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无创肿瘤诊断——液态活检技术-ctc,ctDNA,外泌体

2016/8/4 2:43:45      点击:

无创肿瘤诊断——液态活检技术-ctc,ctDNA,外泌体


液态活检通过非侵入性的取样方式获得肿瘤信息,辅助癌症治疗,是“精准医疗”代表性的诊断技术。作为传统活检的替代技术,以及癌症早期筛查的新技术,液体活检正进入发展的黄金时期,政策利好与技术突破,未来即将打开千亿市场空间。

 

 

CTCctDNA和外泌体优势互补

 

CTC是实体瘤释放到外周血中的循环肿瘤细胞,ctDNA是肿瘤细胞释放到外周血中的DNA,外泌体是肿瘤细胞分泌到外周血中的小囊泡。 

 

液态活检应用广泛,未来市场空间巨大

 

JP摩根和高盛预测“液态活检在全球及美国的市场潜力将分别达到230亿美元和140亿美元,但是这一市场需要5-15年才能完全成熟。”我们预测,患癌后的伴随诊断市场是刚性需求,技术瓶颈相对较低,预计最先成熟。癌症早期筛查技术难度相对较大,而且目前市场接受度低,预计成熟比较晚。我们预计液态活检技术成熟后,中国癌症早期筛查市场约518亿元,癌症的伴随诊断市场约为375亿元。

 

科研突破和成本下降是液态活检的催化剂

 

癌症早期ctDNA含量低,目前主要的技术瓶颈在于目的基因的靶向富集和准确的超高深度测序。未来富集技术的突破将是液态活检在癌症早期筛查市场的催化剂。在癌症的治疗市场,检测技术相对成熟,目前价格较高,限制了产品在市场的推广。未来技术升级降低成本将是液态活检在癌症治疗市场的催化剂。

  

传统的肿瘤检测方式存在许多局限:例如组织活检,需要患者进行手术从肿瘤上取样切片,这给患者带来很大痛苦,并且不能频繁进行。而且传统活检往往只能对单一器官进行检测,局限性也非常大,不适合在常规体检时使用。更严重的是,从肿瘤上切片提取组织会对肿瘤进一步刺激,容易激发癌细胞的快速增长。

 

液态活检一方面可以大幅缩短癌症确认时间,在癌症早期就能够进行确认。另一方面,液态活检可以对癌症患者的治疗情况进行随时跟踪,真正实现“个性化精准治疗”。举例来说,化疗是治疗恶性肿瘤最重要的手段之一,然而肿瘤细胞对化疗药物产生耐药常常最终导致化疗失败。这种“获得性耐药”往往发生在用药一段时间后,肿瘤细胞会不断发生新的基因突变,有些突变使得它们对于化疗药物不再敏感,药物的作用明显下降。但肿瘤液态活检技术可以监测治疗方案在癌细胞产生耐药性之后的效果,一旦发现,就能及时进行调整。这种低风险性和高时效性大大降低了医生的诊治和用药难度,从而能让患者得到及时有效的准确救治。

 

  

目前有关体外活检的研究主要集中在早期筛查、辅助肿瘤分期、预后评估、精准用药(个体化治疗),耐药监测、复发和转移预警等方面。

 

肿瘤早期筛查

 

在癌症早期,肿瘤会释放CTC或者ctDNA进入血液中,通过检测这些标志物的变化,能够在早期检测肿瘤。2007ASCOCTCs纳入了肿瘤标志物。2016ASCO中报道的临床结果表明,ctDNA检测的准确率超过80%

 

 

辅助肿瘤的分期分级

 

血液系统是肿瘤转移的重要途径,如果将外周血CTC计数和染色作为临床分期的一个参考条件,可增进对肿瘤分期的理解,有利于医生制定肿瘤治疗方案。另一方面,在癌症的突变的不同阶段,CTC的含量和ctDNA的突变情况都可能会不同,这有助于医生判断病人的肿瘤进展。例如:2013年发表在在Science的一篇论文就证实了用7中表皮生长因子(E)包括(KRT5,7,8,18,19;EpCAMCDH1)和3种间充质细胞因子(FN1,CDH2,SERPINE1/PAI1)来对肿瘤的进展进行分期分级。从图中我们可以明显的看到不同时期,肿瘤的不同染色状况(MinYetal.science2013;339:580-4)。

