在过去的50年里，癌症研究取得了显著的进展，并在许多概念和生化方面提供了对这种疾病的更深入的了解。从将肿瘤视为突变细胞的“简单”集合，到专注于检测导致肿瘤发生的关键细胞变化，对癌症的理解已经扩大到将其视为一个复杂的器官，通过肿瘤和非肿瘤细胞、代谢机制和免疫过程与周围和远处的环境相互作用。代谢和免疫系统与肿瘤发生和恶性肿瘤进展以及癌症特异性基因突变有关。然而，大多数为克服早期检测障碍而开发的技术都只关注遗传信息。癌症作为一种复杂器官的概念已经导致了对其他分析技术的研究，以寻求一种更敏感和更具成本效益的综合方法。此外，人工智能作为一种强大的工具，在肿瘤学领域获得了广泛的共识，它有可能彻底改变医生的癌症诊断。我们在此探讨了癌症作为一个与身体环境相互作用的复杂器官的概念的相关性，并着重于寻求早期诊断癌症的有前途的新兴技术，如液体活检。我们强调综合方法的重要性，以涵盖所有肿瘤和非肿瘤衍生的信息突出早期癌症检测。
在过去的50年里，随着新的分析技术和遗传知识的发展，癌症研究取得了突出的成就，为疾病的检测、治疗和监测提供了新的见解。尽管净生存率有所提高，但癌症仍是一个世界性负担，据预测，到2040年，癌症发病率将增加57%，死亡率将增加64%[1,2,3]。由于发病率不断上升，预计到2030年，癌症将超过心血管疾病成为主要死亡原因，美国每年死亡人数将超过64万人[4];这种转变在一定程度上也得益于心血管疾病预防措施和生存率的不断提高。
研究人员一直在开发适合早期癌症检测的技术，以提高被诊断患有癌症的患者的存活率。早期发现可以提高手术切除和其他治疗的效果，并减少晚期癌症诊断的心理和经济负担。开发具有成本效益、易于使用且比组织活检侵入性小的技术，对于在癌前或疾病的初始阶段检测肿瘤至关重要。
在过去的二十年中，导致肿瘤发生的生化机制一直是众多研究的焦点，以进一步了解恶性细胞生长和增殖过程中的代谢过程和免疫系统的参与[5,6,7,8,9]。通过DNA(即脱氧核糖核酸)测序等先进技术，基因检测作为检测突变和癌症生物标志物的工具已引起人们的兴趣，但鉴于基因检测本身的局限性，最近在其他分析领域进行了广泛的研究，以寻求更敏感和更具成本效益的“泛基因组”方法[10]。
人工智能(AI)可以发现以前人类操作员或传统统计方法无法检测到的信号，并且现在可以支持将几种分析结果与已知风险因素(例如年龄)和其他临床相关信息(例如症状学)相结合，以提高测试分类性能，从而提高疾病预测[11,12,13,14,15]。随着诊断准确性的提高和对癌症检测关键生物标志物的更多了解，人工智能可以为更有效的决策过程铺平道路，从而简化患者的紧急转诊(例如成像)或常规随访[16]。
在这篇综述文章中，我们讨论了肿瘤作为与所有身体环境相互作用的复杂器官的概念，以及Hanahan, Pavlova等人[5,6,7,8,9,17]广泛讨论的肿瘤发生和癌症进展的当前生化范式，为读者提供肿瘤形成过程中发生的生化事件的一般知识。随后，我们介绍了泛基因组技术的重要性，以涵盖肿瘤微环境(TME)的复杂性及其与人体的相互作用。我们还强调液体活检技术的好处，包括早期癌症检测所需的所有肿瘤和非肿瘤来源的信息。最后，我们讨论了联合检测的概念，包括目前开发的技术，作为联合早期检测液体活检的潜在策略。
癌症是一个复杂的器官[18]。肿瘤是多种细胞类型的集合体，通过其微环境与整个生物体相互作用。考虑到与肿瘤发生相关的遗传变化的复杂性，长期以来人们一直认为癌症仅仅是一种遗传性疾病[19]。尽管如此，肿瘤表现为一个更为复杂的系统，包括各种非肿瘤来源的细胞，而不仅仅是基因改变的肿瘤细胞[18]。肿瘤发生的某些特征类似于器官发育和组织重塑的过程;尤其是TME，它经历了有利于细胞生长和增殖的环境变化[20]。能够利用癌细胞与整个身体之间复杂相互作用的所有特征的技术，包括局部和系统的突变、代谢和免疫反应，可能是实现癌症早期检测的关键。
