糞便基因甲基化檢測在結直腸癌早期診斷中的研究進展

徐正，顏宏利

(1.海軍軍醫大學附屬長海醫院生殖醫學中心，上海 200433； 2.上海中醫藥大學附屬第七人民醫院檢驗科，上海 200137)

結直腸癌的患病率居全世界惡性腫瘤的第三位，是第四大常見癌癥相關死亡原因，每年死亡病例數約70萬[1]。自20世紀80年代以來，美國結直腸癌的病死率呈下降趨勢，主要歸因于不斷完善的篩查模式和先進的治療水平；而由于飲食和生活方式的影響，我國結直腸癌的發病率呈上升趨勢，城市高于農村，結直腸癌患病率在男性和女性惡性腫瘤患病率中分別位于第五位和第四位，僅次于肺癌、支氣管癌、胃癌和乳腺癌[2]。臨床研究顯示，手術基本可以治愈結直腸早期異型增生息肉、腺瘤患者，但手術治療Ⅲ、Ⅳ期結直腸癌患者的治愈率不足10%，臨床大多數結直腸癌患者確診時已是中晚期[3]。早期結直腸癌缺乏典型臨床癥狀，因此，尋找早期有效的結直腸癌診斷方法可降低結直腸癌患病率和相關病死率，對早發現、早治療、改善患者生活質量、提高患者生存率具有重大意義。近年來，對大多數新型潛在結直腸癌生物標志物的研究主要集中于糞便DNA的分析，目前確定的參與早期結直腸癌和癌前病變的3種主要遺傳機制為：①由APC、KRAS和TP53基因突變引起的染色體不穩定性；②由錯配修復基因功能喪失導致的微衛星不穩定性；③DNA甲基化(一種表觀遺傳改變)導致啟動子高甲基化并抑制隨后的基因轉錄[4]。早期對糞便DNA(KRAS等)突變和微衛星不穩定性的研究未取得預期的效果，近年來大多數研究集中于對糞便甲基化基因的研究?，F就糞便基因甲基化檢測在結直腸癌早期診斷中的研究進展予以綜述。

1 篩查方法

目前，臨床篩查結直腸癌的主要手段有糞便隱血試驗和結直腸鏡檢查。糞便隱血試驗是早期結直腸癌篩查的簡便方法，人群篩查參與率高，但其檢出癌前病變和結直腸癌的敏感性較低，需要多次重復測試，且干擾因素多，難以滿足臨床診斷的要求。病理檢查是確診結直腸癌的“金標準”，具有良好的診斷性能，結直腸鏡檢查有助于檢測和治療結直腸癌前病變，檢查前需要充分清潔腸道，但檢查的不適感導致患者依從性下降，并且操作時出現出血和穿孔等并發癥的風險較高，難以作為早期篩查方法大規模開展，因此臨床迫切需要尋找一種新的非侵入性的敏感性、特異性較高的結直腸癌篩查方法。

2 糞便DNA甲基化檢測

結直腸細胞更新速度較快，正常人每天結直腸脫落細胞約有1010個，與正常大腸黏膜相比，結直腸癌時大腸黏膜的脫落細胞數量更多，因此通過分析糞便脫落癌細胞和游離DNA甲基化的狀況可進行有效的大腸癌篩查[5]。目前已知多個糞便DNA超甲基化檢測標志物。

2.1DNA甲基化 DNA甲基化是指CpG位點(胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤位點，即DNA序列中胞嘧啶后緊連鳥嘌呤的位點)在DNA甲基轉移酶催化下，以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體將胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶[6]。DNA甲基化修飾導致基因長期處于沉默狀態，表達功能喪失，許多抑癌基因甲基化引起了腫瘤的發生、逃逸和轉移。正常人抑癌基因CpG島(人類基因組中堿基CG序列出現頻率較高的區域)內CpG序列為低甲基化狀態，而在結直腸癌腫瘤患者基因組中，啟動子區域CpG島表現為高甲基化狀態，可抑制基因轉錄，進而阻斷正?；虮磉_。越來越多的研究表明，甲基化介導的腫瘤抑制基因沉默有助于結直腸癌的發生和發展[7]，結直腸癌的大量異常甲基化基因啟動子區域具有多種生物學控制功能，如基因組穩定性，細胞增殖和運動性。

