《柳叶刀》子刊 | HIFI技术体系在肺癌早筛和术后复发监测...

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近日，北大人民医院胸外科/胸部肿瘤研究所团队与和瑞基因合作，围绕HIFI技术体系在肺癌早筛及术后复发监测的应用展开前瞻性观察研究，相关成果发表于《柳叶刀》子刊《eBiomedicine》（IF=11）。

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该研究结合和瑞基因原研技术HIFI-prof（HIFI技术体系早筛平台）及cSMART 2.0（HIFI技术体系高精度液体活检技术），是首个基于WGS的液体活检方法同步实现肺癌早期筛查和术后MRD检测的前瞻性研究，创新性地贯穿了从早筛到辅助诊断，再到治疗和预后监测的肺癌全病程。

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其在肺癌早筛及术后复发监测两个领域构建的方法，表现均优于既往研究，并具有成本优势，为开发肺癌液体活检的有效策略提供了一个实用的、易于转化为临床实践的路线。

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成果亮点

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肺癌早筛及结节鉴别模型性能优异

该肺癌早筛评分模型，在98%的高特异度下表现出令人满意的敏感性，在由前瞻性样本组成的验证集中，ROC曲线的AUC达到0.912；在磨玻璃结节队列中表现优于其他主流数学模型，AUC为0.948；

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早筛模型阴性预测值高

在中国人群中，该肺癌早筛模型实现了99.92%的NPV(阴性预测值)，可有效避免健康人群遭受不必要的辐射暴露或侵入性临床操作；

复发监测方案性能优异

本研究采用和瑞基因和预安®️--实体瘤微小残留病灶（MRD）检测[color=var(--weui-LINK)]（点击了解产品详情），从测序深度和广度的双维度，探索ctDNA结合WGS优化MRD检测方案的可行性。cSMART2.0结合WGS的检测方法可有效提高MRD的检测精度，预测复发的准确率达89.3%，灵敏度达73.7%，特异性达97.3%，将筛选到更多可能从MRD检测中受益的高复发风险的早期患者。
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模型经济可及

测序深度降低，但AUC也基本接近0.9，代表模型具备成本下降空间；测序危害/效益值低于1:48，也验证了其在临床应用中的成本效益。

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研究背景

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肺癌的发病率和死亡率在全球癌症中占比很高，严重危害人体健康。早期筛查诊断、及时复发监测是提高肺癌患者总体生存率的关键步骤。液体活检是一种无创、敏感的检测方法，在肺癌早筛及复发监测领域显示出巨大的潜力。在癌症早筛领域，液体活检相较于血清标志物、内镜和影响学等手段更灵敏、更早、更无创便捷；在复发监测领域，MRD在肺癌围术期的预后评估、疗效预测、复发监测等价值已获得临床研究证实。目前MRD检测技术多基于ctDNA的突变信息，具有检测周期短、覆盖范围更大、可分析肿瘤克隆演化等优势，在临床有巨大的应用潜力。

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然而，由于肿瘤ctDNA入血丰度低和克隆性造血（CHIP）的影响，目前仅依赖于提高测序深度的检测策略取得的进展有限。如何在分子层面上实现肺癌早筛、实现MRD的精准检测，提高MRD检测的灵敏度，值得进一步的研究和探索。

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研究对象

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本研究健康对照来源于北京和福建的多个医疗体检中心，肺癌患者来自临床研究中心。发现队列（训练集，N=308）有145名肺癌患者和163名健康对照（HC）或良性肺结节（PNs）的参与者。验证队列（测试集，N = 306）来自后续的前瞻性样本，其中包括143名肺癌患者和163名健康/良性结节。I期癌症个体在发现集中占80.7%，而在验证集的队列中占81.1%。术后监测队列为来自临床研究中心的58名肺癌患者。
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图1 肺癌的早期检测和MRD监测的研究设计