为了更好地理解与肿瘤形成(即肿瘤发生)有关的因素，必须检查“癌症的标志”;这些可以被定义为那些共同形成一个有组织的框架的原则，这些框架具有重要的特征，可以在遗传和代谢水平上描述促进肿瘤形成的机制和过程[6,9]。尽管如此，免疫系统在癌症形成中的相互作用被认为是一个“新兴的标志”，在促进炎症状态中起着重要作用，炎症状态可能鼓励，但也可能抑制肿瘤的形成[6,21]。在TME周围的人体中发生的机制仍未完全了解，这为寻求早期发现和成功治疗提出了许多挑战[22,23,24]。
Hanahan和Weinberg在2000年首次提出了癌症的六个标志，并在2011年增加了两个新出现的标志[5,6]。2022年，Hanahan证实了这八个特征，并提出了另外两个新出现的特征，如下文所述[7]。图1简要地包含了癌症的所有10个特征(8个已确认，另外2个建议)。
图1
根据Hanahan和Weinberg[5,6,7]，癌症的特征。八个内圈代表已确认的标志，而两个外圈则代表新出现的标志
维持chroNic细胞增殖
癌症的基本特征是肿瘤细胞持续的慢性增殖。激活信号通常由生长因子配体结合细胞表面受体，通过细胞内信号通路传递，调节细胞周期和细胞的发育、生存和代谢。尽管这些信号在正常组织和肿瘤组织中都具有复杂的性质，但TME中增殖性信号的机制已经被深入研究和理解[6];癌细胞可以自行产生生长因子配体或刺激正常细胞接受生长因子供应[25,26,27,28]。
重新编程细胞tabolism
能量代谢的调节是维持不受控制的肿瘤细胞增殖所必需的，因为细胞需要能量来进行生长和分裂周期。正常细胞在有氧条件下进行糖酵解以产生高产量的三磷酸腺苷(ATP);即代谢能);在厌氧条件下，糖酵解仍然可以发生，但能量产量较低。肿瘤细胞系统地使用厌氧糖酵解，导致持续增加的葡萄糖摄取来补偿减少的ATP产生;癌细胞代谢的这一特点被称为“Warburg效应”[6,29]。其他肿瘤细胞使用乳酸(即厌氧糖酵解的副产物)作为其主要能量来源，创造了一个功能完美的共生系统[30]。除了葡萄糖和乳酸，氨基酸最近也被认为是癌症发展的重要机会性燃料来源;谷氨酰胺和支链氨基酸(BCAA)特别有助于支持酸柠檬酸循环(或三羧酸，TCA，循环)[31]。
逃避细胞生长抑制
肿瘤抑制基因通常编码视网膜母细胞瘤相关蛋白(retinoblastoma-associated protein, RB)和肿瘤蛋白53 (Tumor protein 53, TP53)，它们既控制细胞增殖，也控制衰老(即休眠状态)和凋亡(即细胞死亡)的激活[6]。RB是细胞周期的看门人，该蛋白的缺陷可导致持续增殖[32]。以同样的方式，当应激/异常传感器发出基因组损伤水平升高的信号时，TP53通过停止细胞周期进程来帮助调节回路;缺乏它可以使癌细胞在其生长过程中继续发展[6]。此外，抗增殖转化生长因子β (TGF-β)通路的破坏有助于细胞生长，并且被认为是高级别恶性肿瘤相关细胞特征发展的关键[6,33]。
避免细胞死亡
当损伤太大时，基因组损伤会停止细胞周期来修复改变的序列或发送激活细胞死亡的信号。一些癌细胞可以抵抗这种自然屏障，避免细胞凋亡的程序性死亡。然而，并非所有细胞都对凋亡免疫;由于肿瘤发生和/或抗癌治疗引起的生理应激，许多癌细胞仍然经历细胞死亡[6]。细胞色素c、Bax和Bak是Bcl-2家族中负责平衡促凋亡和抗凋亡信号的调节蛋白;对这些蛋白转录的破坏将导致细胞调节过程的不平衡[34]。基因组应激/损伤也会引发自噬和坏死[35,36,37]。
