Clinical impact of circulating tumor DNA analysis for monitoring treatment response in colorectal cancer patients

Abstract

Colorectal cancer (CRC) patients receiving adjuvant therapy and undergoing surgery require non-invasive and sensitive biomarkers for monitoring treatment outcomes. Currently, conventional tumor biomarkers are widely used as carcinoembryonic antigen (CEA). However, this marker has several limitations including suboptimal sensitivity and specificity. Circulating tumor DNA (ctDNA) could be a useful biomarker for monitoring patients with CRC. This study prospectively enrolled 105 CRC patients and collected 263 plasma samples with variety of clinical features. We designed a customized panel targeting 14 genes related to CRC for monitoring treatment responses in CRC patients. NGS of ctDNA was performed average depth of 30,000 x, and the sequencing results were assessed to examine potential correlations with clinicopathologic characteristics and clinical outcomes. The average variant allele frequency (VAF) was calculated for tier 1/2 mutations, and significantly associated with tumor characteristics (P < 0.01). Analysis of ctDNA identified a total of 140 alterations in 56.2 % of the patients (59/105). The average number of ctDNA somatic mutations per sample was 1.35. The results showed that APC (36.0 %), TP53 (35.0 %), and KRAS (23.0 %) were the most frequently mutated genes. The presence of KRAS mutations in 39 patients, whose tissue biopsies were available, was compared between the tissue and ctDNA samples. Out of 39 patients, 30 exhibited consistent results, In the cases in which ctDNA mutations did not match those detected in tissues samples, the differences were associated with the patient's metastasis status and tumor stage. Moreover, through longitudinal monitoring, ctDNA was sensitively detected and correlated with either metastasis and recurrence or with CEA levels, a conventional diagnostic marker. An absence of ctDNA mutations at the first clinical follow-up evaluation after treatment and ctDNA clearance were significantly associated with longer progression-free survival (PFS), respectively (P < 0.0001, P = 0.013). This study suggests that ctDNA is a useful non-invasive clinical marker for monitoring disease status during follow-up in CRC patients. Serial ctDNA testing was found to improve patient management through monitoring disease progression and the mutational status of the tumor over time. 대장암은 발병률과 발생률이 세계적으로 3위를 차지한다. 치료 방법의 발달로 사망률은 개선이 되었지만, 여전히 전이와 높은 재발률을 보이기 때문에 치료 후 모니터링을 하는 것이 중요하다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 비침습성 바이오 마커는 암배아항원 (CEA) 마커로 모니터링에 사용하기에는 낮은 민감도와 특이성의 한계를 가지고 있다. 높은 민감도와 특이성을 가지는 비침습적 바이오마커로 순환 종양 DNA (ctDNA)는 대장암 환자를 모니터링하는 데 유용한 바이오 마커가 될 수 있다. 본 연구에서는 대장암을 진단받은 105명의 환자를 등록하고 263개의혈장 샘플을 수집했다. 105명의 대장암 환자의 치료 반응을 모니터링하기 위해 관련 유전자 14개를 대상으로 패널을 설계해 NGS를 실시했으며, 염기서열 분석 결과는 병리학적 특성 및 임상 결과와의 상관관계에 대해 평가되었다. ctDNA 분석은 환자의 56.2 %에서 총 140개의 변이를 식별했다 (n = 105). 그 결과 그 결과 APC (36.0 %), TP53 (35.0 %), KRAS (23.0 %)이 가장 많이 변이된 유전자로 나타났다. 선형 분석은 최대 변이 대립유전자 주파수와 종양 단계 사이의 양의 상관관계(P < 0.01)를 보여주었다. 조직 생검 결과(KRAS)가 있는 39명의 환자의 ctDNA와 종양조직의 KRAS 변이 검출은 30명은 일치하였으며, 일치되지 않는 9명은 전이되지 않거나 종양 2기에 해당되었다. 이는 전이의 여부가 돌연변이 검출에 영향을 미치는 것으로 시사되었다. 또한 연속적 ctDNA의 분석을 통해서 질병 진행을 예측하는 데 있어 치료 후 첫 임상 추적 평가의 ctDNA 돌연변이가 검출되지 않거나 두 번 연속적으로 변이가 나타나지 않는 환자의 경우, 무진행생존율 (PFS)가 그렇지 않은 환자보다 더 길었으며 영상 이미지 결과와 복합적으로 분석 시 통계적으로 유의하게 긴 무진행생존율을 나타냈다 (P < 0.0001, P = 0.013). 이러한 데이터는 ctDNA의 연속적 분석이 시간의 경과에 따른 종양의 질병 진행 및 돌연변이 상태 모니터링을 통해 환자 관리를 개선할 수 있음을 의미한다. 본 연구는 ctDNA가 다양한 임상 조건의 대장암 환자의 추적 관찰 중 질병 상태를 모니터링하는 데 유용한 비침습적 바이오 마커임을 시사한다.