腫瘤精準醫療新時代！一文了解NGS和腫瘤基因檢測發展簡史
本文從腫瘤的診療歷史談起，對腫瘤NGS檢測包括NGS測序的歷史進行梳理，讓大家能夠從耳熟能詳或鮮為人熟知的歷史事件中了解這個行業發展的脈絡。溫故而知新，希望這些在腫瘤診療發展歷程中作出過重大貢獻的人物和事件，不會隨風而逝，反而能激勵后人持續創新、續創輝煌。所涉及到的內容皆來源于平日積累和參考資料，有錯漏之處歡迎斧正。
目錄
1.讓人談之色變的“螃蟹”
2.腫瘤診療的發展里程碑
3.基因測序技術的發展歷史
4.基于NGS的腫瘤基因檢測
5.技術創新驅動腫瘤精準診療
讓人談之色變的“螃蟹”
公元前400多年，古希臘的“醫學之父”希波克拉底（前460年—前370年）觀察到人體內有一種腫脹物能夠在體內快速生長，在擴散過程中該腫脹物會伸出許多像手指一樣的觸角，形似螃蟹，故用螃蟹的拉丁語“carcinos”及“carcinoma”來命名這種疾病。約在300多年后，古羅馬學者塞爾蘇斯（前28年-前50）將眾多古希臘醫學經典翻譯為拉丁語，在翻譯carcinos一詞時由于其原指螃蟹，故將其譯為Cancer（同樣意為螃蟹），但由于后世肥美的螃蟹經常會走上人們的餐桌，為避免混淆，螃蟹逐漸被crab一詞所取代。由此，Cancer成為千百年來醫生為之頓足、百姓談之色變的名詞。
腫瘤診療的發展里程碑
雖然很早就定義了癌癥這種疾病，但直到文藝復興之后，人們對于癌癥的認識才逐漸深入。著名的蘇格蘭外科醫生約翰·亨特（John Hunter，1728-1793）曾提出，一些癌癥可以通過手術治愈，并描述了外科醫生如何決定手術治療哪些癌癥。威廉·哈爾斯特德（William Halsted）在1882年進行了第一次根治性乳房切除術來治療乳腺癌。直到20世紀下半葉，這種外科手術仍然是乳腺癌的標準手術。
人類與癌癥的斗爭從未停止，隨著時間的推移，逐步發展出手術治療、激素治療、放療、化療、靶向治療和免疫治療等多種手段?；熕幬飳δ[瘤細胞的選擇性低，不能分辨腫瘤細胞和正常細胞，對兩種細胞均會“格殺勿論，狂轟濫炸”，在殺滅癌細胞的同時也損傷了部分正常細胞，出現“殺敵一千，自損八百”的尷尬局面，且有較大的毒副作用。靶向治療就是在治療癌癥的時候，像射箭一樣，只針對患病的部分用藥，而不傷及健康的部分。而實現靶向治療的關鍵是如何找到靶子，也就是需要通過基因檢測來找到靶標位置。免疫治療主要是激活人自身的免疫系統，讓免疫細胞去殺滅癌細胞和腫瘤組織。它直接作用的不是腫瘤細胞或組織，而是激活人體自身的免疫系統，最終殺死腫瘤細胞。免疫治療也不是針對所有患者都適用，同樣依賴于基因檢測進行個體化治療。
靶向治療到底有何神奇之處呢？我們通過兩個例子來感受一下。
患者1
73歲 女性
先前診斷為早期乳腺癌，經過乳房腫瘤切除術、放療及輔助他莫昔芬治療后順利出院。然而天有不測風云，3年后病人出現了憋氣癥狀，到醫院檢查發現腫瘤已廣泛侵及頸部、肺部和胸膜，經診斷為乳腺癌晚期?？紤]到患者的年齡和癌癥轉移情況，常規的手術治療和放化療都不適合。患者和家屬本來已經不抱太大希望，只希望后續治療能減輕點痛苦。但由于患者持續性呼吸困難，主治醫生將患者腫瘤組織進行了基因檢測，發現了腫瘤細胞具有BRAF V600E突變。在醫生的建議下，患者接受了靶向藥物維羅非尼（Vermurafenib）治療。僅過了大約1個月左右，患者呼吸困難癥狀明顯改變；2個月后，進一步的PET成像顯示之前頸部和胸部的轉移灶明顯縮?。?個月后，患者對維羅非尼的耐受良好，PET顯像進一步表明疾病明顯減輕；23個月后患者仍服用該藥治療，疾病狀況控制良好，幾乎不伴有與其腫瘤相關的癥狀了。
患者2
轉移性肺癌患者
前期通過基因檢測明確是NTRK基因融合，很幸運可以參加拉羅替尼治療的臨床試驗。2015年3月，剛剛加入這場試驗的時候，患者只能依靠輪椅來移動，憑借吸氧機呼吸，因為轉移病灶占據了她90%的肺。很快，“奇跡”開始上演。開始服藥的三天內，患者能夠坐起來，并且用完整的句子講話。服藥一個月，患者摘掉了呼吸機。服藥六個月后，患者甚至可以騎馬了。通過三年的隨訪，影像學檢查顯示均沒有癌癥的跡象。
