個人化醫療的生力軍—癌症液態切片檢測與近期發展趨勢

August 31st, 2020 ‧ 19 min read

今年八月,兩款用於分析全實體腫瘤突變分析的液態切片(Liquid Biopsy)檢測工具Guardant360® CDx與FoundationOne Liquid甫通過了美國FDA核准。從第一個癌症液態切片檢測產品核准至今,可以看出更多可配對藥物的伴隨式診斷、資訊科學與資料庫的應用,以及癌症的早期診斷已成為目前的發展趨勢。而各廠商也在醫療進步的主要市場進行佈局,等待著液態切片檢測大力推動個人化醫療的時機。

早期的循環腫瘤核酸(circulating tumor DNA, ctDNA)液態切片檢測技術,大多是偵測單一基因的突變和一種癌症的一對一關係,主要作為伴隨式診斷,用於評估標靶治療對特定癌症的治療效果,如Roche所開發的Cobas EGFR Mutation Test v2。然而,基因突變和癌症之間其實是多對多的關係,特定的癌症可能包含了數種的基因突變、相同基因的突變也可能在不同的癌症類型中被觀察到。此外,ctDNA理論上能做為偵測癌症早期發生的生物標記(biomarker),但由於癌症發生初期ctDNA僅占體內游離DNA的數萬分之一,雜訊所造成靈敏度與準確度的問題使ctDNA用來診斷早期癌症一直難以實現。

如今,這些待解決的問題經過各家廠商的努力,嘗試以不同的技術方案克服,其中部分的技術方案目前已經有了成果。筆者挑選出五家獲得FDA breakthrough device designation認可的廠商做為代表,從技術上觀察不同方案的差異,也從專利上看廠商的佈局現況,藉以了解液態切片檢測在癌症應用上的發展趨勢。

1. Guardant Health

有別於早期的伴隨式檢測方案多以real-time PCR為主,Guardant360® CDx藉由演算法處理NGS數據,可從中找出序列變異事件發生的頻率與位置,進而得知點突變(point mutation)、基因複製數(copy number)變化、融合(fusion)、錯置(insertion)或刪除(deletion)等情況,為第一款FDA核准用於所有實體腫瘤全基因組分析(comprehensive genome profiling)的檢測工具。Guardant360® CDx的偵測能力涵蓋了74個癌症相關基因,能檢視這些基因與數種癌症的多對多關係。目前Guardant360獲得FDA核准的用途係作為非小細胞肺癌患者配對標靶藥物TAGRISSO® (osimertinib)的伴隨式檢測,然而以該產品現有的功能,推測未來有可能作為其他標靶藥物的伴隨式診斷或癌症診斷工具。

Guardant Health專利佈局

佈局上,Guardant Health的專利組合涵蓋49個專利家族,共230件專利申請案,當前有效中及審查中的專利主要分佈依次是美國、日本、中國、加拿大與澳洲。其中在美國有61件,遠超在日本的19件

2. Foundation Medicine

Foundation Medicine在個人化醫療服務上獲得Roche的青睞,在2018年正式成為其旗下一員。有別於早期的real-time PCR方案,FoundationOne Liquid藉由特殊的核酸探針抓取帶有基因變異事件的ctDNA,並且用NGS技術分析變異事件的類型。FoundationOne Liquid的偵測範圍涵蓋三百多個基因上的點突變與刪減、其中還能偵測前列腺癌中常見的BARC1、BARC2重組(rearrangement)與複製數變化。並且還能統計出324個基因轉譯區域(coding region)上與15個基因非轉譯區域(non-coding region)上的腫瘤突變負荷(tumor mutational burden, TMB)、微衛星體不穩定性(Microsatellite Instability, MSI)。目前FoundationOne Liquid獲得FDA核准的用途係用為非小細胞肺癌患者配對標靶藥物IRESSA® (gefitinib)、TAGRISSO® (osimertinib)或TARCEVA® (erlotinib)的伴隨式檢測,以及用為前列腺癌患者配對標靶藥物Rubraca® (rucaparib) 的伴隨式檢測。而由於該產品能夠分析基因的TMB與MSI等指標,因此也能協助評估針對PD-1、PD-L1的腫瘤免疫療法效益。

Foundation Medicine專利佈局

佈局上,Foundation Medicine的專利組合涵蓋31個專利家族,共221件專利申請案,當前有效中及審查中的專利主要分佈依次是美國、澳洲、加拿大、香港與日本。居首位的美國占34件,而在澳洲則有21件。

3. Grail

相較於標靶藥物的伴隨式診斷已經有數個產品核准上市,癌症早期檢測工具的開發仍在起步的階段。由Illimina獨立出來的Grail對於早期檢測選用的生物標記有著與眾不同的見解。Grail認為DNA甲基化的修飾相較於鹼基突變更為豐富,在偵測上的雜訊更少,同時分析器官特異表現基因的甲基化修飾還能判斷出癌症原發器官(tissue of origin)。在多達19種癌症的試驗中,Grail基於甲基化檢測分析所開發的Galleri系統在癌症I期的靈敏度上為34%,而其他各期皆達到77%以上;原發器官判別的準確度則各期皆在85%以上。

