ctDNA – Dấu ấn sinh học đầy hứa hẹn trong chẩn đoán ung thư

Ung thư là một nhóm bệnh lí đặc trưng bởi quá trình tăng sinh và phân chia không kiểm soát của các tế bào trong cơ thể. Nếu không được phát hiện và điều trị sớm, bệnh có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Do đó, chẩn đoán sớm ung thư góp phần nâng cao hiệu quả điều trị và cải thiện tỉ lệ sống sót của bệnh nhân.

Các phương pháp chẩn đoán truyền thống như sinh thiết mô có tính xâm lấn và đi kèm nhiều hạn chế. Do đó, sinh thiết lỏng nổi lên như một giải pháp tiềm năng với cách tiếp cận mới trong phát hiện và theo dõi ung thư. Phương pháp này sử dụng mẫu chất lỏng sinh học trong cơ thể chẳng hạn như máu, nước tiểu, dịch não tủy nhằm phát hiện và phân tích các dấu ấn sinh học liên quan đến bệnh tật.

Nguồn gốc của ctDNA

Máu chứa các thành phần của tế bào và nhiều chất sinh học bao gồm túi ngoại bào, protein và axit nucleic.

Các loại axit nucleic hiện diện trong máu gồm có:

• mARN
• miARN
• ADN tự do (cfDNA)

ADN tự do là thuật ngữ đề cập đến loại ADN tự do lưu thông trong máu và có nguồn gốc từ nhiều loại tế bào khác nhau. Đối với bệnh nhân ung thư, một phần ADN tự do trong máu có nguồn gốc từ tế bào khối u, chúng được gọi là ADN khối u lưu thông (circulating tumor DNA – ctDNA).

Tế bào ung thư giải phóng ctDNA vào máu thông qua các quá trình sinh học sau:

• Apoptosis (quá trình chết tế bào theo chương trình)
• Necrosis (hoại tử tế bào)
• Giải phóng chủ động

ctDNA mang những đặc điểm di truyền của khối u nên chúng thường được dùng trong chẩn đoán ung thư. Ngoài ra, ctDNA còn hỗ trợ theo dõi quá trình tiến triển của bệnh, đánh giá hiệu quả điều trị, thậm chí xác định sớm nguy cơ tái phát. Chính vì vậy, ctDNA đang trở thành một công cụ quan trọng trong lĩnh vực chẩn đoán và điều trị ung thư hiện đại.

Các đặc điểm của ctDNA

Về kích thước, ctDNA thường nhỏ hơn so với ADN tự do, chúng có kích thước dao động trong khoảng 50–200 cặp base, trung bình khoảng 167 cặp base. Đáng chú ý, nồng độ ctDNA trong máu rất thấp, chỉ từ 0,05–90% tổng lượng ADN tự do. Nồng độ này thường phản ánh mức độ tiến triển và tính xâm lấn của khối u. Do đó, khi khối u càng lớn, nồng độ ctDNA trong mẫu máu người bệnh càng cao.

ctDNA có thể phản ánh các biến đổi di truyền đặc trưng của khối u bao gồm đột biến, biến đổi kiểu methyl hóa và biến đổi số lượng bản sao. Những thông tin này cung cấp thông tin chi tiết về tính không đồng nhất của khối u, từ đó, bác sĩ hiểu rõ hơn về bản chất của khối u nhằm đưa ra các quyết định điều trị phù hợp.

Một đặc điểm nổi bật của ctDNA là thời gian bán hủy rất ngắn, từ 16 phút đến 2,5 giờ, nên ctDNA có thể cung cấp tín hiệu thời gian thực về tình trạng khối u và mức độ đáp ứng của bệnh nhân với phương pháp điều trị. Do đó, bác sĩ có thể theo dõi diễn biến của bệnh trong suốt quá trình điều trị một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Ngoài ra, ctDNA không phải là những đoạn phân mảnh ngẫu nhiên. Thay vào đó, các đoạn ADN này có các motif đặc trưng tại hai đầu, nên nguồn gốc khối u có thể được xác định chính xác hơn.