這兩位患者都是前期進行了基因檢測，發現了具有靶向藥物治療的靶點突變，隨后進行靶向治療，達到了非常好的療效。
吉非替尼
（gefitinib，商品名易瑞沙）
最早出現的靶向治療藥物，它的上市過程頗有一番曲折。1998年，一期臨床試驗發現部分化療后進展NSCLC患者對易瑞沙反應非常迅速，腫瘤明顯縮小。2002年阿斯利康將易瑞沙率先在日本上市，2003年FDA批準在美國上市。然而，在III期的ISEL臨床試驗中，在1692名患者中，吉非替尼并沒有較安慰劑表現出明顯的優勢。2005年FDA不允許吉非替尼在新患者中使用，基本上宣告了吉非替尼在美國市場的結束。同年阿斯利康也撤回了吉非替尼在歐洲的上市申請。2011年阿斯利康主動宣布在美國市場將吉非替尼撤市。
另一方面，從2004年開始，科研人員發現吉非替尼在某些特定人群中，比如亞洲人群或者非吸煙者人群，有更好的療效。通過多年的不懈努力，科研人員最終發現吉非替尼的療效和EGFR的基因突變有關。并通過多項臨床試驗奠定了吉非替尼一線治療在EGFR基因具有敏感突變的局部晚期或轉移性非小細胞肺癌中的地位。2009年，歐盟批準易瑞沙用于EGFR突變的非小細胞肺癌的各線治療， 2015年，易瑞沙又重新回到了美國市場。通過基因檢測，將腫瘤病人在分子水平進行分型，可以篩選出藥物治療有效的病人?；驒z測挽救了一個投入巨大的藥物，更重要的是，給罹患腫瘤的患者帶來了新的希望。
隨后，以阿法替尼為代表的二代靶向EGFR突變藥物上市，讓眾多患者受益。然而，幾乎所有腫瘤都會對藥物產生抗藥性，導致癌癥繼續發展。通過基因檢測發現，大約三分之二的耐藥患者出現EGFR T790M突變，相對應開發的三代藥物如奧希替尼可以靶向EGFR T790M突變的腫瘤細胞，進一步延長癌癥患者的生存時間。隨著研究的不斷深入，新的靶向藥物不斷地被開發，以解決不斷進化的腫瘤。任何一款靶向藥物的使用之前都需要進行基因檢測，以明確患者是否可以從中獲益。
O藥&K藥
（Nivolumab，歐狄沃&Pembrolizumab，可瑞達）
除了靶向藥物，近年來，基于免疫檢查點抑制劑的免疫治療大放異彩，成為人類在攻克腫瘤道路上獲得的新武器。腫瘤細胞通過免疫檢查點分子實現免疫逃逸，免疫治療通過對免疫檢查點分子的抑制激活自身免疫反應，消滅腫瘤細胞。
FDA于 2011 年批準抗CTLA-4的伊匹木單抗上市，用于晚期黑色素瘤患者的治療，成為全球首個免疫檢查點抑制劑藥物。PD-1/PD-L1是明星免疫檢查點抑制劑，大名鼎鼎的O藥（納武利尤單抗）和K藥（帕博利珠單抗）都是PD-1抑制劑。2014年6月O藥在日本獲得批準用于治療黑色素瘤，成為全球第一個被批準的PD-1抑制劑；同年7月和9月，FDA先后批準了O藥和K藥用于治療黑色素瘤。
PD-1療法的聲名大噪，美國前總統吉米·卡特也助了一臂之力。2015年，91歲的卡特被診斷出患惡性黑色素瘤，而且已經發生了肝轉移、腦轉移現象，已經是個不折不扣的晚期患者了。卡特經過4個月的K藥治療，腦部的腫瘤神奇般地消失！如今卡特已達98歲高齡，成為美國歷史上最長壽的總統。
目前，國產PD-1/PD-L1抑制劑已經有多款產品上市，進入集采后，整體的價格非常親民，患者大大獲益。O藥和K藥都是可以不區分癌種用藥的，這是一個里程碑似的結果。但是，PD-1/PD-L1抑制劑并不能百發百中，解決所有問題。首先，在某些病種中有效率低于20%。其次，有時候副作用比較大，甚至有三級和四級副作用。此外，由于存在免疫超進展，并不是所有人都適合PD-1/PD-L1藥物。免疫治療之前，同樣也離不開基因檢測，需要在用藥前進行MSI、TMB基因檢測、免疫超進展相關檢測以及PD-L1的免疫組化檢測。
