最新综述：基于血液的DNA甲基化在癌症中的应用

甲基化的维持和去甲基化处于动态平衡状态，控制着基因表达和染色体的稳定性。DNA甲基化模式的变化在致癌中起重要作用，主要表现为整个基因组的低甲基化和单个位点的高甲基化。这些变化可能反映在基于血液的DNA中，这为癌症监测提供了一种非侵入性的手段。

以前基于血液的DNA检测对象主要包括循环肿瘤DNA/游离DNA（ctDNA / cfDNA），循环肿瘤细胞（CTC）和外泌体。研究人员逐渐发现，外周血单核细胞（PBMC）中的甲基化变化也反映了肿瘤的存在。基于血液的DNA甲基化广泛应用于癌症的早期诊断、预后预测、治疗后的动态监测等领域。基因的可逆甲基化也使它们成为重要的治疗靶点。

今天分享的这篇文章基于现有研究总结了癌症DNA甲基化的变化，重点介绍了血液DNA检测对象的特征，包括ctDNA/cfDNA、CTC、外泌体和外周血单核细胞（PBMC），及其在临床研究中的应用。文章标题为：Blood-based DNA methylation signatures in cancer: A systematic review。

DNA甲基化是哺乳动物中研究最为深入的表观遗传修饰之一。DNA甲基化对于发育以及维持细胞正常功能至关重要，肿瘤细胞中甲基化特征与正常细胞大有不同，并且，在癌症患者中可以同时检测到低甲基化和高甲基化水平的改变。在肿瘤的发生的初始及进展阶段，表观水平就已经出现了异常，DNA甲基化整体上发生了改变。

癌症的发生、发展伴随着DNA甲基化模式的改变，包括了逆转录元件、着丝粒及原癌基因的DNA低甲基化，以及与基因抑制相关的关键基因调控元件（如远端增强子和启动子转录起始的重叠区域）的甲基化。另外，癌细胞在整体低甲基化的基础上，存在一些局部的特定区域表现为高甲基化，如CpG岛。癌细胞中受高甲基化影响的基因主要包括：抑癌基因(如P53和TP73)和DNA损伤修复基因(如BRCA1和MGMT)等，抑癌基因低表达和DNA损伤修复基因的沉默是癌症发生的重要机制。

DNA甲基化模式的变化在致癌中起重要作用

此前基于血液的DNA检测对象主要包括循环肿瘤DNA/游离DNA（ctDNA / cfDNA），循环肿瘤细胞（CTC）和外泌体。

癌症患者的cfDNA浓度可能相比于健康人会增加约50倍。在某些情况下，cfDNA浓度升高可能会在肿瘤的早期诊断或分期中发挥作用。但是影响ctDNA含量的因素有很多，如肿瘤负担、肿瘤位置、肿瘤血液供应、身体代谢率和抗肿瘤治疗。同时cfDNA不稳定，容易降解，半衰期短，不易保存，以及外周血中cfDNA含量低，特别是在早期在癌症阶段，因此仍然难以定量检测特定部位的甲基化水平。

CTC的检测也是一种液体活检方法。大约0.00000001 %的实体癌肿瘤细胞进入循环系统系统，每100万个单核细胞中可能有一个肿瘤细胞在外周血中。可以使用40多种技术检测CTC，但在检测CTC方面仍存在很大困难因为外周循环中含量非常低，而且CTC的半衰期短。因此，CTC很少用于癌症的早期诊断，但可以指导预后。CTC的发生表明肿瘤的远处转移，并且与癌症患者的预后不良有关。

外来自肿瘤组织的外泌体含有DNA、RNA、蛋白质，可以反映肿瘤信息的脂质和其他物质，提供肿瘤诊断、基因分析和表观遗传学分析的基础分析。外泌体液体活检的优点是它提供了比ctDNA更全面的肿瘤信息、并且外泌体中包含的肿瘤信息更稳定，不易降解。目前对外泌体RNA的研究比外泌体DNA更常见，因为RNA显示出更高的突变率。但是，没有DNA甲基化在外泌体早期应用的研究癌症的诊断。外泌体在液体活检中的应用是探索的初步阶段，需要更多的实验验证其有效性并确定全面目标分析。

虽然PBMC不包括在经典液体活检的范围内，但PBMC甲基化在早期诊断中的重要性和肿瘤的预后已逐渐受到重视。

PBMC与cfDNA或CTC相比，在外周血中的含量更高，并且提取过程更简单且稳定。

基于血液的DNA甲基化在癌症患者的应用

基于血液的DNA甲基化特征在癌症早期诊断和预后预测中的作用

液体活检的出现提供了用癌症大规模早期筛查的方法，并已广泛应用于临床。关于癌症中基于血液的DNA甲基化特征主要集中在ctDNA/cfDNA 和PBMC上。

ctDNA在早期癌症筛查中具有更高的敏感性和特异性。有研究发现，虽然在结直肠癌中，血清维生素基因甲基化的敏感性和CEA类似(32.6%vs.33.1%），但是在原位癌中，血清维生素基因甲基化的敏感性明显要高于CEA（57.1%vs.14.3%）。同时ctDNA SEPT9检测已获食品药品部批准管理（FDA）作为有效的早期和非侵入性筛查CRC方法，并已正式进入临床。ctDNA甲基化模型在预后方面也起着重要作用。例如索菲亚·马斯托拉基等人发现非小细胞肺癌CFDNA KMT2C 启动子区甲基化患者病情加重总生存率（OS）和无病生存率（DFS）（P = 0.017 和 P <分别为 0.001）。另外已经有多个标志物基于ctDNA甲基化用于早期肿瘤的筛查及肿瘤预后评估，包括PAAD、PGC、NSCLC等癌种。

