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Circulating tumor DNA and liquid biopsy: opportunities, challenges, and recent advances in detection technologies. ​

文献信息 ​

DOI10.1039/C8LC00100F
PMID29569666
期刊Lab on a chip
影响因子5.4
JCR 分区Q1
发表年份2018
被引次数118
关键词循环肿瘤DNA, 液体活检, 检测技术, 非侵入性评估, 癌症
文献类型Journal Article, Research Support, Non-U.S. Gov't, Review
ISSN1473-0189
页码1174-1196
期号18(8)
作者Lena Gorgannezhad, Muhammad Umer, Md Nazmul Islam, Nam-Trung Nguyen, Muhammad J A Shiddiky

一句话小结 ​

细胞游离DNA（cfDNA）和循环肿瘤DNA（ctDNA）在癌症评估中具有重要潜力，ctDNA的存在不仅提供了非侵入性癌症诊断和监测的新机会，还可能反映肿瘤的基因突变和变化。本文回顾了ctDNA分析方法的最新进展及其在临床应用中的挑战，强调了其在癌症诊断、预后和治疗反应监测中的重要性。

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循环肿瘤DNA · 液体活检 · 检测技术 · 非侵入性评估 · 癌症

摘要 ​

细胞游离DNA（cfDNA）是指可在几乎所有体液中检测到的短链无细胞核酸片段，包括血液，并涉及免疫、凝血、衰老和癌症等多种生理和病理现象。在癌症患者中，一部分血源性cfDNA来源于肿瘤，称为循环肿瘤DNA（ctDNA），其可能携带与原发肿瘤相同的突变和基因改变。因此，ctDNA为非侵入性癌症评估提供了机会。ctDNA分析方法的最新进展可能会促使开发一种液体活检工具，用于癌症的诊断、预后、治疗反应监测，以及追踪癌症患者中新突变亚克隆的出现。在过去几十年中，已经使用多种非靶向方法检测到ctDNA中的癌症特异性突变，如数字核型分析、重排末端的个性化分析（PARE）、ctDNA的全基因组测序，以及传统PCR、数字PCR方法和深度测序技术等靶向方法。最近，开发了几种基于芯片的电化学传感器，用于分析患者样本中的ctDNA。本文旨在全面回顾ctDNA作为一种微创液体活检在癌症患者中的诊断、预后和预测潜力。我们还概述了ctDNA分析方法在分析灵敏度和准确性方面的当前进展，以及需要解决的生物学和技术挑战，以便将ctDNA分析整合到常规临床实践中。

英文摘要 ​

Cell-free DNA (cfDNA) refers to short fragments of acellular nucleic acids detectable in almost all body fluids, including blood, and is involved in various physiological and pathological phenomena such as immunity, coagulation, aging, and cancer. In cancer patients, a fraction of hematogenous cfDNA originates from tumors, termed circulating tumor DNA (ctDNA), and may carry the same mutations and genetic alterations as those of a primary tumor. Thus, ctDNA potentially provides an opportunity for noninvasive assessment of cancer. Recent advances in ctDNA analysis methods will potentially lead to the development of a liquid biopsy tool for the diagnosis, prognosis, therapy response monitoring, and tracking the rise of new mutant sub-clones in cancer patients. Over the past few decades, cancer-specific mutations in ctDNA have been detected using a variety of untargeted methods such as digital karyotyping, personalized analysis of rearranged ends (PARE), whole-genome sequencing of ctDNA, and targeted approaches such as conventional and digital PCR-based methods and deep sequencing-based technologies. More recently, several chip-based electrochemical sensors have been developed for the analysis of ctDNA in patient samples. This paper aims to comprehensively review the diagnostic, prognostic, and predictive potential of ctDNA as a minimally invasive liquid biopsy for cancer patients. We also present an overview of current advances in the analytical sensitivity and accuracy of ctDNA analysis methods as well as biological and technical challenges, which need to be resolved for the integration of ctDNA analysis into routine clinical practice.

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主要研究问题 ​

  1. ctDNA在液体活检中的具体应用有哪些，特别是在早期癌症检测方面？
  2. 在ctDNA分析中，哪些生物和技术挑战最为突出，如何克服这些挑战？
  3. 目前市场上有哪些新兴的ctDNA分析技术，它们的优势和局限性是什么？
  4. ctDNA与传统活检相比，在监测癌症治疗反应方面的优势有哪些？
  5. 未来ctDNA分析技术的发展趋势如何，可能会对癌症管理带来哪些改变？

