一种模糊的可能性。为了开发液 体活检技术,霍普金斯大学的科学家们必须首先发明一种将肿瘤DNA与大量正常DNA区分开的方法。血样来自迪亚斯当时正在治疗的巴尔的摩结肠癌病人,研究 者们最初只追踪四种癌症基因。他们发现,血液中的DNA在这些病人进行手术或药物治疗后快速消失,甚至在一天内毫无踪迹。对健康对照者的检测从未出现阳性 结果。“我们认识到这种检测可以提出并解答“我患有癌症吗?”这样的问题,”迪亚斯说。

霍普金斯大学的科学家们坚信,这种检测比现有医生所使用的任何一种工具都敏感得多――至 少对于癌细胞还太小以至无法用成像设备检查出来的癌症是这样的。福格斯坦做了这样的估算,肿瘤至少含有1千万个细胞、像大头针的头部那么大时就会释放出可 检测到的DNA。相比之下,肿瘤要100倍于这个尺寸,至少包含10亿个细胞才会在核磁共振检查中显现。

霍普金斯大学的医生已经开始利用DNA检测来确定病人在切除肿瘤后体内是否还留有恶性肿 瘤细胞。参与这项研究的还有皮特·吉布斯(Peter Gibbs),一名澳大利亚肿瘤专家,他们对250个在结肠癌早期接受过手术的病人的血液样本进行了分析。结果显示大多数病人得到治愈,但是30%的病人 结果显示未清除全部肿瘤,有复发的可能。问题是医生不知道哪些病人会出现复发。“外科医生会告诉他们,‘不用担心――肿瘤已经切除了’,”迪亚斯说,“这 让我很沮丧,因为我不得不告诉他们,‘我们真的不知道你是否痊愈’”。这些癌症幸存者觉得惴惴不安,不知道什么时候癌症会卷土重来,到时病情有可能变得更 为凶险。而且这种状态会持续数年。

病人可能会感到恐慌,但医生却不知道该怎么做。“对健康人群进行检查然后告诉他们‘哎呀,看,您身体里有肿瘤,但我们不知道它在哪里’――这么做是行不通的,”一个肿瘤医生这样说。

在手术六周后,澳大利亚的病人进行了肿瘤DNA的血液检查。研究者们表示,到目前为止, 他们已经正确无误地确认了约一半后来癌症复发的病人。福格斯坦表示,这些病人可在将来接受化疗,这可能会使至少三分之一的病人得到治愈。但是这种检查的局 限性也显而易见,仍然有一半癌症复发的病人未被检查出来。

迪亚斯表示,这可能是因为残留的癌细胞未释放出足够的DNA。“或许这已经达到生物极 限,”他说。但是,癌症DNA会随着时间的推移升高到可检测的水平,对病人做定期检查可将其查找出来。尽管霍普金斯大学的检测技术还处于实验阶段,路易 斯·迪亚斯表示他有足够的信心告诉一些患者他们仍未痊愈,而告诉其他的患者他们很可能已经痊愈了。“六到八周以后,我们就可以告诉他们是否得到治愈,”他 说,“这太令人高兴了。”

目标:成为常规癌症检查手段

福格斯坦表示,他的终极目标是使血液检测成为常规癌症检查手段。霍普金斯大学的研究者们对于这个目标的实现表示乐观。他们利用血液样本中的DNA对人类的 整个基因组进行排序,而不是仅仅追踪几个关键癌症基因。这样他们可以计算出遗传物质发生错位或混乱的频率。大量重排DNA的出现是一种分子性副作用,只有 在癌细胞染色体上才会发生这种情况――这是出现癌症的信号。但是测定出一个完整的基因序列花费昂贵。“如果一个人患有癌症,他不介意花费5000美元做基 因测试。但他不会在年度体检中花费1000美元去做这个测试,”福格斯坦说,“我们的目标是将这项检测的费用降低到可在常规检查中使用。”
这需要时间。DNA测序成本已经大幅下降,但是达到100美元这个常规检查可接受的低价 格可能需要10年才能实现。同时,霍普金斯大学对易有患癌症的人进行了多项研究,以确定能否在健康人群中发现早期癌症。其中的一项研究涉及到800名具有 患癌风险的人。在这些特殊病例中,病人的胰腺上长有囊肿,这些囊肿有的会转化成癌症,有的则不会。