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研究结果

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早期筛查及辅助诊断结果

为确定肺癌（LC）患者和健康人在整个基因组中片段大小和覆盖率的差异，该研究将片段比对至参考基因组序列，在2Mb的窗口中评估片段长度，并计算不同大小的片段比例。健康对照的cfDNA通常大小为166bp。肺癌患者的cfDNA片段在100~150bp中富集程度最高，同时在20~150bp与160~180bp的大小比中也有富集（图2B）。基因组不稳定性发生在大多数癌症中，计算每个2M碱基窗口中reads数目，评估肺癌与健康对照之间的Bincount差异，LC患者的分数在某些区域高于健康对照（图2C）。使用cfDNA片段5'端的前四个核苷酸序列（即4-mer）与参考基因组进行比对后识别cfDNA末端特征，发现8个末端序列在两组之间有明显不同（图2D）。应用5mC分类器模型可以区分肺癌患者和健康对照，并适用于不同的临床亚组（图2E）。
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图2 多重基因组特征改变和甲基化聚类

整合WGS来源的多基因组特征和靶向甲基化来源的甲基化特征，构建了LC得分，该分数从0到1不等。肺癌患者的LC分数很高，而几乎所有健康人的LC分数都较低（图3A）。LC模型的检测性能通过独立验证数据集的接受者操作特征（ROC）曲线来衡量。LC评分模型在验证集的ROC曲线下的面积（AUC）值为0.912（95%CI：0.880-0.942），优于只考虑一种特征的模型，也优于五种血清蛋白生物标志物。对于肺癌最常见的肺腺癌和鳞癌患者也有类似的检测能力（图3C）。对于不同临床分期（Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期和Ⅳ期）的患者，LC评分模型仍然显示出比其他单一特征模型更好的筛选性能。对于实性结节的诊断，LC评分模型显示出比Mayo、PKU和VA模型更高的检测效率，AUC达到了0.950（95%CI：0.880-0.995）（图3D）。从验证集中肺癌患者的检测灵敏度比较来看，LC模型在不同的临床阶段表现出比蛋白质生物标志物优异的性能，特别是在早期临床阶段（图3E），体现了其在临床上的实用价值。

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图3 LC评分模型对肺癌患者的诊断性能

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在49名通过临床影像诊断被确定为磨玻璃的患者中，评估了LC评分模型的性能。这些患者的血浆cfDNA突变也采用了基于cSMART2.0检测的肿瘤未知和肿瘤知情方法进行了采集。这三种方法取得了不同的检测灵敏度，用肿瘤无关的方法是14.3%，用肿瘤知情的血浆突变检测方法是16.3%，而用LC评分模型评估这些病人时，检测灵敏度是75.5%（图4B）。这些结果证实，LC评分模型在非常早期的肺癌阶段也表现出卓越的诊断效率。LC评分模型在不同亚型的磨玻璃结节（GGO）样本中表现出不同的检测性能，混合型GGO（mGGO）患者的LC评分明显高于纯GGO（pGGO）患者（图4C）。获得的LC分数与cfDNA浓度和固体结节的肺结节的实性成分占比（CTR）呈正相关（图4D和E）。

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图4 LC模型对肺部磨玻璃患者的评估性能

复发监测结果

研究采用和瑞基因和预安®️--实体瘤微小残留病灶（MRD）检测对切除组织的患者进行测序（图5A右）。对于所有患者，当只检测ctDNA分子时，术前和术后血的突变阳性率分别为52.1%（24/46）和19.6%（11/56）。当通过ctDNA联合WGS对患者进行评估时，术前和术后血的突变阳性率分别上升到71.4%（30/42）和28.6%（16/56）（图5B）。

仅通过ctDNA检测时，MRD阳性患者的复发率是ctDNA阴性患者的7.60倍（95%CI：1.3-8.8，p = 9.00E-03），而通过ctDNA+WGS检测时，MRD阳性样本的复发率增加到16.25倍（95%CI，4.4-35.3，p < 1.00E-04）（图5C）。不同临床阶段的患者，也存在一些敏感性差异（图5D）。