 

预后评估

 

目前,已在多种肿瘤中发现CTC数目与预后密切相关。癌症患者接受治疗后,如果治疗效果好,CTC数量将会相应减少;效果不好,CTC数量变化很小。通过血液中CTC的含量变化可以直接判断治疗效果,帮助了解病人的耐药和疾病进展,制定相应的治疗方案。另外,ctDNA的含量变化也与预后直接相关。

 

精准用药(个体化治疗)

 

相同癌症具有的不同突变可能对不同的药物产生耐受,FDA目前已经批准了大量基于肿瘤基因型突变的癌症个性化用药指导方针。传统上对于肿瘤基因突变是利用肿瘤组织活检或手术取得的组织标本进行检测。目前的研究表明,ctDNA中的突变与肿瘤组织的突变具有很高的相似性,对血液中ctDNA的分析可以帮助医生判断病人肿瘤的突变类型,制定用药方针。

 

 

耐药监控

 

肿瘤患者在经过一段时间的化疗治疗后,相当比例的病人会出现化疗耐药,过去只能在化疗的随诊时才能回顾性评价。但传统组织活检只能在特定时间点检测,而且可能只对肿瘤组织的局部区域进行检测,不能反应肿瘤的动态变化。近年来,越来越多的研究表明,通过检测患者外周血内ctDNA突变类型的变化,来实时监测肿瘤药物耐药是一种非常有效的方法。

 

肿瘤转移复发的早期预警

 

肿瘤转移和复发是肿瘤致死的主要原因,对于多数肿瘤,若能早期检测到转移复发,患者还有很大的治疗机会。但传统影像学检测目前不能对肿瘤转移和复发早期预警。癌症复发早期,血液中CTC会增加,ctDNA也会增加。

 

1.2.科学研究助力液态活检技术突破

  


我们在Pubmed上以“circulatingtumorcells”,“exsome”和“circulatingtumorDNA”为关键词,对应发表论文如上图所示。从科学研究的角度看,CTCctDNA的研究在近年来都呈现爆发式增长。其中,CTC1869年就有相关报道,CTC的研究在2008年开始呈现高速增长,其检测技术已经相对成熟。ctDNA2012年才开始高速增长,早期筛查的检测技术相对而言并不成熟,市场上检测手段和检测靶点层出不穷,有待未来更深入的研究。外泌体一词最早出现在1981年(Biochim.Biophys.Acta.645,63-70,1981),但是直到2007年发现外泌体可作为细胞间基因交流的机制(包括mRNAmiRNA)(Nat.CellBiol.9,654659,2007),才重新激发了人们对外泌体领域的兴趣。直到2008年外泌体的研究才开始出现爆发式增长。并且在初期就呈现出爆发增长的态势,在2015年其论文发表数量就超过2000篇,可见其在科研领域受重视程度很高。目前国内的企业在液态活检领域主要集中在CTCctDNA,外泌体还鲜有涉及,国外也仅有三家公司涉及外泌体。目前对于这三种检测对象都有对应的技术手段,且各有优劣,我们将在后面进行详细介绍。

 

1.3.千亿液态活检市场即将开启

 

1.3.1.国际和美国液态活检市场规模预测

 

 

JP摩根将液体活检分为早期筛查、诊断分型、药物伴随检测、患者病情检测4个细分领域,预计全球市场潜力为230亿美元;高盛也将液体活检应用分为4个领域,预计其在美国的市场潜力可达到140亿美元,并预测该市场需要5-15年才能完全成熟。液态活检领域的专家卢煜明也表示“癌症液体活检未来市场约400亿美元。根据公开资料上不同机构的预测,我们可以看到,未来液态活检将有百亿美元的市场空间,其中肿瘤的早期筛查占比最大。”

 

1.3.2.中国液态活检市场份额预测(按癌症类型)

 

 

根据国际知名学术期刊《临床医师癌症杂志》(CA)发表的来自国家肿瘤登记中心的《2015年中国癌症统计》数据及分析来看,2015年中国新发癌症数量约为429.2万人,高发的五种癌症中肺癌73.3万人,食道癌47.8万人,胃癌67.9万人,结直肠癌37.6万人,肝癌46.6万人。每年癌症的死亡人数约为281.4万人,死亡人数多的五种癌症中,肺癌61万人,食道癌37.5万人,胃癌49.8万人,结直肠癌19.1万人,肝癌42.2万人。

