2021肿瘤早筛行业报告：巨头初现产品升级.pdf

巨头初现，产品升级 2021 肿瘤早筛行业报告 1/55 目 录 第一篇 概述与总论.4 一、改变轨迹，肿瘤早筛承载千亿市场.5 二、推陈出新，肿瘤早筛凝聚创新活力.9 三、策略为王，肿瘤早筛剑指医疗健康.13 第二篇 肿瘤早筛的技术路径.17 一、标志物、技术平台锚定肿瘤早筛的经济性.18 二、多组学、低通量形成肿瘤早筛技术新趋势.24 三、数据取胜，结直肠癌、肝癌早筛进展最快.26 第三篇 肿瘤早筛的合规策略.29 一、回顾性和前瞻性临床研究定位肿瘤早筛功能性.30 二、抢先布局，推进大队列前瞻性试验是主流策略.31 三、高投入、高风险，前瞻性临床研究 3 大关键点.36 第四篇 肿瘤早筛的商业模式.38 一、从实验室到终端，肿瘤早筛缺最后一公里.39 二、借力 B 端网络，中心化模式穿透力显不足.41 三、肿瘤早筛的终局猜想：直接服务 C 端人群.44 第五篇 肿瘤早筛的典型案例.46 nMwOvMnOrOpMqOtNxPrNrM8OcM6MsQpPoMoPiNnNtPlOnPpMaQnMqPwMpOtQNZpPnN 2/55 图 表 目 录 图表 1 恶性肿瘤的漫长生长.5 图表 2 全球患癌形势严峻.6 图表 3 国家出台 18 个肿瘤诊疗规范.7 图表 4“漏斗式”放量.8 图表 5 传统检测手段难以满足需求.10 图表 6 廓清肿瘤早筛的边界.11 图表 7 20202021 年国内肿瘤早筛融资及产业进展.12 图表 8 肿瘤早筛的供给模式变迁.13 图表 9 肿瘤早筛行业分析模型.15 图表 10 肿瘤早筛产品开发的四个阶段.18 图表 11 技术路劲 4 大维度.19 图表 12 肿瘤早筛主要的生物标志物.19 图表 13 肿瘤早筛医学统计指标的相互关系.23 图表 14 部分采用多组学的肿瘤早筛企业（泛生子改改）.24 图表 15 截至发布，部分肿瘤早筛产品的医学统计指标.26 图表 16 CLEAR-C 相关数据.33 图表 17 泛生子最新前瞻性队列数据.34 图表 18 肿瘤早筛的供需对接路径.40 图表 19 2B2C 的肿瘤早筛商业模式.42 图表 20 去中心化的肿瘤早筛商业模式.44 3/55 核心观点MAIN VIEWPOINTS 从恶性肿瘤的生长轨迹看，肿瘤早筛确实有望改变生命的轨迹 策略为王的时期，肿瘤早筛只有优势策略，没有绝对优势产品 基于标志物、技术平台的经济性和基于队列数据的功能性定义了策略 多组学、低通量形成肿瘤早筛技术新趋势，产品端数据为王 中心化商业模式穿透力不足，直接 2C 或成终局猜想 4/55 GENERAL 第一篇 概述与总论 5/55 一、改变轨迹，肿瘤早筛承载千亿市场 肿瘤早筛，是指针对表面健康、尚未出现明显异常症状的目标人群，进行早期癌症和癌前病变的筛查。与辅助诊断、伴随诊断等常见的基因检测应用场景以肿瘤临床评价、诊断或者分级为目标不同，绝大多数肿瘤早筛检测结果为阴性。也就是说，适当的肿瘤早筛，是实现早诊早治的基础，将有助于患者减轻痛苦、改善预后，甚至提高治愈率。因此，有观点认为，肿瘤早筛是真正能够改变生命轨迹的事情。通常，恶性肿瘤从超早期阶段的分子癌变到中晚期阶段的组织癌变，历时超过 10 年。在这期间，恶性肿瘤从单个细胞生长到近百克的癌变组织，伴随肿瘤形态加速膨胀，和时间跨度持续压缩，会经过三个裂变阶段。如果能够在长达 10 年的最佳预防时期，和长达 3 年的最佳治疗时期介入，无疑会极大提高肿瘤全流程的诊疗效率。以结直肠癌为例。我国是全球结直肠癌发病率最高的国家，新发病例从 2015 年的 38.8 万例增加到了 2019 年的 44 万例，年复合增长率 3.2%。根据弗若斯特沙利文数据，中国结直肠癌患者五年生存率为 56.9%。如果将患者群体聚焦到早期患者（原位癌尚未发生扩散和转移的患者），五年生存率可以达到 90%以上。如果进一步在发病前就及时发现癌前病变并切除病灶，患者的五年生存率更是接近 100%。另一个例子肝癌，由于早期症状无特异性，我国肝癌患者被诊断时多已处于进展期或晚期，其图表 1 恶性肿瘤的漫长生长 6/55 治疗手段非常受限，同时伴随着血行转移和癌栓形成，直接导致我国肝癌术后五年生存率与欧美发达国家相比处于较低的水平。近年来，随着我国人口老龄化及城镇化进程加快，叠加慢性感染、不健康生活方式、环境暴露等因素，我国恶性肿瘤发病仍然处于逐渐上升的态势，由此导致疾病负担增加、疾病特征变化。