当仅通过ctDNA突变进行检测时，预测复发的准确性为82.1%，敏感性为52.6%，特异性为97.3%（19名患者中有10名复发，1名患者为假阳性）（图5E）。当通过ctDNA+WGS检测时，预测复发的准确率为89.3%，灵敏度为73.7%，特异性为97.3%（19名患者中有14名复发，1名患者为假阳性）。对于临床复发患者的突变阳性检测，WGS方法可以提高患者术后风险评估中MRD检测的准确性，别是对于极早期的肺癌（5号、6号和7号患者，图5F）。

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图5 ctDNA和结合WGS检测在肺癌术后MRD监测中的比较

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研究结论

随着测序技术的不断发展，无创液体活检的应用越来越广泛，而多组学分析可以提高癌症信号的检测准确性。
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作为一种简单有效的策略，和瑞基因原研技术HIFI-prof（HIFI技术体系早筛平台）及cSMART 2.0（HIFI技术体系高精度液体活检技术）被证实在肺癌早期筛查、辅助诊断、术后复发监测表现优异，低通WGS结合ctDNA可有效显著降低假阳性率，检测周期短、成本低，比既往研究结果具有更广泛的临床前景。

和瑞基因癌症早筛方案

作为民族科技企业，和瑞基因积极承接“十三五科技重大专项”，基于液体活检技术及高通量NGS测序平台，结合机器学习人工智能算法，研发出可自我迭代的癌症早筛底层通用技术体系 HIFI。该技术体系能够识别cfDNA中的癌症极早期预警标志物，具备多组学、多类别标志物检测能力，并被作为新型早筛技术被 《中国抗癌协会癌症筛查科普指南》推荐：“在肝癌早筛中展现出重要价值，……在多癌种早期筛查上也显现出较好的应用前景。”

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依托以上自主研发的底层通用技术体系 HIFI，和瑞基因联合国家肝癌科学中心、南方医科大学南方医院等18家三级甲等医院共同发起，国家肝癌科学中心主任王红阳院士及南方医科大学南方医院侯金林教授牵头，共同启动了“全国多中心、前瞻性肝癌极早期预警筛查项目”（PreCar）。

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基于上述研究成果，和瑞基因首先针对肝癌推出了全球首个经过万人前瞻性随访队列研究验证的临床级肝癌早筛产品“莱思宁®️”，完成了“从0到1”的突破，并被首个《中国肝癌早筛策略专家共识》推荐的肝癌早筛“金字塔”模式纳入；

随后，和瑞基因展开了“从1到多”的跨越，推出了一次性可筛查6大中国高危高发癌症（肺癌、食管癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、结直肠癌）的多癌种早筛产品“全思宁®️”[color=var(--weui-LINK)]（点击了解产品详情），是目前全球首个采用游离DNA（cfDNA）多维度全基因组测序（WGS）技术的多癌种早筛产品。

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和瑞基因MRD检测方案

                               
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目前，和瑞基因已于2021年推出基于Tumor-informed固定化panel的解决方案和预安®️--实体瘤微小残留病灶（MRD）检测[color=var(--weui-LINK)]（点击了解产品详情），该产品基线组织采用和全安®️--654大panel检测，采用DNA+RNA双检技术，可同时兼顾广度及深度，全面患者展示患者的基因组特征信息。对于血液监测，优选纳入218个基因，充分考虑实体瘤靶向用药基因及高频突变，为肿瘤患者提供MRD精准检测策略。

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此外，和瑞基因即将上市个性化定制panel的MRD解决方案，该方案将采用覆盖基因组全外显子区域、常见融合基因断点及热点基因非编码区域的WES检测作为基线数据，定制化设计血液监测panel，并添加补充模块，加入常见热点驱动突变，同时配合100000×超高深度测序，在准确监测微小残留病灶的基础上进一步克服肿瘤异质性，打造个性化定制MRD优选方案。

未来，和瑞基因也将持续探索MRD检测优化方案，通过多维度、多重技术探索，克服MRD检测挑战，助力MRD精准检测。

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