Những đặc điểm của ctDNA để chẩn đoán ung thư

Đột biến soma

Đột biến soma là những thay đổi trong trình tự ADN xảy ra sau thụ tinh và thường không di truyền. Trong ung thư, các đột biến này nắm vai trò quan trọng đối với quá trình phát triển và lan rộng của khối u. Phát hiện các đột biến soma trong ctDNA mang lại lợi ích lớn cho tầm soát và chẩn đoán ung thư. Với các kĩ thuật tiên tiến như giải trình tự thế hệ mới (NGS) và PCR kĩ thuật số, người ta có thể phát hiện các đột biến soma trên ctDNA chính xác với độ nhạy cao.

Methyl hóa

Methyl hóa là quá trình gắn nhóm methyl vào ADN nhằm tác động lên hoạt động của gen mà không thay đổi trình tự gen. Trong ung thư, các kiểu methyl hóa bất thường có thể làm bất hoạt gen ức chế khối u hoặc kích hoạt gen gây ung thư. Methyl hóa trong ctDNA là một dấu ấn sinh học đầy hứa hẹn cho phát hiện ung thư từ giai đoạn rất sớm. Các đặc điểm của methyl hóa thường ổn định hơn so với đột biến, do đó chúng cung cấp thông tin chính xác hơn.

Mẫu phân mảnh

Quá trình chết tế bào dẫn đến phân mảnh ADN thành các đoạn có kích thước khác nhau. Phân tích kích thước và phân bố của các đoạn ctDNA có thể cung cấp thông tin về tình trạng khối u. ctDNA từ tế bào ung thư thường thể hiện các mẫu phân mảnh khác biệt so với ADN tự do từ tế bào khỏe mạnh. Bên cạnh đó, kích thước và nồng độ các đoạn ctDNA cũng có mối liên hệ với khối lượng và mức độ tiến triển của khối u, từ đó chúng cung cấp thông tin chính xác về tình trạng bệnh.

Biến thể số lượng bản sao (Copy Number Variant – CNV)

Biến thể số lượng bản sao là những thay đổi trong số lượng bản sao của gen hoặc các vùng gen cụ thể. Những biến thể này có thể phản ánh sự hiện diện và đặc điểm của khối u. Biến thể số lượng bản sao không chỉ hữu ích trong chẩn đoán mà còn cho phép theo dõi đáp ứng điều trị và diễn biến bệnh theo thời gian.

Vai trò

ctDNA giúp phát hiện các dấu hiệu di truyền của khối u trước khi triệu chứng bệnh khởi phát. Các xét nghiệm ctDNA có thể phát hiện đột biến, thay đổi số lượng bản sao hoặc các kiểu methyl hóa đặc trưng với tỉ lệ tồn tại rất thấp trong máu.

Trong chẩn đoán, ctDNA cung cấp thông tin di truyền cũng như xác định vị trí của khối u, từ đó bác sĩ có thể phân tầng bệnh và cá nhân hóa điều trị. Ngoài ra, ctDNA còn giữ vị trí then chốt trong phát hiện và theo dõi bệnh tồn lưu tối thiểu sau điều trị. Bằng cách phân tích các đột biến hoặc dấu ấn sinh học đặc trưng trong ctDNA, bác sĩ có thể phát hiện sớm các tế bào ung thư còn sót lại, can thiệp kịp thời và ngăn ngừa tái phát cũng như cải thiện tiên lượng cho bệnh nhân. Hơn nữa, ctDNA giúp theo dõi các thay đổi di truyền mới trong khối u, từ đó phác đồ điều trị được điều chỉnh linh hoạt nhằm tăng hiệu quả và giảm nguy cơ tái phát.