隨著人類對腫瘤研究的不斷深入，抗腫瘤藥物的不斷發展，對于腫瘤的治療進入了精準醫療階段。腫瘤存在高度異質性，不同患者間在疾病進展、治療敏感性及預后等方面的差別巨大，對腫瘤的診斷從傳統形態學分型轉變到分子分型，可實現“同病異治”或“異病同治”。基因檢測有助于癌癥的精準診斷、預測和預后、治療指導、復發監控及藥物研發，從而使得患者獲益最大化。
我國腫瘤基因檢測的市場也逐年增加，基因檢測的高速發展，離不開檢測技術，尤其是NGS技術的不斷發展以及成本的不斷下降。
基因測序技術的發展歷史
2001年
6個國家的科學家花了11年的時間、30億美元，共同發表首個人類基因組工作草圖。
2003年
全世界最早的人類全基因組參考序列公布，宣布完成人類基因組計劃。人類基因組測序的完成，極大地推動了基因檢測技術的發展。
2005年
454 Life Sciences 推出了第一款二代測序儀，開啟了二代測序的先河。454技術是基于焦磷酸測序法的超高通量基因組測序系統，是一種邊合成邊測序（sequencing by synthesis, SBS）的技術，比傳統的Sanger測序快100倍。454 Life Sciences用新一代測序儀對DNA雙螺旋結構的發現者James Watson進行了基因組測序。
2006年
·英國劍橋的Solexa公司推出基于邊合成邊測序（sequencing by synthesis, SBS）技術的高通量測序儀。
·ABI斥資1.2億美元收購了遺傳分析公司Agencourt Personal Genomics（APG）。
2007年
·Roche（羅氏）以1.55億美元現金和股票收購了454 Life Science，為Roche在此后幾年成為二代測序市場的領頭羊奠定基礎。
·Roche完成對雙螺旋結構的發現者James Watson的基因組測序，花費100萬美金。
·Illumina以6億美元收購Solexa，開啟二代測序新紀元。
·ABI推出SOLiD高通量測序儀，SOLiD系統是通量最高的新一代測序平臺，每次運行可以產生4 Gb的數據。此外，由于它采用雙堿基編碼技術，在測序過程中對每個堿基判讀兩遍，能夠區分測序錯誤和多態性，故原始數據的準確性接近99.95%，高于其他的新一代測序平臺。
2008年
·Illumina宣布將人類基因組測序費用降至10萬美元。
·ABI宣布，利用SOLiD測序平臺，人類基因組的測序成本低于6萬美元。
2010年
·Illumina推出HiSeq2000系列測序儀，在測序通量上做了長遠的布局。
·454 Life Sciences的創始人喬納森·羅森伯格（Jonathan Rothberg）創辦了新的科技公司Ion Torrent，并于2010年成功推出了當時世上體積最小、檢測成本最低的測序儀PGM。
·Ion Torrent被Life Technologies公司收購。而這家Life Technologies公司，正是由ABI公司與Invitrogen公司合并而成！Life technologies的Ion Torrent表現不俗，在NGS競爭中扳回一局。
2014年
Life Technologies 又被 Thermo Fisher Scientific Corporation（賽默飛世爾） 以136億美元收購。Thermo Fisher Scientific可以量產臨床級別的測序儀，占據了一定的市場份額。
2016年
Roche在Illumina的通量和價格的雙重夾擊下遭受沉重的打擊，黯然宣布關閉454。
2017年
Illumina將人類基因組測序成本降低到了1000美元，率先實現了“一千美元測序一個人類基因組”的設想。
由此，Illumina壟斷了超過80%的NGS測序市場，緊隨其后的Themo Fisher市場占有率僅為不到10%，Roche僅為5%左右，排名前三的廠商總市場占比超過98%。