核心洞察 ​

1. 研究背景和目的 ​

细胞游离DNA（cfDNA）是指几乎可以在所有体液中检测到的短片段无细胞核酸，广泛参与多种生理和病理现象，包括免疫反应、凝血、衰老和癌症。在癌症患者中，部分来源于肿瘤的cfDNA被称为循环肿瘤DNA（ctDNA），它能够携带与原发肿瘤相同的突变和基因改变。这项研究旨在全面回顾ctDNA作为一种非侵入性液体活检在癌症诊断、预后评估、治疗反应监测以及新突变亚克隆的跟踪中的潜力，并探讨ctDNA分析方法的最新进展。

2. 主要方法和发现 ​

在ctDNA的检测方法中，研究人员采用了多种无靶向方法，如数字核型分析、个性化重排末端分析（PARE）、ctDNA的全基因组测序，以及靶向方法如传统PCR、数字PCR及深度测序技术。近期，研究还开发了一些基于芯片的电化学传感器，用于分析患者样本中的ctDNA。这些方法的进步提高了ctDNA分析的灵敏度和准确性，为液体活检工具的开发奠定了基础。

3. 核心结论 ​

ctDNA作为一种最小侵入性的液体活检工具，展现了在癌症患者中的广泛应用潜力。通过对ctDNA的分析，可以实现对癌症的非侵入性评估，包括早期诊断、预后评估及治疗监测。然而，尽管ctDNA分析技术在灵敏度和准确性上有所提升，但在生物学和技术层面仍然面临诸多挑战，这些挑战必须得到解决，以便将ctDNA分析整合到常规临床实践中。

4. 研究意义和影响 ​

本研究的意义在于为ctDNA在癌症管理中的应用提供了系统的评估，强调了其作为液体活检的潜力。通过克服现有的技术和生物挑战，ctDNA分析能够为癌症患者提供更为精准的诊断和个性化治疗方案。这一进展将可能改变癌症监测和管理的方式，提高患者生存率和生活质量，并为临床实践引入新的标准和方法。

引用本文的文献 ​

  1. MMP-9 as a Candidate Marker of Response to BRAF Inhibitors in Melanoma Patients With BRAFV600E Mutation Detected in Circulating-Free DNA. - Rossella Salemi;Luca Falzone;Gabriele Madonna;Jerry Polesel;Diana Cinà;Domenico Mallardo;Paolo A Ascierto;Massimo Libra;Saverio Candido - Frontiers in pharmacology (2018)
  2. Blood-Based Cancer Biomarkers in Liquid Biopsy: A Promising Non-Invasive Alternative to Tissue Biopsy. - José Marrugo-Ramírez;Mònica Mir;Josep Samitier - International journal of molecular sciences (2018)
  3. Highly sensitive detection of DNA hypermethylation in melanoma cancer cells. - Jared Nesvet;Giovanni Rizzi;Shan X Wang - Biosensors & bioelectronics (2019)
  4. The current role and future directions of circulating tumor cells and circulating tumor DNA in urothelial carcinoma of the bladder. - Michael Rink;Heidi Schwarzenbach;Sabine Riethdorf;Armin Soave - World journal of urology (2019)
  5. Liquid biopsy for pediatric central nervous system tumors. - Erin R Bonner;Miriam Bornhorst;Roger J Packer;Javad Nazarian - NPJ precision oncology (2018)
  6. Multilayer microfluidic array for highly efficient sample loading and digital melt analysis of DNA methylation. - Christine M O'Keefe;Daniel Giammanco;Sixuan Li;Thomas R Pisanic;Tza-Huei Jeff Wang - Lab on a chip (2019)
  7. Recent Progress on Liquid Biopsy Analysis using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. - Yuying Zhang;Xue Mi;Xiaoyue Tan;Rong Xiang - Theranostics (2019)
  8. Neoantigen identification strategies enable personalized immunotherapy in refractory solid tumors. - Fangjun Chen;Zhengyun Zou;Juan Du;Shu Su;Jie Shao;Fanyan Meng;Ju Yang;Qiuping Xu;Naiqing Ding;Yang Yang;Qin Liu;Qin Wang;Zhichen Sun;Shujuan Zhou;Shiyao Du;Jia Wei;Baorui Liu - The Journal of clinical investigation (2019)
  9. Enrichment of short mutant cell-free DNA fragments enhanced detection of pancreatic cancer. - Xiaoyu Liu;Lingxiao Liu;Yuan Ji;Changyu Li;Tao Wei;Xuerong Yang;Yuefang Zhang;Xuyu Cai;Yangbin Gao;Weihong Xu;Shengxiang Rao;Dayong Jin;Wenhui Lou;Zilong Qiu;Xiaolin Wang - EBioMedicine (2019)
  10. The diagnostic value of circulating tumor cells and ctDNA for gene mutations in lung cancer. - Mengyuan Lyu;Jian Zhou;Kang Ning;Binwu Ying - OncoTargets and therapy (2019)

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