世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）发布的 2020 年全球最新癌症负担数据显示，2020 年，全球新发癌症病例1929万例，其中中国新发癌症病例数为457万人，占全球发病人数的23.7%；2020 年，全球癌症死亡病例数为 996 万例，其中中国癌症死亡人数 300 万，占全球癌症死亡总人数的 30%。另据 CA Cancer J Clin 发布的最新数据，2020 年中国人的死亡原因排名中，恶性肿瘤已经跃居第一。“健康中国 2030”规划纲要要求，到 2030 年，我国人均预期寿命要达到 79 岁，全民总体癌症 5 年生存率提高 15%，并提出坚持预防为主、防治结合原则，强化慢性病筛查和恶性疾病的早期发现。目前，国内尚未达标地区还很多，恶性肿瘤是制约国民生命健康最主要的因素之一。因此，国家鼓励地方将癌症筛查纳入政府民生项目措施，以便扩大癌症筛查覆盖范围，从优化服务供给和引导服务需求双向同时发力，推进癌症筛查和早诊早治工作向纵深发展。一直以来，早期筛查和早诊早治都是全世界普遍认同的降低癌症发病率、死亡率的有效手段。数据显示，早期癌症的治愈率可高达 90%。但是，目前市面上的癌症早筛手段均存在一定缺陷，无法兼顾准确性、简便性和低成本。在中国，每天大约 1 万人被确诊为癌症，70%的患者初诊已是中晚期，预后不佳，生存率低。图表 2 全球患癌形势严峻 7/55 2018 年，为了提高肿瘤诊疗规范化水平，国家卫健委在对原有肿瘤病种诊疗规范进行修订的基础上，发布关于印发原发性肺癌等 18 个肿瘤诊疗规范（2018 年版）的通知（以下简称规范），明确了原发性肺癌、甲状腺癌、食管癌、胃癌等国内高发癌种致病诱因筛查、诊断、分型、治疗、预后等方面的规范化举措。例如，该系列规范要求，应当定期对 40 岁70 岁的乳腺癌高危人群进行乳腺超声或乳腺 X 光射线等影像学检查，对 40 岁以上胃癌高危人群定期开展G-17、胃镜、PG 检测等影像学、内镜、肿瘤标志物相结合的检查，以实现对这些疾病的早诊早治。此外，中国癌症防治三年行动计划提出扩大癌症筛查和早诊早治覆盖面。目前，在全国范围内，已有北京协和医院、北大肿瘤医院、陆军总医院、浙江大学第二附属医院、中山大学附属第一医院等全国多家著名三甲医院正在或准备开展大规模高危人群消化道早癌筛查项目。理想状态下，肿瘤早筛的应用场景包括医疗机构及第三方医学检验所开展院内检测服务、直接触达肿瘤高危人群做健康检查和普通消费者的居家便捷检测。现阶段，肿瘤早筛产品尚处于商业化早期，仍以面向院内患者和院外高危人群为主。图表 3 国家出台 18 个肿瘤诊疗规范 8/55 从院内、健康检查到居家，肿瘤早筛所能覆盖的人群数量呈现金字塔形态分布，由上至下逐渐放量。这背后，有两个关键点值得关注。第一，从供给端讲，在我国，以公立医疗机构为主的医疗体系，难以承担人们全部的医疗健康需求，部分操作难度低、实施风险小的医疗项目，应当有序外溢，肿瘤早筛就在其中。以结直肠癌早筛对应的肠镜检查及其配套医疗资源为例。此前一项对某一线城市 14 家三甲医院的调查发现，预约普通肠镜检查平均等待时间为 20 天，超半数医院需等待 1 个月及以上，等待时间最长的为 2-3 个月。无痛肠镜预约检查等待时间会更长，多数医院需等待 3-4 个月，最长甚至一年半左右。中国消化内镜杂志指出，对我国 31 个省市进行普查发现，全国共有 6128 医疗机构开展消化内镜诊疗，共计 26203 名消化内镜医师和 14532 名消化内镜护士，每百万人口仅拥有消化内镜医师 19.59 人，而在日本，每百万人口拥有消化内镜医师数为 262 人。第二，从需求端讲，相对于已经发生症状的患病人群，更大体量的貌似健康人群定期排除患病可能性对应了更大的有效需求量。随着人们前置健康管理的意识不断增强，消费升级的大趋势下，这部分需求的变现活跃度很高。如果以每年恶性肿瘤新发约 450 万例计算，每年存在肿瘤早筛需求的人群数量将十倍于此。以肺癌为例。肺癌是我国人群中发病率最高的三种癌症之一。目前，在国内多家医院呼吸内科和胸外科门诊接待的病人中，有近三分之一的成年人会检查到肺小结节的存在，但医生往往无法通过简单看片判断肺小结节的良恶属性属于，而额外叠加的肿瘤检测手段难度较大。