2.2單基因甲基化檢測

2.2.1分泌型卷曲相關蛋白(secreted frizzled-related protein，SFRP)2 SFRP是一類分泌蛋白，可以結合Wnt配體和卷曲受體。SFPR甲基化后，Wnt信號途徑激活，進而導致蛋白質功能異常，促進了癌細胞的增殖，最終導致腫瘤的發生和發展。結直腸癌中SFRP基因甲基化可激活Wnt信號通路，并促進細胞抵抗凋亡，Wnt信號通路的激活在整個結直腸癌進展過程中持續存在。SFRP2是SFRP家族成員之一，可在結直腸癌細胞中高度甲基化。Müller等[8]的研究指出，運用MethyLight方法分析SFRP2基因的超甲基化可檢測出糞便樣品中SFRP2基因的高甲基化，從而診斷結直腸癌，其靈敏度和特異度分別為90%和77%，可見SFRP2基因檢測結直腸癌的敏感性極好。Lu等[9]運用甲基化特異性聚合酶鏈反應(methylation-specific polymerase chain reaction，MSP)檢測56例結直腸癌患者和40例健康者糞便標本SFRP2甲基化情況，結果顯示，SFRP2基因在結直腸癌中高度甲基化57.1%(32/56)，健康對照組糞便標本中只檢測出4例SFRP2基因甲基化，檢測的特異度為90%。Babaei等[10]的研究亦表明，SFRP2基因檢測結直腸癌的靈敏度和特異度分別為60%和92%，因此，對糞便SFRP2基因異常甲基化的檢測可能成為具有應用前景的非侵入性結直腸癌篩查方法。

2.2.2腫瘤高甲基化1(hypermethylated in cancer 1，HIC-1)基因 HIC-1基因是一種腫瘤抑制基因，位于第17號端粒染色體區域p13.3位點，可調節多個正常和腫瘤細胞系的細胞增殖、存活和生長停滯[11]。HIC-1基因可在大部分正常組織中表達，由于甲基化的影響，其在肝癌、結直腸癌等細胞的表達下降，并可在某些腫瘤的早期階段即發生甲基化，在腫瘤的發展及預后中起重要作用。Abouzeid等[12]對腫瘤抑制基因(RASSF1A、MGMT和HIC-1)在結直腸黏膜癌和癌前病變中甲基化狀態的研究顯示，潰瘍性結腸炎患者的HIC-1基因甲基化頻率最高(57.8%)。Lenhard等[13]采用MSP法對糞便標本HIC-1基因啟動子甲基化狀態進行盲法分析顯示，42%的結直腸癌患者和31%的腺瘤患者的HIC-1啟動子甲基化呈陽性；而內鏡下正常結腸或增生性息肉患者糞便中未檢測到甲基化HIC-1啟動子，可見，表觀遺傳標記HIC-1啟動子甲基化具有檢測結直腸癌的潛力，可能成為結直腸腫瘤早期篩查的分子標志物。

2.2.3波形蛋白 波形蛋白是蛋白質中間絲家族的主要成分，在正常間質細胞中普遍表達，可維持細胞完整性，被認為是上皮-間充質轉化的標志。波形蛋白基因啟動子區域異常甲基化可能有助于結直腸細胞癌變。糞便波形蛋白基因啟動子甲基化也是敏感和特異的結直腸癌篩查指標。Chen等[14]研究顯示，通過糞便DNA波形蛋白甲基化異常檢測結直腸癌的靈敏度為46%(95%CI35%～56%)；檢測Ⅰ、Ⅱ期結直腸癌的靈敏度為43%(26/60)(95%CI31%～57%)，僅10%(20/198)無癌個體的對照糞便DNA樣本波形蛋白甲基化檢測呈陽性，特異度為90%(95%CI85%～94%)。Lu等[9]應用MSP分析56例結直腸癌患者和40份結腸鏡檢查正常者糞便DNA中波形蛋白等多個基因啟動子CpG島甲基化的研究顯示，結直腸癌患者波形蛋白基因啟動子甲基化水平為41.1%(23/56)，該基因的特異度為85.0%(6/40)。Xiao等[15]運用甲基化敏感性高分辨率熔解曲線分析技術檢測結直腸癌和進展期腺瘤的波形蛋白基因甲基化狀況發現，結直腸癌的甲基化率為92.5%(37/40)，進展期腺瘤的甲基化率為94.4%(34/36)，正常對照組的甲基化率為8.8%(5/57)，故認為波形蛋白基因甲基化檢測可作為具有較好檢測性能的結直腸癌早期篩查方法。