胰腺癌是一种最适于通过血液检测进行早期检查的癌症。它并不是很常见的癌症,但却是美国 第四大致命癌症,目前治愈率只有4%。如果能在扩散前得到早期发现,生存率可提高到大约25%。(56岁的苹果公司创始人斯蒂夫·乔布斯死于另外一种类型 的叫做神经内分泌瘤的胰腺癌)。

但是让每个人都能做上DNA检测则是一个巨大飞跃。麻省总医院的肿瘤专家哈勃认为这项技 术在目前可能能够告诉医生病人是否患有癌症。但是不同于成像扫描或活检,它无法明确指出癌症到底在哪个部位。病人会感到恐慌,但医生却不知道该怎么做。 “对健康人群进行检查然后告诉他们‘哎呀,看,您身体里有肿瘤,但我们不知道它在哪里’――这么做是行不通的,”哈勃说。

药物在预测癌症方面效果较差是有例可寻的。例如PSA(前列腺特异抗原)检测,是检测一 种与前列腺癌相关的蛋白质。这种检测时常会出现假阳性结果,而且在它确实检测出来的肿瘤中,一部分肿瘤生长极为缓慢,根本无需治疗。数百万人由于癌症最终 对他们没什么影响而终止了治疗。

据估算,每47名接受前列腺切除手术的病人中只有一人未死于癌症。达特茅斯学院的研究者 们进行的一项研究显示,乳房X线透视也会导致过度诊断和过度治疗。大约25%已经确诊并治疗的乳腺癌是不会引起任何症状的。“你对每一个人都进行检查,然 后由于疾病不会发展或者这人死于其他原因而终止治疗,”达特茅斯学院的健康经济学家琼纳森·斯肯纳(Jonathan Skinner)说,“早期检查所带来的负面影响可能非常大。”

但是霍普金斯大学的威尔克斯库认为癌症DNA普查会成为现实。“如果你不能有所作为,那 你是想一直无知下去,”他说,“我无法想象,了解癌症会对病人毫无帮助。或许我们不会对于每一条信息都做出强烈反应,或许我们不采取任何行动,但是由于检 测简便易行,很容易做到定期检测,然后我们会告诉患者‘让我们看它发展得如何了’。”

到目前为止,尚没有公司考虑对看似健康的病人做大范围的癌症检查。目前,只有迪亚斯和威 尔克斯库新创立的诊断检测公司Personal Genome Diagnostics和其他几家公司,如Boreal Genomics和Guardant Health提供液体活检服务,但是仅面对癌症晚期患者。对于这些患者而言,血液检测可揭示治疗是否有效,如果无效则需尝试采用其他疗法。这项技术的另一 个有价值的应用是追踪那些导致肿瘤产生的特异性DNA突变。由于许多新型癌症药物具有“靶向性”――阻断特异性分子变化过程――只有预计药物会对患者的肿 瘤产生作用时才会对患者施用这些药物。医生已经能够通过组织活检对肿瘤进行DNA检测。但是非侵入性的血液检测更简便也更安全,可以更频繁地对患者进行检 查。由于癌症DNA不断发生变异,血液检测可以帮助患者适时更换药物。

对于Guardant的总裁何尔米·艾特克(Helmy Eltoukhy)来说,液体活检用途广泛,是个“棒极了的想法”。出于商业上和医学上的原因,他的公司目前只针对患有癌症的病人提供服务。但他表示,早 期筛查已在公司的未来规划中。“很显然,它就是圣杯,”他说,“想想它的这些用途,这就是我们一直努力的方向。”

我问过65岁的福格斯坦和44岁的威尔克斯库,他们是否对自己进行过血液检测。他们都给 出了否定的回答。但总的来说,美国人有40%的人可能会患上癌症,而且这种可能性会随着年龄增长而增大。如果研究者们未对这项检测技术进行过研究,公众似 乎也不会急于去做血液检测。如果广泛开展癌症检测,将其作为公共健康措施,则整个医学界必须参与其中,这无疑将耗费大量的时间。

福格斯坦并不认为这些能轻易能够实现。不管怎样,我们仍然需要新型药物治疗已经患上癌症 的人们。但他仍坚信,击败晚期癌症最好的办法就是防患于未然。当我对他弟弟的去世表示同情时,福格斯坦摆了摆双手。“这就是我做这项研究的原因,”他说, “一百年以后,当极少有人因癌症死亡时,绝大部分原因是癌症被早期发现,而不是我们能够治好肿瘤遍布的躯体。”