Grail專利佈局

佈局上,Grail的專利組合涵蓋69個專利家族,共173件專利申請案,當前有效中及審查中的專利主要分佈依次是美國、台灣、中國、澳洲與加拿大。其中佈局最多的在美國有56件,而在台灣則有13件。

4. Thrive Earlier Detection

Thrive Earlier Detection和約翰霍普斯金大學的團隊共同開發的CancerSEEK使用數種方法來實踐多種類癌症的早期檢測,以multiplex PCR、NGS分析1933個基因座(gene loci),並且同時搭配TIMP-1、HGF等八種不同的蛋白質生物標記判斷癌症原發器官。在八種癌症的篩檢中,CancerSEEK在靈敏度上I期為43%、II期為73%、III期則為78%。而準確度則可達到99%。

Thrive Earlier Detection專利佈局
Thrive Earlier Detection專利佈局

以Thrive Earlier Detection為標準專利權人與當前專利權人在PatentClould上搜尋僅能得到5件專利,當前有效中及審查中的專利包含在美國的3件。但將CancerSEEK的開發者Nickolas Papadopoulos、Kenneth Kinzler、Bert Vogelstein作為發明人搜尋以後可以找到38個專利家族、一共215個申請案,其中有166件專利權屬於約翰霍普斯金大學,並且許多與生物標記判斷癌症原發器官、癌症檢測相關的專利。推測Thrive Earlier Detection應該目前應是與學研單位共同開發、未來再進行技轉、取得授權。

5. Freenome

在癌症早期檢測的技術方案上,Freenome強調游離的生物標記主要來自非癌細胞的事實,因此著重於分析免疫系統對癌症的反應,特別是免疫細胞中的甲基化修飾與蛋白質生物標記,這讓他們所開發的Multi-omic檢測系統在提高早期檢測靈敏度的同時也保有準確性。Multi-omic以大腸癌的早期檢測作為出發點,在I期與II期中的靈敏度都達到了85%,同時也有85%的準確度。未來也希望能將這個模式複製到其他種類的癌症檢測上。

Freenome專利佈局
Freenome專利佈局

與Thrive Earlier Detection的情況類似,以Freenome為標準專利權人與當前專利權人在PatentClould上搜尋僅能得到10件專利,當前有效中及審查中的專利僅在美國的1件。再進一步從Freenome的團隊去分析,發現許多以首席科學家(Jimmy Lin/LIN JIMMY CHENG-HO)為發明人的專利與分析癌症中免疫系統的生物標記有關,且專利權多屬約翰霍普斯金大學。

結語

綜觀五家代表性廠商的技術方案,癌症液態切片檢測在伴隨式診斷中,未來能檢測更多的基因與更多的突變事件將成為基本,甚至可能會包含非轉錄區域的全基因體測序(whole genome sequencing),讓能配對的標靶藥物範圍更廣,提高診斷的效益。如Guardant Health或Foundation Medicine,以NGS為基礎,配合演算法的處理或是探針的設計來偵測出基因刪減、倍增、錯置等變異事件。而Foundation Medicine的測序範圍涵蓋了基因的轉譯區域與部分非轉譯區域,能得知基因的TMB、MSI等數據來輔助醫師評估免疫療法的效益。

而液態切片檢測在早期診斷中,未來能涵蓋多種癌症的檢測中檢驗出癌症I期、II期的存在是現在研發的趨勢。目前的技術方案皆使用數量較為豐富的生物標記來減低分析ctDNA時的雜訊,如Grail選擇分析DNA甲基化修飾、Thrive Earlier Detection結合蛋白質生物標記與ctDNA的分析結果、Freenome則分析免疫系統的甲基化修飾與蛋白質生物標記。

雖然各家廠商著手解決的問題與技術方案不盡相同,但資料庫和演算法的使用越來越重要,例如處理龐大的NGS數據時,好的演算法是不可或缺的。從DueDiligence的科技領域分析中可以看出,資料科學相關的專利在Guardant Health的49個專利家族中占了16個、在Foundation Medicine的31個專利家族中占了6個、在Grail的69個專利家族中占了28個。此外,Thrive Earlier Detection與Freenome也強調自己有建置數據資料庫,並且透過AI、機器學習等來完善檢測系統的預測能力。因此資訊科學的應用在癌症液態切片檢測將是必備的,也會是檢測極限突破的關鍵。

Guardant Health專利家族
Foundation Medicine專利家族
Grail專利家族

而從專利佈局來看,Guardant Health、Foundation Medicine與Grail佈局最多的國家都是美國,而加拿大、澳洲、中國、日本等診療需求大的國家也都在佈局的重點中。至於歐洲地區,目前Guardant Health已在英國、德國、西班牙、荷蘭、波蘭等國家佈局,而Foundation Medicine與Grail則多還停留在EPO的申請階段。Thrive Earlier Detection與Freenome目前應該還處於產學合作的階段,但也開始申請自己的專利在美國先行佈局。隨著產品成熟以後進行技轉、授權,未來佈局市場的方向也會逐漸明朗。


參考資料:

  1. https://www.genomeweb.com/liquid-biopsy/guardant-health-cdx-wins-fda-approval-first-liquid-biopsy-ngs-tumor-profiling-assay#.X0Mrusgzbs3
  2. https://www.nature.com/articles/d41587-019-00022-7
楊 子平
楊 子平

分析師

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