如果能图表 4“漏斗式”放量 9/55 够采用外周血 DNA 甲基化检测，面向门诊患者，可以仅依靠若干毫升常规抽血，简单、快速、准确地给出肺小结节良恶性鉴别结果，将有利于广泛的临床场景应用，市场前景无疑巨大。二、推陈出新，肿瘤早筛凝聚创新活力 通常所指，肿瘤早筛采用的方法主要包括传统检测和液体活检两类。其中，传统检测方式主要有肿瘤标志物检测、医学影像学检查、内镜检查等。液体活检是与组织活检相对应的概念，是伴随精准医疗领域大量新技术出现演化而来的更具性价比的肿瘤早筛解决方案。液体活检以非固态生物组织为标本进行取样，并分析肿瘤相关分析物，例如循环肿瘤细胞、循环肿瘤 DNA等。近年来，如何有效地转化相关科研成果，弥补疾病预防、筛查、治疗缺口，是整个精准医疗行业探讨的重点。传统检验 VS 液体活检 传统检验方式在开展肿瘤早筛的过程中，存在许多不足。以结直肠癌为例，得到国际公认的肠癌临床筛查技术有三类，、便潜血、肠镜和基于分子检测的 FIT-DNA 检测技术。便隐血和指检无法检测早期腺瘤，常规体检的血液癌症检测指标（CEA）灵敏度低，无法检测早期肠癌变异信号，要求 50 岁以上人群全部做肠镜是不现实的。在 2018 年的城市癌症早诊早治项目中，肠镜接受率仅为 15.3%。无明显症状的高危人群依从性不够。需要探索适合我国国情的筛查技术跟方案，提高 CRC 高危人群特异度和肠镜检出率。总体而言，肿瘤在早期阶段，X 线计算机断层成像(CT)、超声成像、正电子发射断层成像（PET-CT）、核磁共振成像等绝大部分影像学方法均无法发现。这是因为，影像学方法只能发现直径1-50px 以上的肿块。国内外研究均证明，临床中应用广泛的肿瘤标志物，普遍存在灵敏度、特异性不足等问题，在极早期肝癌患者诊断和预警方面的特异性、敏感性仍然存在不足，患者早期漏诊率较高。肿瘤标志物是指伴随肿瘤出现而增加的特定物质，例如抗原、酶、受 体、激素、特异性蛋白等成分，通过免疫学、生物学等方法可以快速检测这些物质的变化，进一步确定人体内是否有肿瘤异变。目前，运用肿瘤标志物筛查手段比较多的恶性肿瘤有前列腺癌、肝癌等。前列腺癌筛查主要面向 45 岁以上男性群体，规范推荐筛查手段为 PSA 肿瘤标志物检测；肝癌筛查主要面向 40 岁以上人群，规范推荐筛查方式为 AFP 肿瘤标志物检测，灵敏度、特异性均不高。此外，传统医学手段下的判断结果极大地依赖于医生的临床经验，所以在某些医疗水平相对较 10/55 低的地区，肿瘤早筛早诊问题更加严重。在各种新型检测方法中，液体活检被认为是最有潜力的。首先，液体活检的对象是血液、尿液或粪便等液体样品，取样简单，能够显著降低成本并减少患者的创伤和风险。其次，相比医学影像学和内镜检查每次只能检查特定位点的肿瘤病灶，液体活检更容易实现对多种肿瘤的同步覆盖。第三，液体活检操作简便、检测速度快，可以重复性获取样本进行高频率监测。此外，恶性肿瘤是一种异质性疾病，液体活检可以反映出肿瘤的基因组全貌，在减小肿瘤异质性对诊断造成偏差的同时，也能及时地反应肿瘤发展的动态变化。在肿瘤早期（I 期、II 期）时应用肿瘤分子标记来检测肿瘤细胞基因组出现的突变、缺失、重排、甲基化、扩增和插入等特征，从而对肿瘤早期诊断、预后和治疗方法的选择提供指示。肿瘤早筛 VS 辅助诊断 不过，液体活检肿瘤早筛解决方案也存在其问题。例如，功能定位不够清晰。由于大多数肿瘤早筛产品尚处于行业仍处于初级阶段，尚未形成清晰的产业图谱，很多行业人士也很难准确描述癌症早筛产品和肿瘤辅助诊断产品的区别，容易将二者混为一谈。图表 5 传统检测手段难以满足需求 11/55 实际上，从上图可以看出，肿瘤早筛产品和辅助诊断产品差别显著，对比临床应用更为成熟的疾病诊断产品，这种差异会更加明显。辅助诊断产品主要针对已经有症状的患者进行诊断，通过早期诊断和及时治疗，借此提高患者生存率。通俗来讲，辅助诊断就是排除可能没问题的用户，发现有问题的患者。肿瘤早筛产品则主要针对无症状的高危人群进行筛查，筛选出的阳性人群做进一步的诊断，借此降低死亡率，甚至发病率。通俗来讲，筛查就是排除肯定没问题的用户，留下可能有问题的客户。二者本质和逻辑不同。在产品的设计、临床研究和应用场景等方面，辅助诊断产品与肿瘤早筛产品也明显不同。从产品设计来看，辅助诊断产品看重特异性，而肿瘤早筛产品往往更看重灵敏性。从临床研究来看，肿瘤早筛产品的样本量级高于辅助诊断产品数十倍，方案设计也不相同。从应用场景来看，癌症早筛可以广泛应用于家庭、体检中心、医院，辅助诊断产品应用于医院。总之，对于肿瘤早筛产品而言，临床指导意义、确诊、干预手段三者缺一不可。