Các phương pháp phát hiện ctDNA

RT-PCR

RT-PCR thường được sử dụng rộng rãi vì chi phí tương đối thấp và thời gian thực hiện nhanh. Độ nhạy của của phương pháp này khoảng 10%, thấp hơn so với các phương pháp khác. Do đó, để cải thiện độ nhạy của RT-PCR, phương pháp COLD-PCR đã được phát triển. Các phương pháp dựa trên PCR có ưu điểm là độ nhạy tương đối và hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên, những kĩ thuật này chỉ có thể áp dụng với các biến thể đã biết với đầu vào và tốc độ hạn chế.

PCR kĩ thuật số (Digital PCR – dPCR)

Nguyên lí hoạt động của PCR kĩ thuật số tương tự với phương pháp RT-PCR. Phương pháp này có độ nhạy 0,1% và thường dùng để lập hồ sơ ung thư cá nhân hóa. Dựa trên nền tảng của PCR kĩ thuật số, người ta phát triển phương pháp BEAMing. Phương pháp này có độ nhạy cao, với tỉ lệ phát hiện là 0,02%.

BEAMing bao gồm bốn thành phần:

• Hạt
• Nhũ tương
• Khuếch đại
• Từ tính

Mặc dù có độ nhạy cao, phương pháp BEAMing không được sử dụng trong lâm sàng thường qui do qui trình phức tạp và chi phí cao.

Khối phổ

Một ví dụ về phương pháp khối phổ điển hình là UltraSEEK.

UltraSEEK bao gồm hai bước chính:

• PCR để khuếch đại
• Khối phổ để xác định kiểu gen đột biến

Ưu điểm của phương pháp này là có thể phát hiện đồng thời các trình tự đột biến và độ nhạy cao, khoảng 0,1%.

Giải trình tự thế hệ mới – NGS

Giải trình tự thế hệ mới có thể mô tả đặc điểm ung thư tại cấp độ bộ gen, phiên mã và biểu sinh. Kĩ thuật này có độ nhạy cao và có khả năng phân tích hàng triệu trình tự ADN ngắn song song. Do đó, nó có thể phân tích toàn diện hệ gen của ctDNA, phát hiện đồng thời nhiều đột biến và biến đổi di truyền khác nhau. Công nghệ này rất hữu ích trong khám phá các đột biến mới và đánh giá tính không đồng nhất của khối u.

Phân tích methyl hóa

Các thay đổi trong kiểu methyl hóa xảy ra trong quá trình phát triển ban đầu của khối u giúp sàng lọc sớm bệnh ung thư. Phương pháp phân tích methyl hóa không được sử dụng phổ biến để phát hiện ctDNA nhưng nó có thể được áp dụng một phần cho bệnh nhân ung thư.

Giải trình tự lai (hybrid sequencing)

Phương pháp giải trình tự lai có thể áp dụng cho ARN, miARN hoặc protein. Gần đây, nó được sử dụng để phát hiện ctDNA. Cụ thể, ctDNA mục tiêu được đánh dấu bằng đầu dò đặc hiệu. Đầu dò này bao gồm một tín hiệu huỳnh quang và một đầu dò bắt giữ biotin thứ cấp. Phức hợp đầu dò và trình tự mục tiêu được cố định và căn chỉnh trên bề mặt hình ảnh. Cuối cùng, phức hợp được đếm trực tiếp bằng kính hiển vi huỳnh quang tự động.

Các test dựa trên ctDNA được FDA phê duyệt

Shield

Shield được phê duyệt vào tháng 7 năm 2024. Thay vì dựa vào phương pháp nội soi đại tràng truyền thống, Shield sử dụng mẫu máu để phân tích ctDNA nhằm tìm kiếm dấu hiệu của ung thư. Phương pháp này dựa trên phát hiện kiểu methyl hóa và ADN phân mảnh của ctDNA.

Cobas EGFR Mutation Test V2

Cobas EGFR Mutation Test V2 được phê duyệt từ năm 2016, là một công cụ quan trọng trong cá thể hóa điều trị ung thư phổi không tế bào nhỏ. Xét nghiệm này phân tích các đột biến trong gen EGFR từ ctDNA của bệnh nhân và cung cấp thông tin để bác sĩ đánh giá khả năng đáp ứng với thuốc ức chế EGFR. Nhờ đó, bác sĩ có thể điều chỉnh phác đồ điều trị phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu quả điều trị cho từng bệnh nhân.