近幾年國產測序平臺華大智造在NGS領域也占得了一席之地。華大和Illumina的競爭更多的是專利的競爭。
2013年華大基因開展了收購Complete Genomics的進程。CG位于美國加州山景城，是頂尖的人類全基因組測序服務商。但是CG長于技術，卻短于經營。導致當時CG的資金鏈一天天抽緊，一旦扛不住宣布破產，即進入破產拍賣程序，華大將失去機會，Illumina將壟斷整個市場。CG的老對手Illumina此時向美國加州南區地方法院提起訴訟，控告CG侵犯其專利權，打算借此機將CG拖入破產程序。
華大以暗拍的方式參與了收購競拍。他們最終給出的價格是每股3.15美元，而Illumina給出的價格是3.1美元，二者僅有5分錢的差距。但是誰也沒想到，競拍數月之后，Illumina不甘心就此出局，帶著3.3美元的最新出價又殺了回來。Illumina此時開始在媒體造勢，聲稱將CG賣給中國人等于泄露“可口可樂的秘方”，CG的一些股東借機表示華大開價過低，損害了股東利益，質疑CG管理層和董事會成員確定買家太過草率。華大逐字逐條、有理有據地回應了Illumina對華大的指控，說明為何華大基因的收購最有利于股東、客戶以及雇員的利益，并質疑Illumina的收購僅僅是為了扼殺測序儀市場的競爭。
最終，華大沒有因為Illumina的報價而動搖，3.15美元的出價分文沒漲。2013年3月18日，美國外國投資委員會最終批準了華大基因對CG的并購申請。
華大和Illumina的專利之爭，并未就此結束。
2019年5月，硝煙四起的專利戰爭進一步打響，華大智造美國子公司CG向美國特拉華州地區法院提起訴訟，起訴Illumina侵犯了CG的two-color測序專利。隨后，Illumina于2019年7月25日提起反訴，主張CG US、華大智造和美洲智造侵犯其“修飾核苷酸”專利。
經過將近3年的拉鋸戰，2022年5月6日，特拉華州法院對華大智造訴Illumina專利侵權案，及Illumina對華大智造的反訴訟案作出判決：針對華大智造訴Illumina專利侵權案，法院判決Illumina對華大制造的“雙色測序技術（Two-color sequencing technology）”構成故意侵權，并要求Illumina向華大智造賠償3.34億美元，折合人民幣超22億元，創造了中國公司在海外專利獲賠最大數額記錄。針對Illumina向華大智造提起的反訴，法院判決 Illumina宣稱被侵權的三項專利全部無效。華大智造在這場持續了三年的專利權糾紛案中獲得了壓倒性勝利。判決結果一出，Illumina股價應聲下跌14.63%，損失達到67.03457億美金（42.67美金*1.571億股），合人民幣446.88億元。
得益于NGS技術的不斷更新和成本的不斷降低，腫瘤基因檢測的應用場景越來越廣泛，檢測的基因數目和突變類型越來越豐富，市場上也出現了利用不同技術、針對不同應用場景的各種產品。
基于NGS的腫瘤基因檢測
2015年1月，美國總統奧巴馬在國情咨文演講中宣布了美國的精準醫學計劃，嘗試通過收集基因組學和其他分子信息為患者提供個性化醫療。隨后，中國科技部于2015年3月召開了國家首次精準醫學戰略專家會議，并計劃在2030年前投入600億元加速中國精準醫療的行業發展。
截止目前，FDA已批準的伴隨診斷產品已達45個，來自16個伴隨診斷公司。自從2016年首款NGS伴隨診斷產品上市，NGS因其檢測通量高、更節約樣本、可獲得更全面的信息、可分析MSI和TMB等多維度分子靶標、能更準確地指導臨床等優點在腫瘤基因檢測的應用中發展迅速。5年內已有7個NGS產品獲得了FDA批準。其中有3款是大panel產品，分別是FoundationOne CDx，Foundation Liquid和Guardant360；有1款是同源重組修復缺陷產品Myriad myChoice。