图表 6 廓清肿瘤早筛的边界 12/55 第一，有明确的临床指导意义，检测结果必须得到临床医生和专家的认可；第二，有简便的确诊方法，可以清晰地告诉患者下一步应该做什么、可能做什么；第三，有可行的临床干预手段，为患者快速提供治疗或者缓解方案。好风凭借力 近年来，基于液体活检的肿瘤早筛这个潜力巨大的市场，一直是国内外基因检测科研和厂商布局的热点。国信证券研报引用数据显示，随着肿瘤检测应用和付费人群覆盖率的加速增长，全球 NGS 肿瘤市场将呈现 27%的年均复合增长率，预计 2035 年将达到 750 亿美元。其中，肿瘤早筛是最大的一块，估计将以 75%的年均复合增长率增长，覆盖人群达到 1.5 亿人次。据蛋壳研究院不完全统计，目前国内从事这类开发的企业有数十家，产品或者临床研究进展比较快的厂商包括诺辉健康、鹍远生物、泛生子、和瑞基因、燃石医学等，其中鹍远生物的结直肠癌早筛产品、和瑞基因的肝癌早筛产品分别于 2018 年和 2020 年完成研发并推出商业化服务，泛生子于 2017 年启动 HCCscreen 的前瞻性队列研究，在 2019 年实现了商业化，诺辉健康更是在 2020 年末上线了国内首个具有产品注册证的肿瘤早筛产品常卫清。与此两相呼应的是，基于肿瘤早筛的液体活检同时也是资本市场的宠儿，从 2015 年前后至今，仅国内布局这一管线的基因检测厂商，就已经累计吸金数十亿元。贝瑞基因、燃石医学、泛生子、诺辉健康陆续登陆资本市场，而鹍远生物也在 2020 年末斩获国内基因检测临床应用该领域截至彼时最大金额的单笔融资。上图简单统计了在 2020 年获得融资的液体活检肿瘤早筛企业的资本和产品进展。截至 2021 年3 月末，曾在 2020 年完成至少一轮融资的相应企业，都已经完成了肿瘤早筛产品的技术模型构图表 7 20202021 年国内肿瘤早筛融资及产业进展 13/55 建与验证，并且实现了服务能力的商业化。这些企业中，超过半数已经进入 B 轮及以后的中晚期创业成长阶段，燃石医学、泛生子、诺辉健康相继上市；过半数开展了规模各异的前瞻性临床研究，但只有诺辉健康实现了产品的商业化。换言之，国内主流厂商的肿瘤早筛业务开始产生现金流，但规模化能力有限。在这个过程中，外部资本提供了关键的力量。三、策略为王，肿瘤早筛剑指医疗健康 从过去到未来，实现肿瘤早筛，需要解决来自技术平台、合规策略和商业模式三方面的挑战。一方面，准确、稳定的检测平台是保证在多种场景下肿瘤早筛早诊高精准度的基础；另一方面，早筛早诊产品的成本过高会限制其在市场中对患者和临床医生的吸引力。总体而言，肿瘤早筛呈现从“高通量、LDT、临床”向“低通量、IVD、大健康”发展的趋势。在这个过程中，技术平台选择的改变将带来成本下降，合规策略选择的改变则实现毛利率的提高，商业模式是的更迭则带来了受众人群的极大扩张。现阶段，“高通量+LDT+临床”仍然是大多数肿瘤早筛厂商所处的发展阶段，从这个角度讲，国内大多数肿瘤早筛厂商尚处于早期的起步阶段。图表 8 肿瘤早筛的供给模式变迁 14/55 2020 年 11 月，诺辉健康的常卫清作为国内首款肿瘤早筛产品正式获批上市，实现了从 LDT向 IVD 的资质跨越。常卫清可以让用户通过居家取样的方式进行结直肠癌筛查，它利用多靶点粪便 FIT-DNA 联合检测技术，能全面捕获异常细胞中与肠道病变相关的信号，可检出进展期腺瘤和肠癌病灶，比血液检测的方法能更早期更精准地发现肠道病变。2018 年发布的中国结直肠肿瘤早诊筛查策略专家共识中对粪便 DNA 分子检测产品，特别是 FIT-DNA 联合检测产品在结直肠癌筛查防治路径中的应用进行了描述。第一种路径，将 FIT-DNA 联合检测用于平均风险人群（4074 岁，无相关症状，无结直肠癌家族史等高风险因素）的结直肠癌筛查，筛查阳性者应进行结肠镜检查。美国产品获批的预期用途与此路径一致。第二种路径，采用 FIT-DNA 联合检测对经判定为结直肠癌高风险的人群（4074 岁，便潜血阳性、问卷风险评估阳性或结直肠癌家族史等）进行“精筛”，阳性受试者应进行结肠镜检查。本次批准的 KRAS 基因突变及 BMP3/NDRG4 基因甲基化和便隐血联合检测试剂盒（PCR 荧光探针法-胶体金法）临床预期用途即符合此路径。常卫清获批适用范围与上述第二种路径一致。