 

我们假设癌症每年的存活率为:(该类癌症五年存活率)1/5。那么,癌症患者的存量=新发病例*[1+(该类癌症五年存活率)1/5+(该类癌症五年存活率)2/5+(该类癌症五年存活率)3/5+(该类癌症五年存活率)4/5+(该类癌症五年存活率)]。假设治疗的渗透率为20%,每次治疗的价格为3000元(目前CellSearch在市场上的检测价格约为4000元每次,预计随着竞争激烈价格会下降),每年检查4次。市场份额=癌症患者的存量*渗透率*每次治疗的价格*检测频率。由于液态活检的批准和临床实验是根据癌症种类来来进行的,因此我们分析国内5种发病率和死亡率较高的癌症的市场份额。根据我们的判断,未来癌症的病情监测,诊断分型,个性化用药等患癌后的治疗市场约375亿。其中胃癌五年存活率大,未来癌症治疗市场可能最大。

 

 

不同的癌症的发病时间和发病年龄段具有很大的差异,在早期发现癌症有助于癌症的治疗,提高生存率。不同的癌症发生的时间段不一样,建议开始进行筛查的时间会有差异。对于男性而言,胃癌和肝癌是高发的癌症,60-75岁的区间发病率最高,肝癌发病率和死亡率都很高,发病高峰在45-59岁的区间,其他癌症发病高峰也在60-75岁的区间。对于女性而言,乳腺癌和头颈癌的发病比较早,发病高峰在45-59岁;其他癌症的发病高峰均在60-74岁。

 

 

我们建议进行癌症筛查的年龄设定在发病高峰5年前,在这个年龄段的所有人都有进行癌症筛查的可能。不同年龄的人口数据来自国家统计局第六次人口普查统计数据。目标市场份额=目的人群数量*渗透率*筛查费用*检测频率。由于癌症筛查目前还不可能像普通体检那么高的普及率,主要是针对癌症高发人群,我们假设所有癌症加和的渗透率为10%。其他癌症早期筛查的渗透率与该癌症的发病率成正比,不同癌症渗透率不同。由于癌症早期筛查难度大,成本相对较高,我们假设未来价格约为4000元。通过分析,我们预测,未来癌症筛查的早期筛查市场规模约在518亿元,其中男性中肝癌,胃癌和肺癌未来市场空间比较大。对于女性癌症而言,乳腺癌由于发病年龄早,发病率高,是未来癌症早期筛查市场空间最大的一种癌症。未来,随着ctDNA检测中GenePanel的发展,有望一次筛查多种癌症,有助于液态活检的市场推广。

 

结合目前液态活检发展的势头来看,虽然液态活检在癌症治疗市场份额相对较小,但是对于肿瘤患者而言是“刚需”。预计未来2-5年内,这部分市场会率先发展起来。肿瘤早期筛查市场虽然空间大,但是目前技术尚未达到早期筛查的要求,而且价格也高,客户接受程度低,推广难。技术突破和成本降低是肿瘤早期筛查市场的催化剂。

 

1.4.液态活检进入临床试验阶段,相关产品即将爆发

 

 

 

  

 


 
从全球液态活检的临床进展来看,
CTC目前共有530例临床实验(不计算失败的和注册但未开始的),ctDNA共有83个临床实验,外泌体相关的临床实验研究39个(信息来自于https://clinicaltrials.gov/)。比较而言,CTC研究更多,未来爆发更早。目前全球已有20CTC的四期临床实验,预计23年内会有更多CTC检测产品面世。ctDNA研究相对较少,主要的临床研究还在一期和二期,预计3-5年后才会逐渐由产品上市。Exsome由于研究起步晚,临床研究非常少,没有四期临床的实验。从临床研究的角度看,研发进度上CTC>ctDNA>Exosome,北美>西欧>东亚,未来北美和欧洲依然将是液态活检的最活跃的地区。

 

