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創新的個人化癌症全基因定序診斷

2011/12/22

譯者:林裕烈

審稿:張隆基 博士

(修改摘錄自Science 334, 2011)

前言

個人化醫療最佳的願景是每個癌症患者都能依照其特定的腫瘤特性量身定做治療藥物。這聽起來很吸引人,但真的有可能嗎? Roychowdhury和他的同事們建立了“完全定序”(sequence everything)的方法,可以在3~4週內從癌症病患的腫瘤中找出有用的突變資訊,如此短的時間使得這個方法可以有效的運用在臨床上。另一個好消息是,它只需花費3600美金,比常規的臨床測試還便宜。本文將介紹此項方法的特色、概念和試驗結果,並探討它在臨床上的運用。

癌症分子診斷

在癌症分子標靶治療應用已超過十年的今天,大多數的臨床實驗室(遵照美國食品藥物管理局所制定的「臨床實驗室改進修正案」(CLIA)標準建立的臨床實驗室)仍在使用單一基因單一分子診斷測試的方法。例如,針對大腸癌,檢測K-RAS這個訊號蛋白的基因是否發生突變;而對非小細胞肺癌則會檢測表皮生長因子接受器蛋白的基因。然而,為了能鑑定出更多罕見的突變(例如在肺癌上ERBB2和BRAF基因的突變),以期能在臨床上帶來好的效果,這些方法仍需要持續地進行改善。有少數的CLIA實驗室推出能夠涵蓋數十個腫瘤基因上幾百個突變點的複合式檢測法,但是因為技術上的原因,這些方法仍受到相當的限制,例如它只能鑑定出突變的熱點(hot-spots)-指腫瘤細胞中很常發生基因突變的位置,並且對於致癌基因(oncogenes)的鑑定能力大過於抑癌基因(tumor suppressors)。相信在不久的將來,實驗室會推出更新的基因定序技術,檢測更多的標的基因;但是即使如此,仍有人會問:為何不去定序每個病患的腫瘤完整基因組呢?

全基因組定序可以設計成一種獨特的測試,以檢測個別病患腫瘤的復發率。白血病的全基因組定序找到了一個特異的融合基因,這對病患的臨床管理產生了重大的改變。Roychowdhury等人現在更進一步的提出一種方法,不只將個別腫瘤的整個基因組拿去定序,也將可表達基因組列(exome-基因組上能編碼成蛋白的區域)和整個轉錄基因組列(transcriptome-轉錄後的RNA)定序,如此一來,可以有效的檢測出個別腫瘤所有潛在且重要的異常。他們表示,這種“完全定序”的方法是一個符合成本效益且省時的方式,將會提供更好的個人化癌症診斷,甚至能進一步地為臨床腫瘤基因組學開創一個新的時代。

試驗方法

Roychowdhury等人的方法主要是針對癌末病患,首先請他們簽下同意書,內容包含前期的遺傳諮詢和勾選是否同意接受遺傳學結果所附帶的資訊。之後收集新鮮的活組織切片以進行腫瘤DNA的全基因組定序、腫瘤DNA和正常組織DNA(要進行配對)的可表達基因組列、以及轉錄基因組列定序。這個組合式的方法是經得起互相垂直確認的。例如,轉移性結腸直腸癌無論是基因組定序或可表達基因組列定序的結果都預測在染色體13q的區域會有放大的現象,該區域包含了CDK8 (cyclin-dependent kinase 8)蛋白的基因,而轉錄基因組列定序的結果證實了CDK8基因被大量的表現。同一種腫瘤內N-RAS基因的突變也都可藉由這三種測試所證明。

從活組織切片到獲得初步結果所需的時間可以精簡到只要24天,這當中包括要將所有被管制的藥物排出體外,使病患能夠進行臨床試驗,和電腦收集及分析數據所需的72個小時。既然數據產生的如此之快,那麼要討論的議題則變成如何最有效的提升這個方法以符合臨床上的需要。Roychowdhury等人提出了一個創新的概念:一個複合式的“腫瘤定序委員會”,其中包含醫生、遺傳學家、病理學家、生物學家、生物資訊學家、和生物倫理學家。這個委員會討論從各種腫瘤所獲得的結果並決定那些應該被報導出來(見下圖)。

圖示:“完全定序”的方法

一種結合全基因組、可表達基因組列和全轉錄基因定序的腫瘤分析方法,從而最大限度地獲得腫瘤內基因結構、基因拷貝數或基因表現等等改變所產生的資訊。所獲得的結果將由一個複合式學科的“腫瘤定序委員會”來進行評估,並根據所有可用的生物學和臨床醫學上的數據,在符合倫理考量的情況下給予治療的建議。

