MCED介绍

自古以来，帝王通过练丹以求长生，然终究未能逃脱人死灯灭之命，这其中奥秘一直无人可解。

千年之后，帝王丹炉的朱砂已成尘烟；与此同时，近代生物学的发展揭示出，生命的有限性正来源于其体内细胞的凋零。

这看似是一种无法避免的宿命，一个令人唏嘘的事实。

但命运总爱在看似既定轨迹中埋下意外的种子：有一种细胞它们跳脱出了生命周期，可以不受控制地生长。

有人认为这正是通往长生的钥匙，可更多人说它是凶险的杀手，它在体内扩散，破坏，最终把人带向死亡。

这就是癌细胞。要对抗它们绝非易事，往往一个人在体内发现它们的踪迹时已经为时已晚。

于是有一家名为Grail的公司开发了一种早期多癌症检测技术，旨在在可以治愈的时候就发现它们。

DNA的构成

我们知道人体内的组织器官尽管外观和功能迥然不同，但都由更小的组成部分—细胞构成，比如肌肉中的肌细胞，或是肾脏中的肾细胞。

再把视界放大，这些细胞又由更小的成分—蛋白质构成，不同细胞所对应的蛋白质不尽相同。

而蛋白质是由氨基酸组成的具有一定空间结构的物质。不同的蛋白质之间在结构，氨基酸序列上都不同。

自然会有人问，是什么促成了蛋白质的这些差异呢？答案就是你的基因。

我们知道，人体内有23对染色体，它们携带了全部的遗传信息。每一条染色体都由一个很长的DNA分子组成。

这条DNA分子上分布着基因，在基因之间存在着间隔序列（Intergenic Regions），间隔序列不直接参与蛋白质的编码，但提供类似控制面板的功能。

比如启动子（Promoter）决定基因是否转录以及何时转录，这样就可以让如肌凝蛋白基因只在肌肉细胞里进行表达，而在神经细胞里保持关闭。

DNA整体呈一种双螺旋结构，两边链上有互补配对链接的碱基。

碱基分子共有四种：腺嘌呤A(adenine), 鸟嘌呤G(gaunine), 胞嘧啶C(cytosine)和, 胸腺嘧啶T(thymine) ，A的另一边一定是T，C的另一边一定是G。

这种性质意味着，若把两条链分开，各自配上另一边的碱基，就可以得到两条一模一样的DNA。

我们所说的基因实际上就是一段碱基序列。

蛋白质的生产

蛋白质在生物体内的产生主要是通过“基因表达”过程，这个过程大致可以分为两个主要步骤：转录和翻译。

转录就是利用这种互补的性质复制DNA上的一条链（DNA在复制时会暂时打开），得到一条mRNA单链。RNA分子的结构与DNA相似，但在关键方面有所不同。

首先，主链中的脱氧核糖（DNA中的D）被核糖（RNA中的R）所代替。

其次，该分子是单链的。最后，胸腺嘧啶（T）碱基被尿嘧啶（U）所代替，但配对保持不变。

mRNA进入细胞质，就会根据其上面的碱基以三联体的形式被转换成蛋白质（A、T/U、C和G可以组成64种可能的三字母密码）。

例如，在这个密码系统中，AUG的意思是“从这里开始”（称作“起始密码子”）；UAG、UGA和UAA的意思是“在这里结束”；其余的部分都与特定氨基酸有关联——例如，半胱氨酸是UGU或UGC。

因为三联体密码有64种可能的组合，却只有20种氨基酸，所以某些氨基酸有不止一个三联体密码。

因此，显而易见，改变了单个碱基的突变可以从根本上改变最终的蛋白质。

例如，从UGC（半胱氨酸）变成UGA（停止信号）会让最终得到的蛋白质变短，其功能也可能发生重大的变化。

当错误的编码被翻译成了蛋白质，或者对编码的控制失灵，癌症就产生了。

肿瘤的特征

既然癌细胞是一些在转录翻译时出错的细胞，那正常的细胞，究竟要犯多少错误，才会成为癌细胞呢？2000年，Douglas Hanahan和Robert Weinberg表了一篇题为《肿瘤的特征》（“The Hallmarks of Cancer”）的开创性论文，总结了哪些变化是肿瘤产生的充分必要条件。