近年来国家对精准医疗的关注及扶持逐渐上升,癌症液体活检身处其中发展迅速。目前,有大量液态活检的LDTs(实验室自建的临床检验项目)正在进行,随着未来临床结果的公布,未来将有更多行业标准形成。我们预计,在未来2-3年将是CTC检测技术的爆发期,大量处于临床三期和四期的产品将进入市。ctDNA目前还不成熟,进入市场还需要时间,预计3-5年后会是ctDNA的爆发期。

 

 

 


从临床研究的情况来看,全球CTC临床研究以乳腺癌最多,ctDNA临床研究以非小细胞肺癌最多。预计未来全球液态活检最早会在非小细胞肺癌和乳腺癌上获得突破,然后向其他癌症类型发展。中国的临床研究中非小细胞肺癌占有很重要的比重,一方面,中国肺癌患者比较多;另一方面,非小细胞肺癌的研究比较清楚,几个关键的突变在精准医疗上已经有很好的研究基础,预计液态活检在国内最先有所突破的是非小细胞肺癌

 

1.5.国内外液态活检产品审批情况

  

美国市场方面,FDA目前仅批准了三款液态活检相关的产品,分别是杨森诊断公司(JanssenDiagnostics)的CellSearch(基于CTC检测),Epigenomics公司筛查大肠癌的EpiproColon技术(基于ctDND检测)和罗氏的cobasEGFR突变检测试剂盒v2

 

CellSearch

 

美国FDA2004年、2007年和2008年分别批准CellSearch系统用于转移性乳腺癌、结直肠癌与前列腺癌的预后评估、无进展生存期和总生存期的预测。我国CFDA2012年批准了CellSearch系统用于转移性乳腺癌的预后评估。虽然目前市场上的CTC检测仪器很多,但是这是唯一一款通过FDA认证的仪器。

 

EpiproColon试剂盒

 

20164月,美国FDA批准了Epigenomics公司以血液为基础筛查大肠癌的EpiproColon技术。在大肠癌病人中,基因Septin9V2区域的胞嘧啶会发生甲基化,而正常人中不发生甲基化。外周血中Septin9基因发生的甲基化可以通过DNA的特异扩增而被检测到。EpiproColonSeptin9基因甲基化检测试剂盒)能检测血液中Septin9基因V2区域发生甲基化的CpG岛中的bisDNA序列。临床数据显示EpiproColon可检出68%的病例和区别80%的健康者。这是目前FDA批准的第一款基于ctDNA进行肿瘤筛查的产品。

 

cobasEGFR突变检测试剂盒v2

 

这是一款以血液为基础的、用于抗癌药特罗凯(Tarceva,通用名:erlotinib,厄洛替尼)的伴随诊断试剂盒。采用cobasEGFRMutationTestv2对患者血液样本中存在的特定NSCLC突变(外显子19删除或外显子21[L858R]臵换突变,10-20%NSCLC病例存在这类突变)进行检测,将帮助鉴别患者可能从特罗凯(Tarceva)治疗中受益。这是FDA批准的首个以血液为基础、用于检测非小细胞肺癌(NSCLC)患者表皮生长因子受体(EGFR)基因突变的基因检测试剂盒。据统计,这类突变存在于10-20%NSCLC病例。

  

中国市场方面,CFDA目前除了批准了杨森诊断公司(JanssenDiagnostics)的CellSearch以外,国内仅有两个批准的产品。一个是格诺思博公司的叶酸受体阳性CTC检测试剂盒,另一个是友芝友公司的循环肿瘤细胞快速染色液。

 

CytoploRare

 

格诺思博公司的叶酸受体阳性CTC检测试剂盒检测的叶酸受体在许多上皮源性和非上皮源性恶性肿瘤细胞上表达。通过免疫磁珠负向筛选血液中稀有的肿瘤细胞,然后利用靶向荧光定量PCR检测富集后的肿瘤细胞。目前该产品主要用来检测腹部小结节与团块辅助诊断,肺癌术后复发检测和肺癌化疗疗效评估。

 

CTC染色试剂盒

 

友芝友公司通过CFDA认证的是其独特的CTC染色试剂盒,该试剂盒与公司自主研发的循环肿瘤细胞捕获仪(CTC-BiopsyⓇ)共同使用,来检测病人外周血中CTCs的存在以及数量多少,帮助临床医生评价肿瘤患者的病情进展,指导其及早制定进一步的诊疗措施,为患者提供最佳治疗方案。