越来越多的证据表明，PBMCs中存在肿瘤相关的特异性甲基化变化，尤其是外周血白细胞，这可能是癌症早期诊断的一个新的生物标志物。不过，PBMC甲基化在癌症早期诊断中的应用尚不多见。有研究者研究了乳腺癌患者外周血白细胞中的全球基因甲基化与正常人群的差异，发现乳腺癌病人外周血淋巴细胞中全球基因的甲基化明显低于对照组，这与癌组织中DNA甲基化的变化相似。这一结果表明，外周血白细胞的甲基化状态有效地判断肿瘤是否存在，这为PBMC甲基化在癌症早期诊断中的应用提供了额外的证据。陈志亮等还发现，外周血白细胞中SEPT9和SDC2甲基化组成的联合生物标志物显著提高了早期CRC（0期至II期）的敏感性，敏感性和特异性分别达到85.7%和86.8%，AUC值也增加到0.972。结合其在提取和保存方面的优势，PBMCs有可能成为一种新的癌症早期检测的生物标志物。虽然PBMC甲基化在预测患者预后方面的应用不如cfDNA广泛，但其在预测癌症预后中的作用正在逐渐探索。由于肿瘤发生发展过程中免疫系统发生了不同程度的变化，因此检测肿瘤患者免疫细胞的变化对于分析患者的预后或预测疾病的进展具有重要意义。

基于血液的DNA甲基化在癌症动态监测中的作用

肿瘤标志物联合影像学检查广泛用于癌症患者的术后随访阶段，以评估治疗效果并监测肿瘤是否复发。术后血清肿瘤标志物的减少表明治疗是有效的，肿瘤标志物水平再次升高表明肿瘤复发或转移的风险。尽管有人认为肿瘤标志物的检测比横断面检查早6个月表明肿瘤复发，但肿瘤标志物增加与肿瘤负荷有关，在复发的早期阶段可能无法检测到。而且其他因素也可能导致肿瘤标志物升高。例如，CA19-9是监测PC患者术后肿瘤复发的有效肿瘤标志物，但胰腺局部炎症、梗阻性黄疸和持续性糖尿病也可能导致CA19-9升高。因此，CA19-9的检测不能有效表明这些患者的预后，但这些患者的预后往往较差。ctDNA甲基化的检测因其无创性、高重现性和高灵敏度而成为治疗后肿瘤反应动态监测的重要措施。Michail Ignatiadis等人（2021）首次使用术语“ctDNA复发”，这表明ctDNA在癌症监测中的重要性。Goro Nakayama等人发现ctDNA在CRC患者术后随访中的重要作用，他们发现P16INK4a甲基化是CRC复发的敏感指标。在纳入研究的21名CRC患者中，13名患者在手术前检测到P16INK4a甲基化水平升高，所有患者的P16水平均降低。

基于血液的DNA甲基化在癌症靶向治疗中的作用

血液DNA所反映的肿瘤信息，便于指导后续靶向治疗的选择。肿瘤异质性仅部分揭示了抗肿瘤治疗效果不佳的原因。肿瘤进展过程中可能会形成新的克隆亚型，这种动态异质性是抗肿瘤治疗效果不佳的重要原因。与传统的组织活检相比，以血为基础的DNA检测具有很高的重复性，便于肿瘤治疗反应的动态监测和治疗方案的及时调整，也可以克服肿瘤组织异质性的影响。然而，基于血液的DNA提取和测序比传统的组织检查技术要求和成本相对更高。基于血液的DNA在肿瘤靶向治疗领域有着广泛的应用。检测对象主要是血液DNA的突变信息，如CTC、ctDNA和外泌体。基因突变的深入分析，可能全面揭示癌症的分子图谱，从而为癌症患者提供更合适的治疗方案。然而，目前还没有利用血液DNA甲基化进行治疗靶点选择的相关研究。然而，组织中的DNA甲基化在抑癌基因失活和肿瘤发生中起着重要作用。DNA甲基化靶向治疗是肿瘤治疗的重要手段，尤其是DNA甲基转移酶抑制剂，已成为胰腺癌、乳腺癌、膀胱癌等肿瘤的有效治疗靶点。

综上所述，基于血液的DNA甲基化在癌症中的应用尚处于探索阶段，但未来有着广泛的应用空间。需要不断改进检测技术，提高检测试剂盒的灵敏度和特异性。降低非侵入性液体活检的检测成本是促进其应用的重要手段。

参考资料：https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2022.166583

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