这些变化的特点是：

自给自足的生长信号(Self-sufficiency in growth signals)。
失去对生长抑制信号的敏感性(Insensitivity to anti-growth signals)。
无法进行“程序性的细胞死亡”，(Evasion of programmed cell death)。有机体用细胞凋亡来摆脱异常的细胞，癌症细胞的凋亡机制并不是完全关闭，化疗或放疗损伤的细胞并不是直接死亡，而是奄奄一息，随后细胞的死亡仍然由凋亡机制实现。
无限的复制潜力(Limitless replicative potential)。
能够在其他组织中生长并破坏性地侵袭后者(Tissue invasion & metastasis)。良性肿瘤和恶性肿瘤间一个重要的区分特征就是后者会扩散和侵袭。同时，良性肿瘤也会有严重的后果，比如压迫脑组织或神经。
能够通过产生新的血管来维持生长(Sustained angiogenesis)。任何直径大于0.1毫米的细胞的集合都需要血液供给。肿瘤的血管于正常血管来源于不同的基因，因此也常被作为肿瘤药物开发的靶子（靶向分子疗法）。如果能破坏供血，就能阻止它生长。

Galleri检测原理

在他们官网引用的文献中可以看到，癌症的早期检测基于血液中游离DNA的甲基化特征。

The MCED test investigated in this study detects cancer-specific DNA methylation patterns from cell-free DNA (cfDNA) shed by tumours into circulating blood.

游离DNA(Cell-free DNA)

细胞在死亡时会释放DNA碎片进入血液，游离DNA指得就是脱离了细胞而处于血液循环中的DNA。

尽管许多癌细胞逃避某些“程序性细胞死亡”途径，但肿瘤环境复杂而动态，导致足够的细胞周转、坏死和活性DNA释放，从而使cfDNA（包括肿瘤特异性DNA）出现在血液中。

DNA 甲基化（methylation）

DNA 甲基化是一种“表观遗传”修饰——这意味着它不会改变 DNA 序列中的碱基（A、T、C、G），而是在某些 DNA 碱基（通常是胞嘧啶）上添加小的化学标签（甲基）。

癌细胞通常表现出下面两个甲基化特征：

特定区域的高甲基化：当额外的甲基团在其启动子区域积累时，癌细胞抑制基因（通常控制细胞生长的基因）可能会异常沉默。
其他区域的低甲基化：特定区域高甲基化的同时，基因组中正常甲基化的部分可能会失去甲基，导致促进癌细胞生长的基因不适当激活。

不同的癌症具有不同的甲基化特征，这些特征就类似超市里的条形码，通过扫码你就能知道癌症是否存在，如果是的话，又是位于哪一个区域。

MCED检测流程

采血
与常规血液检测类似，使用含稳定剂的专用采血管采集10-20毫升血液样本。稳定剂可防止白细胞裂解释放额外DNA，避免稀释肿瘤特异性循环游离DNA（cdDNA）信号。
游离DNA分离
样本采集后需经30-60分钟离心处理，分离血浆（液态成分）与血细胞成分（红/白细胞），最大限度降低污染风险，所得产物称为"无细胞血浆"（cell-free plasma)。
接着通过商用试剂盒在特定化学条件下进行DNA结合，最终将cfDNA释放至50–100微升缓冲液中。实验室需精细分离血液中cfDNA片段与其他成分，所获cfDNA的纯度与完整性对MCED检测准确性至关重要。
手动提取全程耗时约1–2小时（视批次规模与试剂方案而异）。自动化平台虽能减少人工操作并提升通量，但总耗时仍相近。基础研究实验室中，单样本成本约50–150美元（含试剂+人工+耗材）。
亚硫酸氢盐转化(Bisulfite Conversion)或类似处理
甲基化标记在标准测序中是不可见的。需要通过简介的方法来识别。通过亚硫酸氢盐转化，非甲基化的胞嘧啶（C）会被转化成胸腺嘧啶（T），而甲基化的胞嘧啶则保持原状态。于是通过对比处理前后序列，就可找到甲基化位置。该步骤通常耗时3-6小时，单样本成本约30–50美元（含材料与人工）。
DNA 测序与机器学习分析
DNA测序的样本在业界被叫做文库（library）。就如同我们对图书进行索引和组织，以便日后可以通过编码进行快速查找，文库的制备把原始的DNA转化成测序仪可以读取的特殊片段。
随后通过测序确定DNA碱基A/T/C/G的精确序列。商用MCED检测一般分析特定的基因组区域（与之相对的是全基因组测序），聚焦最具癌症指示性的甲基化位点以降低成本。此环节为全流程最昂贵步骤，单样本成本200–500美元。
测序仪软件将荧光信号转化为碱基序列后，机器学习系统对海量数据进行分析。根据数据量，此阶段计算耗时几分钟到数小时，单样本计算成本5–50+美元（另含人工费用）。