基于人群的新生儿干血斑儿童癌症易感性基因组检测

《Nature Communications》：Population-based genomic detection of childhood cancer predisposition using newborn dried blood spots

　　

摘要基于人群的基因组新生儿筛查，用于识别有早发性癌症风险的新生儿，尚未被评估。在此，研究人员在密歇根州出生队列（1987–2020年）中，识别出所有在8岁前发展为实体或中枢神经系统恶性肿瘤的儿童（n=1948）。研究人员使用存档的新生儿干血斑DNA对11个癌症易感基因进行靶向测序。研究人员在6.8%的病例（n=132）中发现了致病性或可能致病性胚系变异（P/LP）：RB1（n=69）、TP53（n=24）、SMARCB1（n=8）、WT1（n=7）、RET（n=6）、SUFU（n=6）、PTCH1（n=4）、DICER1（n=4）、APC（n=3）和PHOX2B（n=1）。研究人员显示，大约每27,000名新生儿中就有1名会发展为与相关致病性或可能致病性变异相关的早发性恶性肿瘤。胚系变异患病率在甲状腺髓样癌中为100%，在视网膜母细胞瘤中为40%，在另外五种诊断中为11–30%，且具有强烈的基因-肿瘤特异性（p<0.001）。在健康新生儿的比较数据集和gnomAD中，P/LP变异罕见。研究数据支持对选定的癌症风险基因进行新生儿筛查。

**论文解读：基于新生儿干血斑的儿童癌症易感性人群基因组检测**

**研究背景与问题**

新生儿筛查是现代医学中最成功的公共卫生举措之一，通过早期诊断显著改善了多种严重儿科疾病的预后。当前研究重点正致力于将原始DNA测序纳入新生儿筛查，以检测传统生化方法无法识别的疾病。癌症易感综合征（由癌症相关基因中的有害胚系或胚系嵌合变异引起）存在于至少10%的儿童恶性肿瘤患者中。基因组新生儿筛查可识别这些高危儿童，并通过综合征特异性癌症监测方案转化为患者获益。例如，约40%的视网膜母细胞瘤患儿携带RB1基因杂合有害胚系变异，其中超过90%在3岁前发展为双侧视网膜肿瘤。在已知RB1携带者中，早期眼科监测可促进发现小的亚临床肿瘤，经局部治疗后视力及生存结局良好。然而，大多数携带此类遗传性癌症易感综合征的儿童直到出现症状性眼内肿瘤才被诊断；这些（通常为双侧）肿瘤需要积极治疗，包括眼球摘除、化疗和/或放疗，幸存者常伴有严重视力障碍，并面临急性和长期治疗相关毒性的风险。同样，对于其他遗传性癌症易感综合征（如与WT1、TP53和RET致病性胚系变异相关的综合征），症状前临床护理侧重于通过应用综合征特异性指南进行预防或早期癌症检测，旨在改善生存并减少治疗相关发病率。

前瞻性基因组新生儿筛查研究正在全球范围内开展，但需要大规模人群研究及长期随访才能前瞻性地评估纳入癌症基因对结局的影响。在缺乏前瞻性数据的情况下，研究人员此前开发了一个模拟模型，预计通过将11基因癌症易感基因组合纳入人群新生儿筛查，可使儿童癌症总死亡率降低8%。这11个基因根据其与特定儿童癌症风险增加的关联、基因特异性癌症监测指南的可用性以及早期检测的潜在获益而选定。

在当前研究中，研究人员利用密歇根州癌症监测与新生儿筛查项目之间的关联，进一步探讨基因组新生儿筛查在检测有早发性癌症风险婴儿中的作用。研究人员从1987–2020年密歇根州出生的儿童中，识别出在8岁前发展为实体或中枢神经系统恶性肿瘤、且其存档新生儿干血斑可供研究的儿童。研究人员使用靶向下一代测序技术，估计这些早发性癌症儿童中11个常染色体显性癌症风险基因的致病性或可能致病性胚系变异的患病率。研究人员将有害变异患病率与内部对照组及外部队列中的患病率进行比较。利用癌症登记数据，研究人员评估了胚系携带者中可能受早期检测影响的癌症临床特征。

**主要技术方法**

研究人员采用了一项基于人群的回顾性队列研究设计，将密歇根州癌症监测项目（1987–2020年出生）与新生儿干血斑生物样本库相链接。主要技术方法包括：1）从单个3.2毫米干血斑（DBS）打孔中提取基因组DNA，使用Chemagic 360仪器；2）设计并优化了一个包含11个基因（RB1, RET, TP53, SMARCB1, SUFU, PTCH1, WT1, DICER1, APC, ALK, PHOX2B）的靶向下一代测序（tNGS）组合，用于检测单核苷酸变异（SNV）、小插入/缺失（≤20 bp）及拷贝数变异（CNV）；3）使用Fabric Genomics Sentieon流程进行比对和变异检测，CNV使用CNVkit调用；4）使用人工智能驱动的分类引擎（ACE）软件进行变异分类，并依据美国医学遗传学与基因组学学会和分子病理学协会（ACMG-AMP）标准进行最终判定；5）统计分析采用Wilcoxon秩和检验、卡方检验或Fisher精确检验，并使用Kaplan-Meier法估计总生存率。样本队列来源为密歇根州1987–2020年间的3,554,464例新生儿干血斑。

