早期癌症检测是降低患者死亡率的一项有效策略。近年来，同时检测多种早期癌症，即多癌症早期检测（MCED），成为一个新兴的研究领域。MCED通常基于遗传学（例如检测血液中的ctDNA片段），通过单一检测改变诊断阶段来降低癌症死亡率。基于基因组生物标志物的液体活检能够拓宽MCED的应用范围，但存在检测I期癌症的敏感性较低（约为10%）、无法检测特定癌症类型等局限。

糖胺聚糖（GAG）是一类具有显著结构多样性的多糖，也是新陈代谢的重要组成部分。GAG的生物学功能包括调节细胞外基质、细胞增殖和代谢以及免疫监督。已有研究表明，在肾细胞癌（RCC）中，血浆和尿液中的游离GAG谱（GAGomes）从器官局限性到转移性疾病的任何阶段都具有明显改变，提示其可作为非侵入性癌症检测的一个生物标志物。

近日，瑞典查尔姆斯理工大学的科研人员在PNAS上发表了题为“Noninvasive detection of any-stage cancer using free Glycosaminoglycans”的文章。研究团队分析了不同癌症类型的GAGomes，并开发了一种高通量超高效液相色谱结合三重四极质谱（UHPLC-MS/MS）方法来检测游离GAGomes。该研究纳入了来自1,260名癌症或健康受试者的2,064份样本，证明了GAGomes作为14种癌症类型MCED的肿瘤代谢生物标志物的潜力，并开发了三种基于尿液和血浆GAGomes的机器学习模型，可以检测任意癌症。与新兴的基于DNA的MCED检测相比，该方法能更灵敏地检测出无症状健康人群中I期癌症患者。

文章发表于PNAS

研究团队首先进行了一项病例对照研究，共包括553名癌症患者和426名健康受试者，其中，34%的癌症患者被分类为I期。研究团队使用标准化UHPLC-MS/MS试剂盒检测了96%受试者的血浆和57%受试者尿液中的游离GAGome，并计算了GAGome特征。游离GAGome由硫酸软骨素（CS）、硫酸乙酰肝素（HS）和透明质酸（HA）的17个二糖亚基的浓度组成。最终，在39个特征中，发现了可检测的6个血浆和17个尿液GAGome特征。

研究团队将每个可检测GAGome特征与健康受试者的基线生理水平进行了比较（图1），发现了多种癌症中偏离生理水平的多个GAGome特征，例如尿液和血浆中非硫酸化CS（0S CS）的浓度几乎普遍增加。此外，研究团队还确定了多种癌症类型特异性GAGome特征，如结直肠癌（CRC）、弥漫性大B细胞淋巴瘤（NHL）中血浆CS电荷较低，前列腺癌（PCa）中尿液2S6S CS升高。

图1. 血浆和尿液GAGome特征的估计方法取决于癌症类型。来源：PNAS

在确认所有癌症类型中都具有与基线生理水平不同的通用GAGome特征后，研究团队尝试利用GAGome将癌症与健康受试者区分开。使用交叉验证预测变量选择开发了三个贝叶斯逻辑回归模型，定义了血浆、尿液和综合游离GAGome MCED评分，并对其AUC和临床有用性进行了评估（图2）。结果显示，通过评分能够将癌症与健康受试者区分开来，血浆AUC为0.83，尿液AUC为0.88、综合AUC为0.93。在95%的特异性下，血浆、尿液和综合游离GAGome MCED评分对任意癌症的敏感性分别为46.2%、66.8%和65.8%。

研究团队观察到每个评分在不同癌症类型中的敏感性相似。血浆评分最高的癌症类型是NHL、CRC和慢性淋巴细胞白血病（CLL），尿液或综合评分最高的是RCC和非小细胞肺癌（NSCLC）。上述结果表明，游离GAGomes与早期、晚期癌症的生理水平有显著差异，可用于MCED。

图2. GAGome MCED评分的制定。来源：PNAS

为评估癌症相关GAGome特征的改变是否与侵袭性肿瘤相关，研究团队将每个评分与总生存率（OS）相关联，并将患者依据其评分是否高或低于评分特异性临界值（95%特异性）分为“高”组和“低”组，所有三个评分都是独立的OS预测因子（图3）。生存分析表明，“低”风险（未检测到）患者的死亡风险比“高”风险（检测到）患者低39%-50%。

研究团队观察到I-III期/低级别亚组和IV期/高级别亚组的死亡风险较低，表明游离GAGomes与预后之间的相关性与分期无关。此外，敏感性分析显示，三个评分和OS之间存在显著相关性。上述结果表明，未被检测到游离GAGomeMCED评分的患者预后更好，与肿瘤分期和分级无关的癌症表型侵袭性更小。

图3. 游离GAGome MCED评分与总生存率（OS）的相关性。来源：PNAS

为确认游离的GAGome MCED评分能否用于代表性人群的筛查，研究团队对综合GAGome MCED进行了性能测试，并将模型大小从14个GAGome特征删减至5个。随后，研究团队开展了一项基于队列的前瞻性病例对照研究，检测了来自荷兰“Lifelines” 队列研究中无明显癌症成年人的删减后综合游离GAGome MCED评分。

删减后的评分预测了基线访问后18个月内不同类型的癌症诊断。结果显示，评分随着基线访问后癌症诊断时间的延长而降低。接下来，研究团队探索了受试者特征与删减评分之间的相关性，发现删减评分与血清C反应蛋白（CRP）之间存在显著的线性相关性（图4）。

由于病例组的中位随访时间为7.8年，研究团队将病例分类为预后不良与非预后不良来确认检测到的癌症是否具有临床意义。在95%的特异性下，删减评分预测预后不良癌症的敏感性为43%。在99%的特异性下，其对I期癌症的敏感性为21%，对预后不良癌症的敏感性为43%。

图4. GAGome MCED评分验证。来源：PNAS

最后，研究团队分析了游离GAGome的变化是否与体内癌症发病和进展相关，对BALB/c小鼠的尿液、血浆游离GAGome进行了纵向检测（图5）。主成分分析表明，血浆游离GAGome和尿液游离GAGome的变化与从基线（第0天）到局部生长（第6天）到术后切除（第8天）到转移（第20天）的进展一致。以上发现表明，评分捕捉到的游离GAGome变化与癌症的发生、发展具有因果关系。

图5. 小鼠癌症进展过程中血浆和尿液游离GAGomes的变化。来源：PNAS

综上所述，游离GAGomes的代谢性质及其检测ctDNA癌症类型的能力极大地补充了基于基因组生物标志物的液体活检，为多模态MCED方法拓宽了道路。该方法或有可能进一步提高对I期癌症的检测敏感性，甚至达到仅通过早期检测就可大幅降低癌症死亡率的目的。

参考文献：

Bratulic S, Limeta A, Dabestani S, et al. Noninvasive detection of any-stage cancer using free glycosaminoglycans. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022;119(50):e2115328119. doi:10.1073/pnas.2115328119