诺辉健康把常卫清从研发推动到临床累计投资上亿美金，历经 4 年产品研发和预临床，在“创新医疗器械特别审批通道”加速下，又历时 3年注册临床及 NMPA 审批，将肿瘤早筛采用的技术平台收敛到中低通量、获得了 IVD 的合规资质，并且满足居家检测的条件，即将给诺辉健康带来低成本、高毛利、广覆盖的业绩扩增。目前，诺辉健康完成中国癌症早筛市场的必要条件，即拿下早筛第一证，构建了合规化壁垒。未来 5 年，诺辉健康需要去证明中国癌症早筛的充分条件，通过多元化的商业策略，去探索更多的路径，帮助、教育、引领肿瘤早筛市场。从这个角度讲，布局肿瘤早筛的厂商需要在技术、合规和商业上找到平衡支点，并不太可能出现某个维度优势明显的赢者通吃局面。所以，从技术平台、合规策略和商业模式出发，我们又进一步延伸出对于肿瘤早筛的功能性、经济性两大评价维度。15/55 整体上，肿瘤早筛的功能性与经济性之间存在替代关系。在特定的技术条件下，功能性与经济性之间的替代效应呈现递减趋势，并且存在一定的可能性边界，由此形成相应的优势产品曲线，如图“优势策略曲线 S”。在优势策略曲线 S 限定的范围内，产品 B 与产品 C 是相对产品 A 更具策略优势的产品。在技术能力本身得以迭代前，对比产品 B 和产品 C 总能性能更优的产品并不存在。不过，一旦内外部技术能力得以提升，优势策略曲线沿着优势产品曲线从 S 移动到 S，行业将迎来产品功能性和经济性的大幅度提升，即产品 D、产品 E 所代表的产品性能组合将成为主流。由此可见，综合考虑技术能力提升需要经过漫长的突破和验证，这一点在临床技术方面更甚，加之国内布局肿瘤早筛业务的企业本身携带的是服务基因，而非工程基因，在当前和未来很长一段时间，国内肿瘤早筛行业仍然策略为王，在特定技术条件下，只有优势策略，没有优势产品。只有采用了优势策略的企业，才能在肿瘤早筛市场的激烈竞争中取得先发优势和市场壁垒，如果执意专注优势产品，则可能囿于研发进展，而丢失关键的产品份额。结合国内肿瘤早筛行业实践，我们也可以看到，能够在某个纬度形成优势的公司，都采用了相图表 9 肿瘤早筛行业分析模型 16/55 应的优势策略。17/55 TECHNOLOGY 第二篇 肿瘤早筛的技术路径 18/55 一、标志物、技术平台锚定肿瘤早筛经济性 通常，各类基因测序技术的临床转化需要经过四个阶段。对于液体活检肿瘤早筛技术，亦然。第一个阶段，搭建底层技术平台，这是对基因测序企业最基本但最核心的要求；第二个阶段，建立模型并进行回顾性试验，即用已知数据检验对模型的算法，这一步是为临床应用打下初步基础；第三阶段，进行前瞻性临床试验，即在真实世界里检验上一阶段的模型，在这个阶段，入组的患者越多，临床效果越真实；第四个阶段，产品的产业化落地。尽管从供需两旺、供需相接的角度理解肿瘤早筛还存在许多未解谜题，用技术视角切入会使问题简单许多。通过准确描述一款肿瘤早筛产品的生物标志物、技术平台和医学统计，基本可以对其功能性、经济性做出完整刻画。例如，常卫清是基于 PCR 荧光探针法-胶体金法的 KRAS 基因突变及 BMP3/NDRG4 基因甲基化和便隐血联合检测试剂盒，其注册临床试验的灵敏度、特异性、阴性预测值分别为 95.5%、87.1%和 99.6%。其中，KRAS 基因突变、BMP3/NDRG4 基因甲基化和便隐血是常卫清选择的生物标志物，PCR 是采用的技术平台，95.5%、87.1%、99.6%则是其医学统计指标表现。通常，肿瘤早筛产品 3 大描述维度之间相互联动，而这种联动的强化或者削弱，会影响肿瘤早图表 10 肿瘤早筛产品开发的四个阶段 19/55 筛产品功能性和功能性之间的平衡。生物标志物类型越丰富、数量越多、检测难度越大，对技术平台的要求要求越高，对应的医学统计指标表现会更好，即功能性越强、经济性越弱；反之 一般来说，用于液体活检的肿瘤早筛生物标志物载体包括循环肿瘤细胞（CTCs）、循环肿瘤 DNA（ctDNA）、外泌体和微小核糖核酸（miRNA）等 4 种。当被用于肿瘤早筛时，4 种载体各有其优劣。CTCs 半衰期短，具有较强的实时反映能力，但丰度低，能被捕获的数量极少；cfDNA/ctDNA 对不同的肿瘤组织具有较高代表性，有助于明确肿图表 11 技术路劲 4 大维度 图表 12 肿瘤早筛主要的生物标志物 20/55 瘤基因分型，但缺少标准化检测流程，并且其在早期肿瘤患者血液中的丰度通常不及检测手段的下限；外泌体则数量丰富、稳定性好，但分离、分析灵敏度方面技术受限；miRNA 在肺癌高风险人群中显示出良好的预测价值，但相关性研究尚有待加强。