Therascreen PIK3CA RGQ PCR Kit

Therascreen PIK3CA RGQ PCR Kit có khả năng xác định các đột biến trong gen PIK3CA trên bệnh nhân ung thư vú. Dựa trên kết quả xét nghiệm, bác sĩ sẽ lựa chọn những bệnh nhân thích hợp để điều trị bằng alpelisib—thuốc nhắm mục tiêu vào con đường tín hiệu PI3K.

Guardant360 CDx và FoundationOne Liquid CDx

Cả hai xét nghiệm này được phê duyệt vào năm 2020. Guardant360 CDx và FoundationOne Liquid CDx đều sử dụng công nghệ giải trình tự thế hệ mới nhằm phát hiện nhiều đột biến gen liên quan đến các loại ung thư khác nhau.

Hạn chế

Độ nhạy

Phát hiện ctDNA trong giai đoạn sớm của ung thư vẫn là một thách thức lớn. Thông thường, các khối u nhỏ hoặc ít xâm lấn chỉ giải phóng một lượng rất ít ctDNA vào máu nên quá trình chẩn đoán trở nên khó khăn. Chẳng hạn, tỉ lệ phát hiện ctDNA trên bệnh nhân ung thư giai đoạn I khoảng 47%, trong khi đối với giai đoạn IV, tỉ lệ này tăng lên 82–100%. Nồng độ ctDNA quá thấp dẫn đến khó khăn trong phân biệt ctDNA và ADN thông thường.

Mức độ giải phóng ctDNA của mỗi loại ung thư thường không giống nhau dẫn đến độ nhạy của xét nghiệm không ổn định. Ví dụ, một số loại ung thư như ung thư tuyến tụy và ung thư tuyến giáp có tỉ lệ giải phóng ctDNA thấp hơn nhiều so với các loại ung thư khác.

Dương tính giả và các yếu tố gây nhiễu

Một thách thức lớn trong phân tích ctDNA là các đột biến từ quá trình tạo máu dòng vô tính—hiện tượng thay đổi tế bào máu liên quan đến tuổi tác. Những đột biến này có thể dẫn đến kết quả dương tính giả, gây khó khăn trong phân biệt giữa ctDNA của khối u và các đột biến không liên quan đến ung thư.

Ngoài ra, ADN từ các nguồn khác ngoài khối u cũng có thể tồn tại trong máu. Chúng gây nhiễu và làm giảm độ chính xác của xét nghiệm. Các nhân tố này có thể làm giảm độ tin cậy của kết quả xét nghiệm.

Tiêu chuẩn thống nhất

Hiện tại, chưa có tiêu chuẩn thống nhất về kĩ thuật phát hiện ctDNA dẫn đến khác biệt đáng kể về công nghệ phân tích và kết quả phân tích giữa các phòng thí nghiệm. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về phát triển các phương pháp tiêu chuẩn hóa nhằm đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác của các xét nghiệm ctDNA.

Bảo quản mẫu

Quá trình thu thập, xử lí và bảo quản mẫu máu có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của ctDNA. Mẫu bệnh phẩm không được xử lí đúng cách có thể khiến ctDNA hư hỏng dẫn đến kết quả phân tích không chính xác.

Lời kết

ctDNA đang dần trở thành một dấu ấn sinh học đầy hứa hẹn, mang đến những tiềm năng to lớn trong chẩn đoán, theo dõi và điều trị ung thư. Nghiên cứu và phát triển các công nghệ phân tích ctDNA nhạy bén và hiệu quả hơn sẽ mở ra một kỉ nguyên mới trong cuộc chiến chống lại căn bệnh ung thư, hướng tới mục tiêu chẩn đoán sớm, điều trị cá nhân hóa và nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.