抵抗免疫破坏
并不是所有的免疫细胞都是促瘤细胞，大多数免疫系统细胞都倾向于保护身体免受病原体的侵害，癌细胞通常被视为其中之一，激活免疫级联反应[6]。癌细胞主动避免免疫系统消除的能力最初是作为一个新兴的标志被引入的，Hanahan已经证实了这一能力，并且已经进行了大量的实验来研究这一标志[6,7]。通过比较免疫功能低下的受试者和移植携带者，研究了免疫系统在对抗癌症形成和增殖中的重要性，显示了在弱免疫原性环境中癌症如何更容易形成[38,39,40]。
获得复制永生
癌细胞获得复制不朽的能力可以被描述为经历足够数量的连续生长和分裂细胞周期以产生宏观肿瘤的能力[6]。端粒是在染色体末端发现的特定dna -蛋白质结构，保护其基因组序列免受各种负复制事件的影响，对这一标志至关重要[41]。它们的长度决定了细胞可以维持的生长和分裂周期的数量，因此，通过将端粒DNA保持在足够长度的变异细胞可以实现复制不朽，从而避免衰老/凋亡触发[6]。
诱导血管生成
在肿瘤生长过程中，新血管从现有血管中萌发(即血管生成)以促进肿瘤扩张，构成了一个既定的“血管生成开关”，似乎只有在肿瘤发生过程中才被激活和维持[42]。有多种因素被认为是促进血管生成和促进血管生成开关的激活。众所周知的血管生成诱导因子是血管内皮生长因子-A (VEGF-A)基因，该基因编码有利于新血管生长的配体，在个体发展和健康维持的几个阶段，从有利于胚胎发育到对抗成人病理情况[6]。癌基因信号可上调VEGF基因表达[43]。
允许入侵和我tastasis
一旦原发肿瘤形成，就会发生侵袭转移的多步骤过程，如图2所示。导致肿瘤细胞侵袭、转移形成和定植的过程是复杂的，因此关于它们的功能和重要性存在许多假设[6]。研究表明，一些癌症可以在疾病的早期阶段转移;微转移瘤具有非侵袭性，可以从肿瘤中扩散，其血液/淋巴系统对癌细胞的保留能力较差，因此更容易侵袭实质[44,45]。
图2
“侵袭-转移”级联[5,6,7,46,47]
Additio新出现的标志:解锁细胞表型可塑性
表型可塑性是指细胞根据环境的冲动改变其行为反应的能力。细胞的可塑性通常是良好构建的，细胞遵循一条从起源细胞到终末分化细胞的预先路径，在这条路径中，细胞为了实现特定的功能而发生变化。癌症状态解锁这种表型可塑性的能力导致细胞分化失控，从而逃避预定的分化[7,48]。分化途径的改变存在于各种类型的癌症中，包括原发性肿瘤的形成、恶性肿瘤的发展，以及在某些情况下对治疗的反应[7]。
Additio新出现的标志:利用衰老细胞
Hanahan和Weinberg描述了衰老与癌细胞逃离衰老阶段并实现复制不朽的能力有关[6]。衰老相关分泌表型(SASP)成分包括多种酶和蛋白质中的生长因子和促炎因子，如细胞因子[49]。SASP负责衰老细胞分泌更高水平的生长促进因子，这些因子通过传递其他重要标志来触发肿瘤的形成;如持续增殖，逃避细胞死亡，有利于血管生成和转移[7,50,51]。
使特征
为了使癌细胞获得上述所有10个特征(8个已确认，另外2个提出)，Weinberg和Hanahan还提出了4个使能特征:基因组突变、非突变表观遗传重编程、促肿瘤炎症和多态微生物组(图3)[5,6,7]。
图3
根据Hanahan和Weinberg[5,6,7]，癌症的使能特征
肿瘤细胞可能发生一定程度的基因组突变[6];从预测癌症易感性到评估活动性恶性肿瘤的最佳治疗模式，许多基因技术都涉及DNA测序，并基于个体基因组突变来评估它们对人体的影响。然而，癌细胞可以进化，因为纯表观遗传调控的基因表达变化，不涉及突变，因此“非突变表观遗传重编程”可能有助于癌症的发生和进展，目前正在评估各种基因测试，如DNA甲基化分析或RNA(即核糖核酸)测序[7,52]。