國家藥監局NMPA相繼批準了15款基于NGS的多基因檢測試劑盒。值得注意的是，這些獲批的產品均檢測少數幾個基因，屬于小panel產品。但腫瘤發生發展機制復雜，隨著對腫瘤基因組研究的不斷深入，發現的與腫瘤治療相關的基因、標志物也越來越多。實現腫瘤精準分子分型需要檢測的基因、變異類型越來越多，小panel產品很難滿足不斷發展的腫瘤基因檢測的各種場景。能一勞永逸實現對不同腫瘤的多方位檢測，這是美國FDA給基因檢測企業提出的要求?？v觀美國FDA批準的腫瘤NGS檢測產品（Foudation Focus CDx BRCA ? Oncomine Dx Target Test ? Praxis Extended RAS Panel ? MSK-IMPACT 468基因 ? FoundationOne CDx 324基因），我們可以發現腫瘤NGS檢測的未來發展趨勢一定是從單一癌種到多癌種，單基因到多基因，小panel到大panel。截止目前，國內尚未有大Panel產品獲批。
從適用范圍看，用于非小細胞肺癌治療的伴隨診斷試劑最多。CSCO指南針對非小細胞肺癌患者進行EGFR突變、ALK融合、ROS1、RET融合及MET14外顯子跳躍的基因檢測進行了I級推薦，針對BRAF V600E突變、KRAS突變、HER2擴增/突變，MET擴增以及NTRK融合的基因檢測進行了II級推薦，針對基于NGS技術進行TMB檢測進行了III級推薦。相應的伴隨藥物主要集中在吉非替尼、?？颂婺帷W希替尼、克唑替尼等。
在其它各類腫瘤的各種指南中也有對基因檢測的廣泛推薦，并指導基因診斷產品服務于臨床，為患者謀求更大的獲益。
當前，腫瘤基因檢測產品主要針對組織樣本，可以通過病理學診斷找到腫瘤區域，獲得較高濃度的腫瘤DNA，檢測難度相對較低。另外，絕大部分產品都通過雜交捕獲法進行建庫，測序步驟則幾乎相同，所以產品的靈敏度和特異性都比較接近，雖然各產品的生信分析方法不盡相同，其底層技術是類似的。
臨床上，很多身體虛弱的晚期腫瘤患者，沒辦法進行手術和穿刺，或患者出現多處轉移，組織不是很好取，或取得的組織樣本量達不到基因檢測的需求。腫瘤基因檢測陷入了“巧婦難為無米之炊”的境地。此外，手術后的患者，術后的預后評估、輔助治療方案的評估、復發監測等臨床關心的問題，也需要通過基因檢測以獲得更多的指導。利用血液等體液樣本進行的液體活檢，由于無創且可多次取樣，能很好地解決上述難題。
2018年，美國Guardant Health公司發布了史上最大規模的ctDNA檢測研究結果，Guardant 360平臺檢測了15191例患者的17628份血漿標本和398位患者的組織標本，結果表明，液體活檢和組織檢測具有相當高的一致性。2020年，FDA先后批準了Guardant360 CDx和Foundation one CDx兩款通過液體活檢進行腫瘤伴隨診斷的產品。
無論是基于組織的檢測，還是液體活檢，腫瘤基因檢測的重要挑戰都是檢測的靈敏性和特異性。腫瘤基因檢測的操作步驟包括核酸的提取、PCR擴增和測序文庫的構建、基因序列讀取等。這些過程中都會帶來檢測誤差。檢測時如何排除掉誤差帶來的突變，真正能檢測出每個患者不同的突變，同時兼顧檢測覆蓋的基因范圍和檢測準確度，這是腫瘤基因檢測的一個重要難點。此外，具有臨床指導意義的突變，即可訴性突變，在腫瘤組織中的占比常常較低，而在體液中更低（比如ctDNA中的突變）。為獲得準確的可訴性突變信息，常常需要加大測序深度，這無可避免地造成了測序成本的提高。如何高特異性高靈敏度地檢測可訴性突變是基于NGS的腫瘤基因檢測的關鍵問題。利用基于組織開發的腫瘤基因檢測panel來檢測血液中的ctDNA，雖然在加大測序深度的情況下能一定程度提高測序的最低檢測下限，但由于雜交捕獲效率和樣本投入量的原因，很多低頻突變無法被捕獲，組織檢測產品應用于液體活檢仍存在一些問題。液體活檢的痛點，依賴于底層技術的突破。
技術創新驅動腫瘤精準診療