**研究结果**

**队列建立与测序分析**：研究人员共纳入1948例符合标准的受试者。所有受试者均获得存档新生儿干血斑样本，其中1943例（99.7%）成功提取足够DNA，且全部满足变异和CNV分析质量标准。

**胚系变异检测及P/LP携带者特征**：在132例（6.8%）受试者中检测到靶向基因的致病性或可能致病性胚系变异（P/LP）。变异最常见于RB1（n=69）、TP53（n=24）、SMARCB1（n=8）和WT1（n=7）。在ALK基因中未检测到致病性或可能致病性胚系变异。变异包括17个大片段缺失和115个单核苷酸变异、小插入或缺失。值得注意的是，132例变异携带者中有130例所患肿瘤类型与靶向基因有密切确定的关联。在七种诊断中，11基因组合至少识别出10%的病例携带胚系P/LP变异：甲状腺髓样癌（100%）、视网膜母细胞瘤（40%）、脉络丛癌（30%）、肾上腺皮质癌（20%）、松果体母细胞瘤（17%）、肺/胸膜恶性肿瘤（11%）和髓母细胞瘤（11%）。基于研究期间密歇根州3,554,464例新生儿出生，大约每27,000名新生儿中就有1名在癌症易感基因检测出变异的情况下发展为早发性恶性实体或脑癌。

**遗传、人口学及临床发现**：在132例携带者中，中位癌症诊断年龄为14个月（IQR 5.0-26.5），而无检测到胚系变异者中位年龄为32个月（IQR 13.0-55.0）（p<0.001）。携带者中第二癌症发生率为8.7%（11/126），而非携带者中为4.8%（85/1755），比值比（OR）为1.88（95% CI 0.98-3.62，p=0.06）。

**RB1与视网膜母细胞瘤易感性**：在168例视网膜母细胞瘤患儿中，检测到68例（40%）携带RB1基因P/LP变异；另有一例转移性松果体母细胞瘤患儿也携带RB1变异。在双侧视网膜母细胞瘤已知病例中，80%（41/51）检测到胚系RB1 P/LP变异。RB1变异携带者视网膜母细胞瘤诊断年龄更小（中位9个月 vs. 23个月，p<0.001）。

**其他儿童癌症易感综合征**：在1780例非视网膜母细胞瘤的儿童癌症中，有64例（3.6%）检测到P/LP胚系变异。这些携带者的中位诊断年龄为22.5个月，低于非携带者（32个月，p=0.072）。6例甲状腺髓样癌患儿全部携带RET胚系致病性变异（p<0.0001）。7例后来发展为肾肿瘤的婴儿检测到WT1变异，且所有非肾肿瘤病例均未检测到WT1变异（p<0.0001）。在TP53变异携带者中，癌症诊断中位年龄为35个月，包括肉瘤（10例）和中枢神经系统肿瘤（9例）等。PTCH1和SUFU变异在9例髓母细胞瘤和1例横纹肌肉瘤中检测到。SMARCB1变异在8例新生儿中检测到，其中7例为脑肿瘤，中位诊断年龄为3个月。

**比较队列**：研究人员观察到强烈的基因-肿瘤特异性，RB1、RET和WT1变异仅局限于相关肿瘤的受试者（p<0.001）。内部对照组中仅检测到2例变异携带者（1例PHOX2B，1例APC）。来自四项已发表人群基因组新生儿筛查研究（共38,448例婴儿）的数据显示，仅检测到2例癌症易感性相关胚系变异（1例RB1，1例DICER1）。与基因组聚合数据库（gnomAD v.4.0）比较显示，11个儿童癌症易感基因的ClinVar P/LP变异在一般人群中极为罕见或缺失。

**讨论与结论**

研究人员进行了一项基于人群的新生儿基因组测序研究，重点关注癌症易感综合征。利用后来发展为早发性癌症的新生儿存档干血斑，研究证明，对有限数量的选定癌症风险基因进行测序，可识别出约7%将在8岁前发展为实体或脑恶性肿瘤的儿童。总体而言，每27,000名新生儿中就有1名将携带癌症易感综合征并发展为早发性癌症，这一患病率与当前新生儿筛查中纳入的其他疾病（如庞贝病、重症联合免疫缺陷SCID、枫糖尿症）相当或更高。

研究的主要优势包括：1）证明了从单个干血斑打孔中提取DNA进行人群基因组筛查的技术可行性，99.7%的样本成功完成文库制备和靶向测序；2）采用表型优先方法，将全州癌症登记与新生儿干血斑生物库链接，直接评估了出生时即可预测癌症风险的比例，并显示携带胚系变异的儿童肿瘤发病年龄极早，凸显了早期识别癌症易感性的潜在临床价值；3）评估了方法的特异性，在内部队列中未发现非靶向变异，且P/LP变异在已发表的新生儿（非癌症）队列及成人人群基因组数据集中均极为罕见；4）提供了早发性恶性肿瘤儿童中遗传风险的基于人群的估计，区别于大多数基于医院的报告。

研究局限性包括：1）理想的对照组（即通过早期儿童期保持无癌的大规模新生儿队列，使用相同基因组和分析方法分析生物样本）难以建立；2）通过出生和癌症登记可获得的临床数据有限，无法评估已知临床癌症易感综合征或癌症家族史的比例；3）种族和民族的癌症风险分析受隐私相关数据抑制及亚组样本量小的限制；4）通过排除常染色体隐性癌症易感综合征和白血病易感基因，可能低估了总体遗传风险新生儿数量；5）未评估新生儿筛查癌症风险的经济学影响。尽管存在这些局限性，但研究数据支持对选定的癌症风险基因进行新生儿筛查。鉴于RB1发现四十多年来，大多数双侧视网膜母细胞瘤儿童仍以局部晚期、视力受损的疾病就诊，而大多数遗传性癌症易感综合征儿童直到出现症状性恶性肿瘤才被诊断，这些观察结果强调了通过基因组新生儿筛查进行早期识别的潜在临床价值。实现这一潜力需要肿瘤学家、遗传学家、新生儿筛查专家和公共卫生实验室之间的合作，并仔细关注伦理影响。