 

从目前中国和美国液态活检的产品来看,液态活检总体来说还处在萌芽期,产品很少,市场尚未打开。主要的新产品都是在近年才公布,可以说未来还有很大的发展空间。那些已有获批产品的公司将有机会抢先占有市场,有利于未来的市场竞争。值得注意的是,FDA批准有助于产品的市场推广,但并不是产品进入市场的唯一方式,也不是判断产品优劣的唯一标准。目前中国和美国的检测市场实行“双通道”的准入形式,除了FDA批准的产品,获得CLIA(国内是CFDA和卫计委)的产品一样可以进入市场。

 

1.6.液态活检项目的“双通道”制

 

 

美国基因测序产业由医疗保险和医疗补助服务中心(CMS)、食品及药品管理局(FDA)和联邦贸易委员会(FTC)共同监管。CMS主要通过《临床实验室改进法案修正案》(CLIA)监管消费级和科研级应用,FDA负责临床级产品的审批,FTC负责监管其中错误和有误导性的产品宣传。美国有近80%的实验室通过了CLIA认证,意味着这些临床实验室试验结果的准确性、可靠性和时效性都将得到CLIA认可,从而为其承接更多临床试验项目铺平道路,也意味着CLIA实验室能够根据市场的现实需求,快速地开发实验室自建项目,并通过在临床上的应用给予可靠的临床指导。CLIA认证解决了基础研究和临床应用之间低效率转化甚至脱节的问题,对转化医学和研究成果转化有非常重要的意义。美国大部分液态活检公司都是走CLIA认证,而非FDA认证。中国也借鉴了这种方式来规范国内基因检测公司的竞争。

 

 

国内的基于基因检测的液态活检项目进入临床也实行双重监管,所有仪器设备,试剂归CFDA报批管理,临床实验归属卫计委管理。这与美国CLIA认证制度类似。即要求试点单位内部有严格的质量控制,并且相关工作人员需经培训合格上岗,则不受CFDA对仪器和试剂的注册限制。

 

根据CFDA20141月公布的《食品药品监管总局办公厅关于基因分析仪等三个产品分类界定的通知》,基因测序诊断产品(包括基于测序仪及相关诊断试剂和软件),符合医疗器械的定义,应作为医疗器械管理,其中测序反应通用试剂盒(测序法)划为I类医疗器械管理产品,基因测序仪作为III类医疗器械管理。

  

20153月,国家卫计委医政医管局公布首批肿瘤高通量基因测序临床应用试点单位名单,只有试点单位具有出具诊断报告的资质,企业仍然可以以科研的形式开展测序服务。其中包括4家第三方医学检验所华大、达安、博奥和湘雅。根据目前的国家政策,基于基因检测液态活检只有两种可能的业务模式:1、国家批准的临床应用试点单位(主要是第三方医学检验所)自己进行临床实验;2、不具有试点资格的企业通过与医院合作,获取医院将样品外包给企业或者企业产品投放到医疗机构。

 

20164月,国家发展和改革委员会下发了《关于第一批基因检测技术应用示范中心建设方案的复函》(发改办高技„2016‟534号),正式批复27个省市发改委关于基因检测技术应用示范中心的建设方案。这些单位太多,我们没有一一列举,但从审批进度上看,未来示范单位的审批已经逐渐放开。

 

目前国内有近百家以ctDNA为检测对象的液态活检公司和大量基于组织活检的基因检测公司。但是,具有临床试点资质的医院比较少,样本资源有限,是各大公司争抢的对象。我们认为,未来液态活检将会有一个大的整合阶段,那些能够占领渠道和临床资源的大公司将在竞争中处于优势地位,并且有望通过整合其他公司而发展壮大。

 

1.7.基因测序利好政策频出,液态活检迎来发展催化剂

 

 

20163月卫计委发布文件:对于未列入《医疗机构临床检验项目目录(2013年版)》,但意义明确、特异性和敏感性较好、价格效益合理的实验室自建临床检验项目(LDTs),应及时论证以满足临床需求。这对液态活检临床项目的进行起了很好的促进作用。随着临床基础研究的广度和深度的加强,国家对健康的重视程度变化,会有更多推动基因检测行业发展的政策推出。

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