炎症状态对促进肿瘤进展也至关重要。尽管免疫系统一直被认为是人体的一种保护工具，但研究已经证明炎症如何为TME提供生物活性分子，这对癌症的进展至关重要[6,37,53]。微生物组的作用与炎症有着重要的联系。多态微生物群——包括肠道、肺部、口腔、阴道/子宫颈和皮肤的微生物群——都已知会影响肿瘤生长、免疫逃避能力、基因组不稳定性和治疗耐药性[7]。肠道微生物群对人类健康极其重要，并已被证明影响结肠癌的发病率和发病机制[54]。
重编程能量代谢对于癌细胞获得生长和增殖所需的所有营养至关重要。癌细胞为了保持持续活跃和持续的增殖活动，对营养物质的需求更高，因此它们的代谢需要改变和适应，以维持TME营养供应的局限性[9]。随着癌症的特征，Pavlova和Thompson在2016年回顾了癌症代谢的主要新特征，最近由Pavlova等人在2022年丰富了这些特征[8,9]。
癌症代谢的特征可分为三大类。首先，在一个可以被定义为“癌基因导向的营养摄取”的生理过程中，代谢改变以接受更多的营养;然后，细胞内代谢重新编程以适应新的能量产生;最后，代谢物导向的细胞行为改变会对身体功能产生总体影响(图4)[8,9]。
图4
根据Pavlova等人的研究，癌症代谢的特征[8,9]
免疫系统与癌症的发展和新陈代谢密切相关。它在形成和塑造肿瘤细胞免疫特性中的作用现已得到证实[55]。免疫系统既能保护机体免受恶性肿瘤的侵袭，又能通过炎症促进肿瘤进展，这一双重特性被定义为“癌症免疫编辑”[56]。免疫编辑包括三个主要阶段。首先是消除阶段(I)，此时免疫细胞成功地摧毁了发展中的肿瘤，以保证患者的“无癌”状态;然而，缺乏对这些突变的未来癌细胞的破坏是平衡阶段(II)的强启动子，然后利用免疫系统维持癌细胞处于休眠状态。尽管如此，由于免疫系统的极大激活，在这一阶段可能会出现其他突变，从而促进新的癌细胞变异。最后，只有当癌细胞不能再被免疫系统阻断时，它们才会进入逃逸期(III);它们也能够在TME中诱导免疫抑制状态[57]。
炎症是与癌症免疫交织在一起的关键过程。体内细胞内的炎症水平对于决定免疫系统是保护宿主还是主动发展癌症至关重要。当检测到威胁而激活免疫级联和正反馈时，原始免疫系统信号被放大:局部检测到的肿瘤细胞可引起免疫细胞群和信号分子的系统性增加[58]。急性炎症，也称为“先天免疫”，通常是对外部和内部危险因素(如病原体和肿瘤突变)产生保护性免疫反应之前的自然步骤。另一方面，长期的炎症——定义为“慢性”——诱导突变应激，有利于癌症的发生，有利于癌症的细胞增殖，以及有利于组织侵袭的血管生成[57,58,59]。两侧炎症控制肿瘤的发生和TME，对抗和促进肿瘤的形成。
关于癌症研究界如何利用肿瘤发生前免疫系统的变化来检测癌前状态，并追踪炎症状态的进展，以了解哪些重要的生物标志物在癌症的早期阶段被释放，仍有许多未解之谜。例如，已经有研究正在研究将晚期腺瘤作为结直肠癌的癌前状态进行检测[60,61]，这可能受益于纳入与免疫反应相关的信号，而不是仅仅针对单个生物标志物。
这篇关于肿瘤发生的广泛总结描述了这一复杂的机制，从导致恶性肿瘤的癌前状态的发展到早期发展的癌细胞进入侵袭和转移阶段。目前已上市的技术搜索具有恶性肿瘤特征的特定生物标志物;然而，考虑到在肿瘤发展的每个不同阶段发生的过多机制，认为针对单个标记物设计的测试可以单独包含足够的信息来提供可靠的检测是不切实际的。癌症是一种异质性疾病，不仅在受累器官的多样性(如脑、乳腺、胃等)上表现出差异，而且在同一器官内(如脑:胶质母细胞瘤、少突胶质细胞瘤、星形细胞瘤等)也表现出差异。同样，在肿瘤发生过程中，肿瘤的发展有多种途径，使得标记以不同的顺序和重要性呈现。此外，患者的异质性在癌症的形成和进展中发挥着自己的作用，突出了如何专注于精确的生物标志物类别限制了早期发现的机会。检测泛基因组信号和探索“肿瘤作为器官”概念的技术，可能会在癌症发展之前和期间捕获大多数存在的异质性(即肿瘤来源和非肿瘤来源的信息)，并最终实现早期检测。