总体而言，CTCs 和 ctDNA 的研究较为成熟，ctDNA 更具优势。CTCs 检测的主要痛点在于捕获难度和识别难度较大。因为在转移性癌症患者的血液循环系统中，每 1x109个正常血细胞中只有一个 CTC，而 ctDNA 在癌症早期检测的敏感性相对更高，也是目前市场上应用最为广泛的生物标志物载体类型。变异方面，通常肿瘤生物标志物在 DNA 层面的变异表现主要包括甲基化、点突变、拷贝数变异等 3 种。甲基化。ctDNA 的甲基化是重要的表观学修饰之一，可以在不改变基因序列的情况下，改变遗传表现，从而控制基因的表达。在人类基因组中，约 3%6%的胞嘧啶（C）都会在 DNA 甲基化转移酶的作用下与甲基基团结合并在 CpG 二苷酸的 C5 位碳上形成共价键。CpG 二苷酸在人类基因组中常以大小为 3003 000 bp 的密集形式存在(CpG 岛)，而这些 CpG 岛通常位于基因的转录起始位置附近，具有调控基因表达的功能。当 DNA 被甲基化后，抑制转录因子和 DNA 的结合，基因被沉默，相应蛋白水平降低。与正常细胞有明显差异的癌细胞，细胞内抑癌基因启动子区域通常处于高度甲基化状态，抑癌基因被关闭，从而使得癌细胞不受抑制地生长。基因甲基化发生在癌症之前，是癌症发生的重要机制，相当于调控基因表达的“开关”，其稳定性和一致性较好，是癌症早筛的理想手段。点突变。点突变影响基因表达，从而参与肿瘤的发生、发展。不同位臵的点突变对基因表达有不同的影响。编码区点突变可能引起密码子出现错义、移码、终止等异常，导致基因表达的蛋白质序列发生改变，最终诱发癌症；非编码区点突变会导致基因不能正常转录，从而诱发癌症。拷贝数变异。拷贝数变异由基因组发生重排而导致，一般指长度为 1kb 以上的基因组大片段的拷贝数增加或减少。基因组拷贝数的异常通常会导致基因剂量的改变，影响基因的正常功能。例如，拷贝数增加会引起某些原癌基因过表达，拷贝数缺失会导致某些抑癌基因失活，进而破坏细胞周期、细胞凋亡、DNA 修复和基因转录等细胞生命活动的正常调控机制，导致细胞癌变。从信号丰富度和信号强度的角度来看，DNA 点突变信号强度比较高，但是信号丰富度较低，通常早期患者携带的与肿瘤相关的突变约为 60 个左右，而每个个体有约 31.6 亿个 DNA 碱基对 21/55 可供突变，这些低频突变的准确识别对测序技术的敏感性要求非常高，难度极大，DNA 拷贝数变异则对于检测深度要求较高。DNA 甲基化几乎出现在所有癌症的癌前病变及癌症早期阶段，是癌症早筛的理想标志物。在人类基因组的 2800 万个 CpG 双核苷酸位点上，60-80%的胞嘧啶残基被甲基化修饰，成为癌症早筛中普遍而丰富的信号来源，而且 DNA 甲基化经常发生在肿瘤的形成过程中，肿瘤初期通常会发生抑癌基因甲基化水平升高或者原癌基因甲基化降低的现象，因此甲基化模式的改变是癌症早筛的理想指标。技术平台方面，甲基化的检测技术不断更新迭代，目前依据对样本 DNA 预处理方式的不同，可以将 ctDNA 甲基化的检测手段分为三大类：（1）基于限制性内切酶的预处理；（2）基于亲和富集的预处理；（3）基于亚硫酸氢盐的预处理。其中，基于亚硫酸盐的预处理来进行 ctDNA甲基化的检测和分析的技术最为成熟，是当前的主流技术手段。不过，预处理方式方面也有创新。比如，吉因加采用了相比亚硫酸氢盐转化更加温和的甲基化转化策略，在保持高精度甲基化检测的同时能够检测基因组变异。基于亚硫酸氢盐处理，发展出多种测定 ctDNA 甲基化的分析方法，如甲基化特异性 PCR、实时荧光 PCR、第二代测序（NGS）等。鹍远生物则选择了包含 PCR、NGS 的多种测序平台。诺辉健康常卫清利用免疫法便隐血、基因突变、基因甲基化三种技术手段获取检测数据，并将传统 PCR 平台作为其中一种检测方式。对于肝癌早筛早诊来说，最大的技术挑战在于区分肝硬化和肝癌人群微弱的分子生物学差异。和瑞基因基于 PreCar 项目，通过早筛早诊多组学生物标记物的选择、构建技术平台和 AI 分析框架、严格的前瞻性临床队列患者入组、对入组人群长期随访跟踪等关键阶段的不断挑战，成功转化 WGS 多维度变异肝癌早筛技术。该技术依托全基因组测序（WGS），通过提取血液中的游离 DNA（Cell free DNA，cfDNA），在全基因组范围内检测与肝癌发生风险相关的核小体印迹、片段大小分布、序列末端和拷贝数变异多维度变异信息，利用集成学习的思想，使用逻辑回归算法对多维度变异结果进行整合，得到综合加权值 HIFI SCORE，预警肝癌风险。