尿液中含有一种可行的肿瘤物质来源，可居家自行收集，这种新型的便捷液体活检方式，有利于进行癌症早筛。
图源：比利时布鲁塞尔的撒尿小童
我们提到，尽管在过去的几十年中，医疗领域不断创新癌症疗法，但癌症仍是全球主要致死原因之一。1 癌症高死亡率的部分原因是诊断较晚，而此时治疗选择有限。
正因如此，癌症早筛显得尤为重要，尤其是创新便捷的癌症早筛方法。基于尿液的癌症早筛可能是潜在的解决方案，让患者在家自行采样，减少就医需求，从而减轻患者和医疗系统负担。
今天，我们来讨论下“使用尿液中肿瘤来源DNA检测泌尿系统肿瘤及非泌尿系统肿瘤的基本原理”，以探索其在癌症筛查诊断中的潜力。
01
液体活检早筛
液体活检是指对体液样本进行检测分析，可作为癌症筛查的新工具。血液是研究最广泛的液体活检样本，除此以外，研究者们也在积极探索其他替代体液样本，如唾液、痰液、粪便、尿液和阴道液等。2 尿液等筛查友好型收集方法便于反复获取新鲜肿瘤筛查材料，且操作简单，适合在家中自行进行。
液体活检早筛主要针对肿瘤释放到体液循环中的ctDNA进行检测，分析维度包括但不局限于拷贝数变化、片段长度差异、甲基化和突变等。
ctDNA生物学特性与其来源有关。ctDNA片段大小从150-200bp不等，峰值约为167bp（以单个核小体形式存在：147bp DNA（包裹在组蛋白周围）+ 20bp连接DNA（保护DNA免受降解））。
ctDNA的释放机制包括细胞凋亡、坏死和主动分泌三种，其丰度因肿瘤类型和阶段而异，具体取决于肿瘤位置和血管化程度。ctDNA的半衰期一般为16min~2.5h，这可能跟它的清除机制有关：肝脏 → 肾小球 → 脾脏吸收清除。3,4
▲ ctDNA释放和清除机制
02
尿液液体活检
与血液相比，尿液作为液体活检样本更为新颖。血液采集需专业操作，量有限，而尿液采集简便、无创、量大，适合家庭连续采样，患者接受度高。因此，尿液为筛查提供了有吸引力的样本选择。
尿液液体活检主要用于筛查泌尿生殖系统癌症，如膀胱癌、宫颈癌、子宫内膜癌和前列腺癌等，它们会直接将肿瘤DNA片段释放到尿液中。然而，近年来，尿液液体活检在结直肠癌、肝癌、肺癌和卵巢癌等非泌尿生殖系统癌症的筛查中受到广泛关注。这是因为肿瘤释放的ctDNA经肾排泄至尿液，为癌症筛查提供了新途径。
尿液是一种由多种成分组成的动态液体。尿液中的DNA可大致分为高分子量组（大小≥1kb，源自免疫细胞和生殖道或尿道远端脱落的细胞的细胞碎片）和低分子量组（10-250bp，源自经肾排泄的小片段）两类。5,6 尿液ctDNA由于肾小球过滤和DNA降解增加，尿液ctDNA片段通常较短，中位片段大小为101bp，而血液ctDNA中位片段大小约为133~160bp。
全排尿中含有高分子量DNA和低分子量DNA，可以通过将尿液分成两部分来区分：尿沉渣和尿上清。尿上清富含低分子量DNA（cfDNA），而尿沉渣富含高分子量DNA（细胞碎片DNA）。肿瘤信号来源可能来源于低分子量DNA和高分子量DNA，膀胱癌、宫颈癌和子宫内膜癌的所有尿液成分中癌症相关基因的甲基化水平均有所增加。7
▲ 尿液液体活检用于癌症筛查
检测癌症时，尿液组分的选择可能因肿瘤位置而异。尿沉渣适用于膀胱癌和宫颈癌等检测，因含脱落癌细胞较多。尿上清则更适用于大肠癌等检测。此外，ctDNA通常会被大量排空尿和非肿瘤cfDNA进一步稀释，因此ctDNA含量较低，需要从提取到检测整个流程进行优化分析。
03
尿液癌症早筛