摘要
介绍
肿瘤形成
一种“泛经济”方法
新技术的出现
结论
数据可用性
缩写
参考文献
致谢
作者信息
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自2003年人类基因组计划完成以来，整个人类基因组(20,000-25,000个基因)的测序[62]已经开发了各种技术来了解基因突变，包括可能导致癌症的突变。在过去的几十年里，循环肿瘤细胞(CTCs)、循环肿瘤DNA (ctDNA)、游离细胞DNA (cfDNA)、DNA甲基化、外泌体和RNA都因其在癌症检测中的潜在用途而成为人们关注的中心[63]。
尽管越来越多的人认为癌症并不局限于突变的细胞，而是一个与所有身体环境相互作用的复杂系统，但目前基于ctdna的诊断方法在检测较大肿瘤方面显示出了良好的敏感性和特异性;DNA甲基化——如Klein等人所示——是一种基因特征，已被用于区分不同类型的癌症[64]。
基于ctdna的技术也存在缺陷。对于DNA甲基化，鉴定样本ctDNA中包含的所有信息丰富的甲基化CpG片段(覆盖了基因组的很大一部分)仍然是一项艰巨的挑战[65,66,67]。此外，许多直径小于10-15mm的肿瘤病变具有突变等位基因分数(MAF;即非肿瘤来源DNA中肿瘤来源DNA的比例仅为0.01%;0.01%的值使得使用有限的10mL血液检测癌症成为一项艰巨的任务[68]。此外，由于其他非癌症体细胞突变或衰老导致的身体退化，健康个体的cfDNA中ctDNA的可变水平仍然很低;如果这些累积起来，它们可能导致假阳性[68,69,70]。最终，ct/cfDNA甲基化与检测预后不良的更具侵袭性的癌症有关，增加了使用该特征的诊断测试的预后意义，但对该方法检测的癌症的可治愈性提出了质疑[71]。
目前的ct/cfDNA测试试图通过调整算法来克服这些限制，使其具有非常高的特异性(例如，固定的1%假阳性率)[64]，但假阴性仍然是一个问题;低敏感性是很常见的，特别是在早期肿瘤中，只有少量的癌物质脱落(或根本没有)[67,68,72,73,74]。因此，ctDNA中可检测到的信号可以忽略不计，相比之下，在更高级的阶段，材料的数量和更大的信号(图5a);物质的数量随着疾病的临床分期而变化很大[75]。此外，不同的癌症自然脱落不同数量的ctDNA(图5b)[76]。这导致在识别患有低或不存在可检测的遗传物质水平的癌症患者以及在临床阶段的不同反应方面缺乏可靠性[64,67,68,72,73,74,75,76]。
图5
(a)随着癌症检测的增加，在疾病晚期观察到较高的循环肿瘤等位基因比例。改编自[75]。(b)晚期恶性肿瘤中检测到ctDNA的患者比例。改编自[76]
当前基因技术的高昂成本对筛查/诊断阶段的测序翻译造成了额外的限制[68,69]。许多公司现在正在通过将临床信息结合到他们的方案中来评估多组学方法，例如自然风险因素(如年龄)，特定风险因素(如常见生物标志物;例如，前列腺特异性抗原，PSA，用于前列腺癌)，以及成像结果(例如，计算机断层扫描，CT;或磁共振成像(MRI)，以及与癌症相关的遗传生物标志物(例如，ctDNA;信使RNA, mRNA;等等)。
