TMB肿瘤突变负荷的诞生和热门-生信自学网

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TMB的诞生
有赖于基因测序技术的进步，纪念斯隆-凯特琳癌症中心（MSKCC）的Jedd D. Wolchok和Timothy A. Chan领导的研究团队，尝试从肿瘤基因组学的角度回顾性地探索这一重要问题。
既然免疫治疗是否有抗癌效果，主要依赖于免疫细胞对癌细胞特异性抗原的识别；那么，从理论上讲，那些携带基因突变越多的癌症患者，癌细胞产生的新抗原越多，被免疫细胞识别的可能性更高。也就是说，肿瘤组织的突变负荷（tumor mutational burden，TMB）越高，患者或许从免疫治疗中获益越多。

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《TCGA数据库肿瘤突变负荷TMB分析》
2014年，通过分析接受过CTLA-4抗体治疗癌症患者的全外显子（WES）测序数据，研究人员研究了TMB与治疗效果之间的关系[1]Genetic Basis for Clinical Response to CTLA-4 Blockade in Melanoma。
很幸运，他们发现了TMB与免疫治疗效果之间的关系，但是遗憾的是单独依赖肿瘤突变负荷，不足以预测患者的预后。这个研究也证实了，一直以来被认为对癌症的发展方向没左右能力的“乘客突变”，极有可能是肿瘤是否响应免疫治疗的“免疫决定因素”这一假说。也为用外显子测序指导免疫治疗提供了理论依据。这也是TMB首次邂逅免疫治疗。
伴随着2014年下半年，两款PD-1抗体分别获得FDA的上市批准。Timothy A. Chan又带领研究团队分析了肿瘤突变与PD-1抗体治疗响应之间的关系。

不出意外，在两个队列的回顾性研究中，再次借助全外显子测序（WES），Timothy A. Chan发现，在接受PD-1抗体治疗的非小细胞肺癌患者中，肿瘤中较高的非同义突变负担与客观反应提升，持久的临床益处和无进展存活相关。2015年初，这项临床回顾性研究结果发表在《科学》上[2]Mutational landscape determines sensitivity to PD-1 blockade in non-small cell lung cancer。

在TMB走向巅峰的过程中，最让人震惊的事件发生在前两年。
2016年，施贵宝（BMS）宣布其PD-1抗体nivolumab在非小细胞肺癌III期临床Checkmate-026中没有抵达主要临床终点[https://www.ascopost.com/News/43820]。对于那些PD-L1≥5%，且未经治疗的晚期肺癌患者，nivolumab未能比标准化疗延长无进展生存期。
按照之前对免疫检查点抑制剂的理解，PD-L1≥5%疗效还不好，这是难以置信的。不过它发生了，事实就摆在那里。研究人员认为，Checkmate-026失败的锅，不能让nivolumab背，背后肯定有其他原因。
于是他们又回过头去分析试验数据，发现TMB水平高的患者，用nivolumab进行治疗后，肿瘤缓解和生存获益的结果都显著优于化疗[3]First-Line Nivolumab in Stage IV or Recurrent Non–Small-Cell Lung Cancer。
TMB这才吸引了全世界的目光。
上面的两个回顾性研究表明，TMB可能是预测免疫治疗效果的优秀标志物。不过，如果是用全外显子测序评估肿瘤组织的TMB，这个成本恐怕会高的没人用的起。所以，这两个研究也没有引起太大的轰动效应。

Foundation Medicine, Inc（FMI）和MSKCC的努力让事情出现了转机。
其中FMI推出了FoundationOne（F1），这款产品分析数百个癌症相关基因的总计约1.1Mb大小的外显子序列，然后计算TMB水平。
大量的研究表明，以F1为代表的TMB检测与WES相比，一致性高[4]Comprehensive cancer-gene panels can be used to estimate mutational load and predict clinical benefit to PD-1 blockade in clinical practice [5]Targeted next generation sequencing identifies markers of response to PD-1 blockade [6]Molecular determinants of response to anti–programmed cell death (PD)-1 and anti–programmed death-ligand 1 (PD-L1) blockade in patients with non–small-cell lung cancer profiled with targeted next-generation sequencing。
2017年，FMI发布了接受F1检测的10万例患者数据分析[7]Analysis of 100,000 human cancer genomes reveals the landscape of tumor muta。数据显示，通过F1评估的TMB与全外显子（WES）测序一样准确。