尿液液体活检是一种有潜力的癌症早筛方法。常分析的生物标志物包括：（1）甲基化和突变、拷贝数变异；（2）片段化；（3）循环RNA；（4）循环蛋白；（5）循环代谢物；（6）循环肿瘤细胞等。
（1）甲基化和突变、拷贝数变异：异常甲基化模式是可以驱动癌症发生。整体低甲基化导致基因组不稳定，而基因启动子的局部高甲基化可导致肿瘤抑癌基因沉默，DNA甲基化在癌症早期阶段就可以被观察到，因此现在已成为肿瘤早筛的常规标志物。此外，遗传和表观遗传标记的同时分析可以增加癌症检测方法的灵敏度，如甲基化和突变、拷贝数变异结合分析，如MethylSaferSeqS早筛方法。8
（2）片段化：在血液和尿液中，ctDNA主要以与组蛋白结合的状态存在，因为裸露的DNA会被DNA核酸酶快速降解。断裂ctDNA的结构特性，如片段大小分布或片段末端序列，是非随机的，与癌症有关。既往研究显示，使用传统的短读长测序发现癌症患者的短片段化较丰富，比如DELFI早筛方法。9
（3）循环RNA：cfRNA是另一种有前景的早筛标志物，它包括mRNA，microRNA，长链非编码RNA和环状RNA等几种类型。在外泌体中，RNA通常是很稳定的。既往研究显示，microRNA和mRNA、长链非编码RNA及环状RNA表达谱均有针对泌尿系统癌症检测的报道，但对于非泌尿系统癌症类型的研究仍然有限。10,11
（4）循环蛋白：蛋白质生物标志物与核酸特征的结合也可以通过利用它们的互补性来提高检测灵敏度，比如CancerSEEK早筛方法。12 尿液蛋白质组被认为比血液蛋白质组更简单，这是由于肾小球对大多数蛋白质的重吸收。尿蛋白生物标志物已被用于检测不同类型的癌症，包括子宫内膜癌、肺癌和卵巢癌等。一个潜在的缺点就是尿液中蛋白质浓度的动态性，这跟ctDNA遇到的挑战类似。
（5）循环代谢物：代谢产物的变化反映了细胞代谢的重新编程，这是癌症的核心标志。糖胺聚糖（GAGs）参与了癌症的发展，是一类很有前途的肿瘤代谢生物标志物。糖胺聚糖的分析可能会增加现有基于cfDNA的癌症检测方法的敏感性。对血浆和尿液中的糖胺聚糖谱进行准确定量对于检测多种癌症类型（甚至是I期癌症）以及释放微量ctDNA的癌症类型（如肾癌）似乎很有价值。既往研究显示，对580份尿液样本研究分析，使用GAG谱检测I期和低级别癌症的特异性为62%，预定义灵敏度为95%。13
（6）循环肿瘤细胞：尿液细胞学提供了一种便捷的方法来检测癌症类型，这些癌症类型已知会使癌细胞脱落到下生殖道，如膀胱癌或子宫内膜癌。14
04
最新研究进展
2024年3月22日， 密歇根大学研究者发表的一项研究标明，检测尿液中的ctDNA（ 约50bp，从血液中通过肾脏流入尿液，尿液ctDNA片段尺寸较小，在检测ctDNA时使用传统尿液或血液液体活检检测方法可能会漏掉这些片段 ）可以为头颈部肿瘤提供早期可靠的筛查 ，同时，有望实现对多种非泌尿系统癌症类型的非侵入性癌症筛查。15 此外，研究者指出，相较于血液检测，尿液检测的自我采集便利性，对治疗后需随访的患者而言，可能具有更高的依从性。
▲ 尿液ctDNA检测用于头颈部肿瘤早筛
综合而言，尿液在癌症筛查中展现出显著的诊断潜力。然而，转化为临床实践前仍需克服诸多挑战，如尿液中的低水平ctDNA、寻找癌症及类型特异性生物标志物，并验证其在不同人群中的分布。这些难题可通过技术进步来解决，如增强尿液生物标志物检测的方法。这些方法的持续发展为癌症检测提供了有效且友好的途径，有望在未来的临床实践中广泛应用。
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