2.2.4N-Myc下游調節基因4(N-Myc downstreem-regulated gene 4，NDRG4) NDRG4位于染色體16q21-22.1上，含有17個外顯子和16個內含子，是N-myc下游調節基因家族的成員，在多種正常人體組織中高表達，在某些腫瘤組織中不表達或低表達，低表達可能與啟動子高甲基化有關。NDRG4作為腫瘤抑制基因，其5′端調控區域含有CpG島，在結直腸癌發生發展過程中常被甲基化。Melotte等[16]應用MSP法檢測結直腸癌患者和健康對照人群糞便NDRG4啟動子甲基化的研究發現，糞便NDRG4啟動子甲基化分析檢測結直腸癌的靈敏度為61%，特異度為93%。Xiao等[17]采用巢式MSP和變性高效液相色譜法成功檢測了84例結直腸癌組織、癌旁組織、糞便、血液和尿液中NDRG4基因的甲基化表達，并對甲基化NDRG4基因作為大腸癌生物標志物的敏感性和特異性進行分析發現，甲基化NDRG4基因在癌組織、癌旁組織、血液、尿液、糞便中的陽性檢出率分別為81%、8.3%、54.8%、72.6%和76.2%；與16名年齡相仿健康對照人群相比，糞便甲基化NDRG4檢測結直腸癌的靈敏度、特異度均較高，且糞便樣本的收集較簡便，故糞便甲基化NDRG4檢測有望成為結直腸癌早期診斷的生物標志物。

2.2.5組織因子途徑抑制物2(tissue factor pathway inhibitor 2，TFPI-2) TFPI-2是Kunitz型絲氨酸蛋白酶抑制物超家族成員，抑制組織因子/因子Ⅶa復合物和各種絲氨酸蛋白酶，可維持腫瘤細胞環境的穩定性、抑制腫瘤細胞侵襲和轉移、誘導細胞凋亡等功能[18]。腫瘤細胞的發生和發展與TFPI-2基因CpG島的異常甲基化使TFPI-2表達降低或缺失有關。結直腸癌患者糞便TFPI-2甲基化的靈敏度和特異度較高，TFPI-2基因啟動子檢測結直腸癌患者糞便甲基化的靈敏度和特異度分別為76%～89%和79%～93%[19-20]。

2.2.6O6-甲基鳥嘌呤DNA甲基轉移(O6-methylguanine-DNA methyltransferase，MGMT) MGMT是一種DNA修復基因，位于染色體10q26上，編碼DNA修復蛋白O6-烷基鳥嘌呤DNA烷基轉移酶，并可逆轉烷化劑對DNA的復制與突變的損傷。Meta分析提示，結直腸癌患者的MGMT甲基化頻率顯著上升，并且MGMT基因啟動子的甲基化涉及結直腸癌的逐步癌變過程。Baek等[21]運用MSP檢測糞便樣品MGMT基因甲基化狀況的研究顯示，結直腸癌的檢出率為51.7%，結直腸腺瘤的檢出率為36.5%，特異度為86.5%?？笛嗥降萚22]對糞便樣本的甲基化檢測顯示，結直腸癌、結腸腺瘤、增生性息肉的MGMT甲基化頻率分別為55.1%、37.5%、10.5%，因此，MGMT可作為結直腸癌和癌前病變的無創篩查分子標志物。

此外，對結直腸癌或癌前病變患者糞便基因(硫酸類肝素蛋白多糖2基因、分泌型卷曲相關蛋白2基因、Y染色體性別決定區域相關高遷移率族盒21基因、抑瘤素M受體基因、痙攣性截癱-20基因、GATA結合蛋白4基因、Septin9基因、p33ING1b基因等)甲基化狀態檢測的診斷效能亦較好，故也可作為篩查標志物用于結直腸癌的早期診斷[23-30]。