通过将癌症作为一个复杂的器官进行评估，并通过其微环境和免疫系统与整个身体相互作用，“泛组学”方法可以克服高度特异性基因检测和/或有限的生物标志物组合用于早期癌症检测的局限性。“组学”已经很好地建立了包括基因组学，转录组学，蛋白质组学，脂质组学，代谢组学和最近的表型组学。这些结构域中的每一个都可能包含与癌症特征相关的信号，以及前面的使能特征。
包含大多数与癌症发展有关的信息可以提供一个理想的测试，它仍然可以与临床风险因素结合，以及互补的检测方法，以快速跟踪癌症诊断的患者转诊。尽管光谱学由于无法量化精确的遗传/代谢信息而受到限制，但由于可以从血液中检测到广泛的光谱(表型)信息，包括TME性质、癌变过程中的变化以及相应的激活免疫反应，因此光谱学能够符合“泛组学”方法(图6)。
图6
红外光谱可以通过捕获包含在整个人体的几个元素中的表型信息来实现“泛基因组”方法，例如当前的组学;基因组学、转录组学、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学用它们的相关单位表示
红外(IR)光谱学具有可重复性、非破坏性、易于使用和比目前使用的许多医疗设备更便宜的特点。此外，由于该领域的技术进步，光谱学近年来由于血液检测的简单性和最小的侵入性而引起了生物医学应用的极大兴趣[77,78]。在过去十年中进行的许多概念验证研究已经成功地证明了临床光谱学对生物流体和组织标本的有效性[10,79,80]。此外，与大多数基于遗传学的方法不同，不需要从样品中分离和提取DNA，这在成本和时间上都是有益的(图7a)。
图7
(a)红外光谱学利用从生物流体分析中提取的独特光谱特征来区分患病患者和健康患者。(CRC，结直肠癌)。(b)肿瘤来源的生物标志物(如cf/ctDNA)在肿瘤发展的后期更为丰富;而非肿瘤来源的信息(例如，来自免疫系统的信号)在早期阶段更相关，对早期检测更重要。(cf. cell free;Ct，循环肿瘤;脱氧核糖核酸
当红外光与生物样品相互作用时，分子键在不同的波长上振动，这取决于组成样品中分子的原子及其相关键的类型。在辐射-样品相互作用后，光被引导到探测器，探测器以独特光谱的形式收集样品的特征;然后可以使用机器学习算法检测癌症患者和非癌症患者之间的差异(图7a)。
血液沐浴着身体的每个器官和细胞，并提供了跨越整个生物标志物类别范围的正在进行的细胞和细胞外事件的独特信息来源。红外光谱提供了该信息的全范围读数，包含肿瘤来源和非肿瘤来源的信号，并包括对肿瘤的身体免疫反应，涵盖了癌症的全部复杂性和异质性。非肿瘤来源的信号，如免疫反应，在肿瘤发生的早期阶段较高，此时肿瘤来源的信号较低且难以检测(例如，ct/cfDNA);医疗保健需要能够从非肿瘤来源的信号中捕获信息的检测技术，以实现早期检测(图7b)。
在检测癌症和非癌症样本之间的差异时，重点是两类患者血液中宏观化合物的变化。例如，酰胺峰的差异与蛋白质结构有关，蛋白质结构是产生氨基酸链和核苷酸合成的关键。此外，在这些低波数区域检测到的碳氧单键和双键是典型的碳水化合物结构，如葡萄糖及其衍生物等糖，在肿瘤发生的不同阶段经历了极端的定量变化，也考虑到其代谢意义。磷酸和脂质基团的变化也被检测到;磷酸盐的变化尤其重要，因为它们包含核苷酸和整体DNA的身体变化，其中可能包括肿瘤相关基因突变的特征。
红外光谱在临床环境中的应用仍然需要大规模的验证研究，以获得稳健和准确的诊断性能结果。当前光谱仪的紧凑设计代表了一个强大的功能，为非破坏性的实施进入临床环境。因此，光谱液体活检可以无缝地适用于各种疾病的诊断途径，因为它们只需要简单的抽血。
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1186/s13046-023-02786-y.pdf