此外，核酸质谱平台、快速 FISH 平台也被用于肿瘤早筛。核酸质谱平台。通过检测样品离子化后的质荷比来确认样品中 DNA 甲基化程度，具有快速、准确、稳定、高通量、定量甲基化检测等优点。将基因组 DNA 经过亚硫酸氢盐处理、PCR 扩 22/55 增、体外转录 RNA、尿嘧啶特异性内切酶切割等步骤处理后，甲基化胞嘧啶（5mC）会转化成为鸟嘧啶（G），而未甲基化胞嘧啶（C）则转化成为腺嘌呤（A）。经处理前后的基因组 DNA 在质谱上会显示出分子量的差别，并且由于基因组 DNA 甲基化程度和 G 转化个数成线性正相关，故此种检测方法还可以定量输出样品基因组 DNA 甲基化程度。总部位于南京的腾辰生物便采用这种方式。FISH 平台。荧光原位杂交技术（Fluorescence in situ hybridization，FISH）是一种分子遗传学技术，原理是采用荧光染料标记的 DNA 探针与组织细胞中待测的核酸按碱基配对原则进行特异性结合，通过荧光显微镜检测信号得出结果，从而检测细胞和组织样本中的染色体和基因异常。不过，由于 FISH 探针含有重复序列，需要过夜杂交，检测周期长。如果能够将快速 FISH 技术用于肿瘤早筛，后者的应用场景将极大增加。通常，衡量一项肿瘤早筛的优劣，会采用敏感性、特异性、诊断效率、阳性预测值、阴性预测值等医学统计指标。诊断敏感性：是指将实际患者正确地判断为阳性(真阳性)的百分率，体现了肿瘤早筛产品判断阳性病例的能力。计算公式为：TP/(TP+FN)100%。TP 为真阳性，FN 为假阴性。诊断特异性：是指将实际无病者正确地判断为阴性(真阴性)的百分率，在检测发现的阳性患者中是真正阳性的比例或排除阴性病例的能力，特异性 越低就意味着假阳性的可能性越大，会导致患者接受更多不必要的后续检测，给患者 带来一定的身心和经济负担。计算公式为：TN/(TN+FP)100%。TN 为真阴性,FP 为假阳性。诊断效率：是指能准确区分患者和非患者的能力。计算公式为：(TP+TN)/(TP+FP+TN+FN)100%。对于肿瘤早筛而言，除了前述 3 个检测/诊断类项目常见的医学统计指标外，阳性预测值和阴性预测值至关重要。这是因为，一方面，肿瘤早筛产品需要面向更广泛的人群，应用场景也处于肿瘤更早期，预测能力的优劣，直接对应了产品的使用价值；另一方面，对于大多数人而言，使用肿瘤早筛产品的初衷是排除而非确诊恶性肿瘤，由此，对阴性预测值提出了更高的要求。阳性预期值：是指特定试验方法测定得到的阳性结果中真阳性的比率，是衡量早筛产品“漏检”能力、排阴能力的权威指标之一。计算公式为：PPV=TP/(TP+FP)100%。23/55 以结肠癌筛查为例，阳性预测值越高，意味着更多的人能受益于肠镜检查；阳性预测值越低，意味着大量受检者会受到不必要的“惊吓”并将持续地采取原本非必要的医疗行为（比如每年 一次 PET-CT），给患者造成经济和精神上的双重压力。阴性预期值：是指特定试验方法测定得到的阴性结果中真阴性的比率，也是国际广泛认可用以衡量早筛产品的权威指标之一。计算公式为：NPV=TN/(TN+FN)100%。NPV 越高，意味着受检查可以对阴性结果更加放心。仍以结直肠癌筛查为例，如果早筛产品的 NPV 越低，意味着假阴性比例过高，可能导致较多的结直肠癌患者因漏检而贻误治疗。例如，数据显示，常卫清阴性预测值（NPV）达到 99.6%，可实现最大程度避免“漏检”。临床上，看筛查和体检有相似的目的，最核心的功能帮助被检者排除健康风险，最大程度的保证阴性检测结果的可靠性，敦促阳性检测结果的被检者到医院就医。PPV/NPV 与敏感性、特异性和患病率均有关系。患病率越高，阳性预测值越高，说明在高危人群中进行检测比较有效，假阳性发生率较低，从而避免过度诊疗；患病率越低，阴性预测值越高，说明在平均风险人群中进行检测比较有效，假阴性发生率较低，从而避免漏检漏诊。PPV 受特异性影响也较大，在患病率相同的情况下提高特 异性比提高敏感性更有助于提高 PPV。PPV、NPV、敏感性和特异性关系紧密且受到很多因素影响，在进行肿瘤早筛实验设计时，要图表 13 肿瘤早筛医学统计指标的相互关系 24/55 尽量平衡三者之间的关系，寻找最佳平衡点，不可一味追求其中一项指标。监管部门及市场在评估产品性能时，也不会仅参照其中一项指标，而应该在了解癌种特 点和实验条件的情况下对三个指标进行综合评估来判断产品的价值。