委員們專注於由桑格研究所(Sanger Institute’s Cancer Gene Census)的癌症基因普查所列出的基因,並輔以COSMIC(Catalog of Somatic Mutations in Cancer)-即人類激酶組的基因(蛋白激酶基因),和一些已知被目前的腫瘤試驗當作目標的基因。這些結果被分為三類:可能會對目前的腫瘤照護有直接影響的,可能具有重要的生物學意義但目前尚未可操作的,和目前重要性不明的。因為這些定序的資料都是由研究實驗室所產生,所以這些突變對臨床照護來說是否重要仍需由CLIA實驗室來加以證實。

Roychowdhury等人估算在研究期間每位病患定序和分析所需的花費為5400美金,但他們估計可以降價為3600美金,這接近目前CLIA實驗室所提供的一些複合式檢測法的花費,並且低於一些新的標靶治療每月所需的費用。不過,這個數字並不包括為了獲取新鮮腫瘤所需的圖像定向活組織切片的收費,也無法反應建立一個高質量的數據分析平台來給予病患合適的照護指導所需的設備和人員的龐大的投資費用。

試驗結果

這個研究的目的不是要證明大規模的腫瘤平行定序診斷可以改善和延長癌症患者的生命。然而,其中的案例仍然十分引人注意。例如,一個接受Aurora kinase(AURKA)抑制劑藥物治療的大腸直腸癌病人進行定序診斷的結果發現,他的大腸直腸癌細胞編碼AURKA蛋白的基因倍數是常人的兩倍且伴有點突變的發生,而且NRAS基因也發生突變。這樣的診斷結果令人好奇具有此種突變的癌細胞是否對AURKA抑制劑有抗藥性?因此在接下來的療程中改用針對NRAS基因突變的MEK(mitogen-activated protein kinase kinase)抑制劑或許會是更適當的治療藥物。

 

另一個例子,在實驗期間,兩隻移植異體轉移性前列腺癌的實驗老鼠,顯示有基因融合(gene fusion)的現象(TMPRSS2-ERG),導致腫瘤對poly(ADP-ribose) polymerase (PARP)抑制劑產生潛在的敏感性;也發生PTEN基因被剔除(deletion)的現象,導致腫瘤對phosphatidylinositol 3-kinase抑制劑產生潛在的敏感性;並且編碼成p53抑癌蛋白的TP53基因也發生突變。其中一隻老鼠也顯示雄性激素接受器(androgen receptor; AR)的基因出現擴增(amplification)現象,所以對牠施以新的抗雄性激素化合物也許有效;另一隻顯示出PLK1蛋白的表現量增加了,理論上可以用Polo kinase抑制劑加以治療。還有一個類似的例子是黑色素瘤發生HRAS基因突變(對這類型的腫瘤是一個新的發現),可能可以使用MEK抑制劑治療。目前也有發現CDKN2C基因發生重組(rearrangement)的現象,可能適合使用CDK抑制劑治療。

結論

此研究並未提供定序診斷後採用個人化藥物治療的結果,而且“完全定序”這個方法的效果仍有待評估。其中可爭議的是,由“腫瘤定序委員會”操作並建立的四個案例(HRAS和NRAS基因的突變;PTEN基因的缺失;AR基因的放大現象)也可以透過已建立的臨床資料來偵測到,而進行如此大規模的平行定序似乎有點大材小用。但這樣的觀點忽視了此研究的真正目標:鑑定新的基因突變或其他的改變以進行更適當且有效的標靶治療。

當新一代定序診斷方法躍上臨床的舞台時,以下兩點非常重要:一是對數據的產生及分析有豐富經驗的團隊;另一是診斷結果必須被多方檢驗,以確保可以 給病患更合適的建議。Roychowdhury等人的研究已顯示,在臨床相關的時間表內執行深入的定序診斷在技術上是可行的,使個人化醫療的發展又向前跨了一步,但真正要使其受廣泛應用的關鍵還是在於証明這種方法不僅可以改善對病人的治療方式,也可使得醫療資源獲得最有效的利用。

鑫品生醫加註:當新的定序科技可以快速提供癌細胞突變的訊息時,我們的標靶免疫技術會更加升級,標靶定向會更精確,使個人化醫療更上層樓。

參考文獻

  • Christopher L. Corless; Personalized Cancer Diagnostics. Science 334, 2011
  • Sameek Roychowdhury, et al. ; Personalized Oncology Through Integrative High-Throughput Sequencing: A Pilot Study, Science Translational Medicine, 3, 111ra121 (2011)
  • 想了解更多免疫治療 http://www.yuva.com.tw/

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