閱爾基因發明了抑制探針置換擴增技術（Blocker Displacement Amplification，BDA）。BDA在常規PCR的基礎上，額外增加了一條blocker探針，從而實現對突變型序列富集。
BDA就像一個放大鏡，特異地放大了組織內突變型分子的信號，并大大抑制了野生型序列的擴增，可以更便捷更省力地檢測到關鍵的信號。
QASeq技術（Quantitative Amplicon Sequencing）是閱爾基因的另一項專利技術。QASeq是通過加唯一性分子標簽（Unique Molecular Identifier, UMI）的方法，去除PCR和基因測序過程產生的錯誤；并通過多重PCR設計，對DNA序列進行絕對定量，大大提高拷貝數變異分析的靈敏度。此外，通過將擴增子引物設計在熱點突變兩端，QASeq也可以檢測基因突變。
BDA可以特異富集低頻突變，大大降低對野生型的不感興趣分子的擴增，這樣的特征使得其特別適用于液體活檢、MRD監測等需要超過靈敏度的應用場景，使液體活檢真正走向實用化。閱爾基因研發團隊將mBDA技術和QASeq技術整合，推出qBDA技術：首先在DNA分子加UMI標簽，其次進行mBDA擴增。利用qBDA技術，閱爾基因對液體活檢樣本進行檢測，其最低檢測下限可達十萬分之五，滿足MRD檢測所需的檢測靈敏度，同時檢測數據量又很少，可應用于中低通量測序平臺，使檢測成本、硬件成本、時間成本都大大降低，滿足院內去中心化檢測的需要，更有助于NGS檢測常規化的實現。
結語
隨著人類對腫瘤的認識越來越深入，腫瘤的診療對分子檢測的依賴性越來越高，對于其檢測的要求也越來越精確，催生了檢測技術的不斷革新。NGS的發展與腫瘤基因檢測的發展緊密相隨，正是因為NGS技術的成本不斷下降，以及檢測技術的不斷創新，才有腫瘤基因檢測市場的繁榮。未來腫瘤基因檢測發展的趨勢，必然是要求數據量合適，靈敏度高，特異性強，成本低，適用于中低通量測序平臺，這樣才能推向各級醫院，從而造福更多患者。歸根結底，滿足這些要求，需要向無數前賢智士學習，不斷推進底層技術的創新，并將這些創新迅速應用于臨床檢測。
參考資料：
1.The History of Cancer | First Cancer Diagnosis
2.Milestones in Cancer Research and Discovery - NCI
3.綜述 | 人類腫瘤藥物發展史
4.PD-L1前世今生：從諾貝爾獎說起_免疫
5.Meet John: Johns Hopkins Kimmel Cancer Center
6.華大基因想干大事：收購美國測序儀公司CG 打通產業鏈
7.華大智造贏得對Illumina專利訴訟 獲賠3.34億美元
8.中國腫瘤分子診斷藍皮書
9.2022版非小細胞肺癌CSCO指南
10.Odegaard JI, Vincent JJ, Mortimer S, Vowles JV, Ulrich BC, Banks KC, et al., Validation of a plasma-based comprehensive cancer genotyping assay utilizing orthogonal tissue- and plasma-based methodologies. Clin. Cancer. Res. 2018, 24: 3539-3549.
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關于閱爾基因
閱爾基因是一家技術創新驅動的全球基因組學公司，擁有多項革命性的分子檢測技術，可將所有NGS平臺的測序成本降低98%以上，并將qPCR、Sanger和納米孔測序的靈敏度提高100倍以上。閱爾基因在美國休斯頓、中國上海和中國蘇州均設有分部。閱爾基因的愿景是創造負擔得起的、及時的和準確的基因分析工具，與諸多合作伙伴一起實現精準醫療并改善患者預后。