2.3多基因聯合檢測 結直腸腫瘤發生發展過程中受到多種基因的調控，應用單一基因診斷較局限，為了提高檢測靈敏度常對多個甲基化基因進行聯合檢測。Zhang等[31]采用MSP法分析結直腸癌、結直腸腺瘤、增生性息肉以及健康者糞便標本中SFRP2和WIF-1基因啟動子的甲基化狀態發現，至少一種高甲基化基因檢測結直腸癌和結直腸腺瘤的檢出率分別為81.3%(39/48)和65.7%(23/35)，其中僅1名健康者糞便樣本中檢測出高甲基化WIF-1基因，特異度為97%。肖著軍等[32]應用MSP法檢測病例組(40例大腸癌患者、25例進展期腺瘤患者)和正常組(30例結腸鏡陰性正常人)糞便的Vimentin和SFRP2的甲基化狀態，并與單個基因甲基化檢測的診斷性能進行比較發現，兩基因聯合檢測組的靈敏度(83.1%)明顯高于單純Vimentin(52.3%)以及SFRP2(67.7%)，表明在大腸癌篩查中，聯合檢測糞便Vimentin和SFRP2基因甲基化狀態優于單個基因檢測，具有潛在的應用價值。Ahlquist等[7]采用波形蛋白、NDRG4、BMP3和TFPI2聯合檢測篩查出85%的結直腸癌和54%的腺瘤大小≥1 cm的結直腸腺瘤患者，檢測特異度為90%，且對Ⅰ～Ⅲ期結直腸癌的檢出率為87%。Imperiale等[33]對9 989名參與者運用多靶點DNA測試板(包括KRAS突變，NDRG4、BMP3基因甲基化、β-肌動蛋白以及血紅蛋白免疫測定)進行評估，鑒定出結直腸癌患者65例(0.7%)，晚期癌前病變(晚期腺瘤或無柄鋸齒狀息肉，最大病灶直徑≥1 cm)患者757例(7.6%)。 糞便DNA檢測檢出結直腸癌的靈敏度為92.3%，檢出晚期癌前病變的靈敏度為42.4%，檢出高級別不典型增生息肉的靈敏度為69.2%，DNA檢測的特異度為86.6%?；贗mperiale[33]的研究，美國食品藥物管理局在2014年批準了Cologuard?試劑(Exact Sciences Corporation，Madison，WI，美國)用于結直腸癌的早期篩查，由此可見，聯合檢測較單基因檢測及其他糞便檢測的診斷效能更高。DNA高甲基化與結直腸腫瘤的發生發展關系密切，對新的具有潛力的甲基化基因SLC6A15、NPY、GRASP、ST8SIA1和ZSCAN18、MAPK14、MAPK3、HRAS、YY1、IRF4的研究正在進行中[34-35]。

3 現狀以及存在的問題

目前，血漿Septin9基因甲基化檢測商業試劑盒已應用于結直腸癌臨床輔助診斷，新的具有潛力的甲基化基因SLC6A15、NPY、GRASP、ST8SIA1和ZSCAN18、MAPK14、MAPK3、HRAS、YY1、IRF4的研究也在進行中[34-35]?；诩S便基因甲基化檢測的標志物還面臨以下主要問題：①缺乏理想的糞便DNA甲基化基因。與結直腸癌相關的甲基化基因較多，單個或多個基因組合診斷結直腸癌和晚期結直腸腺瘤的靈敏度和特異度不一，尋找靈敏度和特異度較高的單個或復合的甲基化基因是研究的重點和難點。②直接提取糞便DNA時，易造成細菌等其他DNA污染以及DNA提取量不足的情況，需要創新糞便脫落細胞分離技術，建立簡便、標準化、特異性高的腫瘤細胞分離收集方法，以提高檢測的敏感性和特異性。③需要改進和標準化甲基化檢測方法的靈敏度。統計分析結果顯示，結直腸癌患者糞便中單基因甲基化檢測的敏感性存在偏倚，可能與研究對象的種族、性別、樣本數量以及甲基化檢測方法的不同有關[36]。④不典型增生性腺瘤是最常見的結直腸癌癌前病變，其發展為結直腸癌的病程往往在10年以上，可見不典型增生性腺瘤的早期檢測十分重要，但目前研究仍集中于對惡性腫瘤敏感的標志物，開發更多對癌前腺瘤組織敏感和特異的甲基化指標是未來的研究方向和研究重點。

4 小 結

從結直腸癌的發生發展過程來看，由不典型增生性結直腸息肉發展到惡性結直腸腺癌是遺傳學和表觀遺傳學改變共同作用積累的過程，存在多種癌基因激活和抑癌基因失活的參與，其中基因啟動子區域的甲基化可導致抑癌基因失活，且在腫瘤發生早期已出現，故抑癌基因甲基化檢測有助于結直腸癌的早期診斷以及腫瘤發展、轉移和預后的評估，對指導臨床診療工作具有重要意義。糞便脫落細胞DNA甲基化檢測作為全新的無創篩查模式對診斷結直腸癌、評估患者預后、監測病情發展等具有潛在價值。隨著檢測技術的發展及分子生物學研究的深入，糞便DNA甲基化檢測在癌前病變監測和結直腸癌早期診斷方面具有廣闊的應用前景，將成為結直腸癌早期診斷、早期治療和預后判斷的新型標志物。