此外，这个研究还全面评估了百余种癌症的TMB图谱，分析了TMB与MSI之间的关系。他们发现，83%的MSI-H同时也是TMB-H，且97%的MSI-H样本的TMB≥10 mut/Mb；只有16%的TMB-H样本同时为MSI-H。这也意味着，TMB可能比dMMR和MSI使用范围更广。
同年，约翰·霍普金斯大学的Elizabeth Marion Jaffee教授在分析了多个临床研究数据之后，得出结论[8]Tumor Mutational Burden and Response Rate to PD-1 Inhibition：TMB对27种肿瘤类型的免疫治疗有显著的预测作⽤，TMB与ORR之间存在显著相关性（P＜0.001），相关系数为0.74，这意味着在这27种肿瘤中，55%的ORR差异可以用TMB来解释；凸显了TMB与抗PD-1治疗疗效之间存在强相关性。

基于前期的一系列高质量研究，FDA最终批准了FoundationOne CDx成为首个泛瘤种伴随诊断产品，它覆盖了324个基因，两个预测免疫检查点抑制剂疗效的分子标记MSI和TMB（TMB计算方法：0.8Mb编码区域里包含所有的同义突变和非同义突变，并去掉胚系突变和肿瘤驱动突变），覆盖全部实体瘤（除肉瘤）。

TMB的未来
到了2018年，证明TMB实力的前瞻性研究论文终于发表。
这项在非小细胞肺癌中开展的临床研究（CheckMate227），使用了FMI的伴随诊断产品FoundationOne CDx。结果表明：在TMB≥10 mut/Mb的晚期非小细胞肺癌患者中，与铂类双联化疗相比，nivolumab加低剂量ipilimumab治疗明显延长了1年的无进展生存率（42.6% vs 13.2%），翻了3倍多；无进展生存期也显著延长（7.2月 vs 5.4月）[9]Nivolumab plus Ipilimumab in Lung Cancer with a High Tumor Mutational Burden。

在刚刚闭幕的2018年欧洲肿瘤医学协会会议（ESMO）上，FMI的科学家又系统地分析了FoundationOne CDx计算的TMB与全外显子检测的匹配度。研究人员再次证实，只要临床组织样本中肿瘤细胞的含量能达到20%，FoundationOne CDx计算的TMB就能达到非常好的可重复性，可重现性，灵敏性和准确性。
这个研究结果是在全球范围内首次在III期临床试验中证实：无论PD-L1表达水平如何，只要非小细胞肺癌患者的TMB高，联合免疫治疗都能够给他们带来无进展生存期显著获益。也是首个证实TMB可以作为免疫治疗效果预测伴随诊断方法的前瞻性临床研究。

与此同时，另一项并列开展中的CheckMate568也表明，在接受nivolumab加ipilimumab治疗的非小细胞肺癌患者，TMB≥10 mut/Mb的患者中位无进展生存期几乎是TMB＜10 mut/Mb患者的3倍（7.1月 vs 2.6月），无论PD-L1表达水平如何。
这两个研究奠定了TMB在预测免疫治疗效果中的地位。
正是基于这些研究成果，在今年刚刚推出的非小细胞肺癌NCCN指南中，TMB赫然在列，成为非小细胞肺癌患者接受免疫治疗的推荐检测方法。

尽管如此，TMB仍面临一些问题。从前面的临床研究中我们也不难看出，有些TMB非常高的患者对免疫治疗也没有反应，有些TMB低的患者使用免疫检查点抑制剂效果却很好。
这意味着，除了TMB之外，患者对免疫治疗的响应程度还与其他多种因素有关。这也提示，将TMB与其他的标志物联合使用可能会提升TMB的预测能力。
近日，Razvan Cristescu等在《科学》上发表的一项研究成果给了我们一定的启示：同时检测T细胞的活性水平和TMB可能是个不错的方向[10]Pantumor genomic biomarkers for PD1 checkpoint blockade–based immunotherapy。

此外，目前TMB检测主要还是基于肿瘤组织。然而，有很多患者没有足够的肿瘤组织可供使用，甚至有些患者还不适合做组织活检，在非小细胞肺癌里面就有近30%的患者是这样的状况[11]Biomarker testing and time to treatment decision in patients with advanced nonsmall-cell lung cancer。
日前，加州大学戴维斯分校综合癌症中心、基因泰克公司和FMI联合证实，血浆中肿瘤突变负荷（bTMB）可准确重复测量，并且与免疫检查点抑制剂疗效相关。证实了bTMB对免疫治疗药物疗效预测的有效性。

就在这个研究发表的数日后，来自宾夕法尼亚大学的华人学者Xu Xiaowei和Guo Wei发现，肿瘤内的癌细胞会产生携带压制T细胞活性的PD-L1的外泌体，这种外泌体从肿瘤组织中直接散播到全身各处，对人体的免疫系统进行全面的打击和压制[12]Exosomal PD-L1 contributes to immunosuppression and is associated with anti-PD-1 response。