液体活检在癌症早筛和预后监测方面有着得天独厚的优势。体液中的游离DNA（cfDNA）和游离RNA（cfRNA）在疾病诊断和预后的无创评估中已经有了深厚的研究积累。诸多cfDNA特征，例如突变、拷贝数、甲基化模式、片段化模式和核小体足迹在癌症患者中都发生着异常调控。许多 cfRNA 特征也可以作为癌症标志物（包括microRNA，circRNA以及 mRNA 和长非编码RNA 的选择性剪接模式）。不过，单组学特征各有所长，比如cfDNA的甲基化具有极佳的组织溯源能力，但是对于早期癌症患者的检出率较低。而cfRNA虽然丰度和灵敏性较高，与癌症患者的动态息息相关，但是 RNA的稳定性较差。如何利用多组学的进行优势互补，尽早识别癌症患者，灵敏地监测疾病动态变化，是液体活检中一个亟待解决的问题。
和成熟的组织多组学研究相比，癌症体液多组学研究受限于有限的临床样本、稀少的肿瘤相关分子，仍面临着严峻挑战。随着微量核酸测序技术的发展和完善，在有限的样本中进行多组学同时检测逐渐成为可能。
2023年11月21日，清华大学生命科学学院鲁志团队与北京大学第一医院王鹏远团队、清华长庚医院卢倩团队合作，在《Cell Reports Medicine》上在线发表题为“细胞外多组学分析揭示胃肠道癌症患者潜在血液标志物”（Cell-free multi-omics analysis reveals potential biomarkers in gastrointestinal cancer patients’blood）的研究论文。该工作通过最新的、高灵敏的微量核酸测序技术，第一次在消化道癌症病人的血浆中系统全面地分析和对比了 cfDNA+cfRNA的4种组学和10余种变异类型，发现多组学相对于单组学的检测效果有了较好的提升，为消化道癌患者的检测和预后提供了新的生物标志物； 同时，也发现cfRNA 比 cfDNA 对血液中的癌基因变异和免疫微环境的检测要灵敏很多。
主要研究内容
在该研究中，研究人员利用2-3毫升血浆中的cfDNA 和cfRNA，对80位结肠癌和胃癌患者以及81个健康对照的血浆样本进行了4种不同组学水平的检测，包括基因组（cfDNA）、表观基因组（cfDNA 甲基化）、小 RNA（small cfRNA）和全 RNA（total cfRNA）转录组（图1 左）。研究人员基于以上多组学数据进行生物信息学分析，对衍生出的10余种不同类型的变异事件分别进行了整合、比较。
图1
亮点1：在监测肿瘤相关基因方面，cfRNA相较于cfDNA更加灵敏
研究者首先发现了 cfRNA 对癌基因变异的检测敏感性（癌症病人检出率）是 cfDNA 的3倍（图1 右中）。以TP53为例，基因水平的多组学整合将会有效提高癌症患者检出率（图2左）。将该概念扩展到COSMIC定义的癌基因中，依旧可以发现多组学的整合使得更多的癌症患者被检出（图2右）。同时，研究人员也发现，血浆中的肿瘤相关基因中，cfRNA水平的变异程度相较于cfDNA更高，对于癌症检出率的贡献度更高。
图2
亮点2：特定的免疫特征在胃肠道癌症患者的血浆中受抑制
此外，在不同变异事件的比较中发现，cfRNA相关的变异事件相较于cfDNA而言，对于癌症患者的病理变化更加敏感，可以用来揭示癌症患者的异常免疫变化和肿瘤微环境特征。多组学通路富集结果显示，胃肠道癌症患者血浆中特定的免疫通路处于受抑制状态（cfRNA丰度水平显著下调），且免疫通路下调的现象也在出现在其他消化道癌症患者的血液中。
亮点3：基于cfRNA的生物标志物具有预测肿瘤分期等临床状态的能力
利用血浆进行液体活检的优势在于既能够监测到肿瘤来源的信号，又能够反映出机体的免疫系统变化。研究人员针对22例具有血浆、外周血单个核细胞、癌和癌旁组织的患者队列进行了转录组检测，发现血浆中不仅免疫细胞RNA水平和变化与癌组织类似，而且肿瘤相关的通路也与组织呈高度相关。研究人员进一步发现，利用基于cfRNA的多种免疫细胞分数和肿瘤微环境分数，可以有效地预测肿瘤分期、肿瘤大小等，为肿瘤的动态监测，提供了潜在的标志物（图3）。
图3
综上所述，该研究首次基于血浆基因组、表观基因组和小 RNA 和全 RNA转录组，展现了结 消化道癌症的细胞外 cfDNA+cfRNA核酸景观，并证实了多组学整合可以有效提高液体活检中的癌症检出率，证明了 cfRNA 相对于 cfDNA 的更高灵敏性，并为癌症状态的动态监测提供了以cfRNA为基础的潜在生物标志物。
清华大学鲁志研究员、北京大学第一医院王鹏远主任医师，清华长庚医院卢倩主任医师为论文通讯作者。清华大学生命学院2019级博士生陶俣寰和2019级博士生邢少贞、北京大学第一医院左帅医师为文章共同第一作者。
文章链接：https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(23)00475-5