以结直肠癌为例，结直肠癌早筛对于敏感性的要求比特异性要高，因为有“金标准”肠镜可以作为最后的确诊手段，但是要保证较高的敏感性才能避免漏掉阳性患者。二、多组学、低通量形成肿瘤早筛技术新趋势 具体到产品设计中，开发者首先需要找到生物标志物，选定靶点、确定位点，并选用相应的技术平台。大量研究已经证明，疾病的发生发展与多种因素有关，恶性肿瘤等复杂疾病涉及基因组、转录组、蛋白质组、微生物组和代谢组等多个不同层次和不同维度的病理过程。如果只对单一组学的数据进行分析，会给靶点的筛选带来极大的局限性。要想实现复杂疾病精准医疗，有赖于多维度数据的积累，待多维度病患数据丰富后，对多组学数据进行多层次、多维度的综合分析，有助于研究者更加全面和系统地认识疾病的发生、发展，为疾病早筛、临床诊断乃至之后的药物研发和精准医疗提供更多可用和有效信息。多组学和生物信息分析，并开展大规模的多组学大队列人群研究是现阶段肿瘤早筛产品开发的主流趋势，也是发现生命化学物质基础和深入了解其分子机制的新方向。对多组学数据的整合分析，有利于研究者系统性地研究临床发病机理、确认疾病靶点，发现生物标志物、进行疾病早期诊断，推动多组学数据在个体化治疗和用药指导中发挥更为重要的作用。图表 14 部分采用多组学的肿瘤早筛企业 25/55 例如，泛生子选择了 ctDNA 的碱基突变、甲基化和蛋白标志物；诺辉健康选定了 4 个靶点和31 个位点，对应 PCR（荧光探针法）+胶体金的多重技术路线；和瑞基因则选择 ctDNA 甲基化、拷贝数变异和片段化分析等。在此基础上，已经有国内团队结合微生物组学、代谢组学、基因组学等多维度的信息，综合考虑了遗传和环境因素，通过荟萃分析（meta-analysis）鉴定相对稳定的常见肠道疾病的疾病相关菌群，进一步考虑了细菌、真菌、古菌和病毒等不同微生物界别及它们之间的互作。例如，仁东医学开发的结直肠腺瘤早筛产品，就结合了细菌和真菌两大微生物界别。此外，为了获得更高的灵敏度和特异性，更高级的生物信息去噪算法也是各公司抢占的技术高峰。例如，仁东医学开发的 X-interaction 去噪算法实现了从关联方法到因果推理质的飞跃。此外，多组学正朝着“多组学+”方向更加深入地发展，在深度和广度上不断拓宽。大数据和深度学习算法开始被用于肿瘤早筛，实现无创智能检测。例如，奇云诺德推出了多组学智能系统、精准健康管理智能 AI 系统、可视化报告管理系统、数据管理一体机等多款产品，对结直肠癌的检测特异性和敏感度预计可以达到 95%以上。26/55 三、数据取胜，结直肠癌、肝癌早筛进展最快 生物数据库和提取技术，是制约肿瘤早筛产品功能性的核心制约因素。对于不同癌种，技术路径的考量存在微妙差异，而拥有足够真实世界人群数据的企业，在现阶段的产品开发中抢占了先机。结直肠癌。诺辉健康常卫清注册临床试验 Clear-C 数据显示：对结直肠癌灵敏度为 95.5%，对进展期腺瘤灵敏度为 63.5%，对结直肠癌的阴性预测值达到了 99.6%。根据弗若斯特沙利文，这项临床结果实现全球业内最佳。这让常卫清获批“中国癌症早筛第一证”。此外，诺辉健康宣称已经建立起全国乃至全球最大规模的粪便 DNA 样本库。在样本量足够丰富的情况下，借助人工智能技术，可以基于算法模型预测出潜在的癌症相关信息。随着粪便DNA样本规模的进一步扩大，诺辉健康后续有望相对清晰地观察到生命基线变化，进而推测出患癌可能性。鹍远生物开发了一系列基于游离 DNA（cfDNA）分析的独有专利技术，并在利用高通量甲基化测序技术进行循环肿瘤 DNA（ctDNA）检测和癌症早期诊断方面取得了卓越的进展，利用图表 15 截至发布，部分肿瘤早筛产品的医学统计指标 27/55 TiTanSeq和 MONOD等技术研发新的产品线。2017 年 4 月，鹍远生物联合创始人张鹍教授在 Nature Genetics 上发表甲基化测序技术应用于癌症早筛的研究成果。此后，鹍远生物与国内多家医院合作进行了若干个癌症早筛早诊项目的联合开发和验证实验，并基于这些国内外大样本的临床研究，开发了肠癌的早期筛查和诊断产品ColonES常乐思和 ColonAiQTM 常艾克 TM，用于人群结直肠癌、结直肠进展期腺瘤(癌前病变)检测。肝癌。我国是肝癌的发病大国，每年新发病例约占全球的 59%。据统计，国内约 9000 万肝炎患者和约 700 万肝硬化患者。一般而言，通过注射预防性疫苗，在 45 岁以下人群，乙肝病毒携带率已经大幅度降低。但 45 岁以