張金堅、葉顯堂：癌症特徵新篇章：染色體外DNA

本文摘自<常春月刊>520期

文／張金堅（乳癌防治基金會董事長）、葉顯堂（羅東博愛醫院副院長）

 

過去癌症研究都集中在染色體內的基因重組，突變、擴增等，然而新近的研究，癌症更像一個不斷演化的動態歷程，癌細胞會透過基因體不穩定、染色體重組、致癌基因擴增、免疫逃脫等機制來持續尋找生存路徑。ecDNA（extrachromosomal DNA，染色體外DNA）正是此動態過程非常關鍵的一環。它讓致癌基因快速放大，讓腫瘤的異質性更嚴重，讓癌細胞更具抗藥性，也可能讓免疫系統更難辨認癌細胞，ecDNA正是利用這些混亂情況營造癌症更加刁蠻難纏的元凶。

 

長期以來，我們常把癌症想像成一群基因突變的細胞，只要找出關鍵突變，再用標靶藥物或免疫治療加以控制，就有機會延長存活、改善預後。目前的癌症治療大致都以此類理論架構，但在臨床上也常看到有些病人一開始治療效果很好，腫瘤明顯縮小，腫瘤指數下降、影像也改善，但過了一段時間，癌細胞又重新長出，甚至變得難以治療。這些問題的背後，已指向另一核心，癌症不是靜止不動的疾病，而是一種不斷演化的動態過程。在這個動態過程中，近年來受到高度重視的關鍵角色，就是「染色體外DNA」，英文稱為「extrachromosomal DNA」，簡稱「ecDNA」。

 

染色體外DNA在哪些癌症發現？

染色體外DNA是百萬鹼基環狀DNA，它缺少正常染色體的「著絲點」（Centromere），因此，當細胞分裂時，它會隨機且不均勻分散到子細胞。它只存在癌細胞內，不存在於正常細胞，由於目前已有Amplicon Architect的演算工具，可以將全基因組測序數重建癌症樣本中局部擴增區域結構，據此能辨識出染色體外的DNA。及至2025年底為止，從英格蘭基因組織計畫（Genomics England cohort），及癌症基因學計畫（TCGA cohort）中知道大致有14～18%的癌症標本有染色體外DNA，在成人比較常在膠質母細胞瘤（glioblastoma）、肺癌、乳癌、肉瘤、消化道及泌尿系統癌症的檢體中發現。

 

至於兒童則在髓母細胞瘤（Medulloblastoma）及神經母細胞瘤，如有染色體外DNA的癌症，往往預後較差，存活率較低。（圖一）

染色體外DNA（ecDNA）是甚麼？

一般人的DNA主要存在於細胞核內的染色體中。染色體就像一本保有傳承生命有關基因資訊的厚書，會在細胞分裂時按照相對穩定的方式（孟德爾遺傳法則）分配給子細胞。

 

但在許多癌細胞中，科學家發現有一些DNA並不在染色體上，而是以圓形結構存在於細胞核內。這些圓形DNA片段，就是所謂的染色體外DNA，也就是ecDNA。

 

ecDNA並不是最近才被發現。早在 1962年代，A.Spriggs就已經在癌細胞的染色體觀察中看到類似結構，當時稱為「double minutes」（雙微體）。只是受限於當時沒有先進的影像與基因定序技術，人們長期以為它只是少見現象，臨床重要性不高；直到近十多年，全基因體定序、單細胞分析、影像技術與生物資訊方法快速進步，ecDNA才重新被檢視，而且被證實和癌症惡化、基因擴增、腫瘤異質性、治療抗藥性與較差預後有著密切關聯性。

簡單來說，ecDNA就像癌細胞偷偷從傳承生命的染色體這本厚書上撕下某些重要頁面，另外做成一本可以快速複製、到處移動、又不受正常規則約束的小冊子。更麻煩的是，這些小冊子常常連帶著癌症生長最需要的關鍵內容，例如EGFR、MYC、ERBB2、CCND1、CDK4、MDM2等促進癌細胞增生與存活的致癌基因。

 

ecDNA為什麼會讓癌細胞更強？

最令人困擾的地方，ecDNA不只是存在於染色體外，而是具有幾個讓癌細胞變得更難治療、更難對付的特性，分述如下：

 

❶它可以讓癌基因快速擴增

在正常染色體上，基因複製和分配受到較多規範。但ecDNA沒有著絲點，也不受傳統染色體遺傳規則的限制，因此在癌細胞分裂時，可能不平均地分配到子細胞中。有些子細胞拿到很少，有些子細胞卻拿到很多份ecDNA。若這些ecDNA上剛好帶著促進生長的癌基因，使得拿到較多ecDNA的癌細胞就可能長得更快、存活力更強，甚至在治療壓力下仍然不被消滅。

 

❷它會造成腫瘤內部高度異質性

很多病人以為身上的腫瘤是一群差不多的癌細胞，但事實上，同一顆腫瘤內的癌細胞可能差異很大。有些細胞帶有大量ecDNA，有些細胞沒有；有些細胞對治療敏感，有些細胞比較能抵抗藥物，具有抗藥性。這種差異，正是癌症難以治療的重要原因之一。

 

可以把腫瘤想像成一個由不同敵軍組成的部隊。若每個癌細胞都一樣，治療就比較容易精準打擊；但若每一小群癌細胞都有不同武器和逃生能力，治療就會變得困難。ecDNA的不平均分配，正是製造這種內部混亂的重要源頭。

 

❸ecDNA上的基因特別容易被大量表現

研究指出，ecDNA不只是帶有比較多份致癌基因，它的圓形結構、開放染色質狀態，以及和增強子等調控元件的組合，會讓上面的癌基因更容易被啟動。換句話說，ecDNA不只是「多帶幾份癌基因」，而是把這些癌基因放在一個更容易被打開、更容易大量表現的位置。

 

增強子劫持（Enhancer Hijacking）與 染色體外樞紐（ecDNA hub）：癌細胞的基因加速器

 

如果把基因比喻成燈泡，那麼增強子就像遠端開關，可以調控基因是否被打開、亮度有多強。正常情況下，基因和增強子在染色體上有一定的空間秩序，不是任何開關都能隨便打開任何燈泡。但ecDNA的出現，打亂了這個秩序。許多ecDNA不只帶有癌基因，也會把增強子一起帶走，甚至把原本不該靠近的基因與調控元件重新組合在一起，形成所謂「增強子劫持（Enhancer Hijacking）」。這會讓癌基因被異常啟動，表現量大幅上升。更進一步的研究也發現，有些ecDNA甚至不帶有完整癌基因，而是主要帶有增強子或其他調控元件，可能透過空間上的接觸，影響其他ecDNA或造成染色體上的基因表現。

 

另一個重要概念是ecDNA hub，就是多個ecDNA在細胞核內聚集成一個高效率的轉錄工廠。當帶有不同癌基因或調控元件的ecDNA聚集在一起，就可能彼此合作，讓癌基因表現比單純拷貝數增加還要更強。研究指出，這些染色體外樞紐是高度活躍的結構，可以促進分子之間的增強子與啟動子（promter）互動，進一步加速腫瘤進展。

 

這也說明了為什麼ecDNA不是單純的DNA碎片，而是癌細胞中一套非常有效率的基因放大與調控系統。它讓癌細胞在短時間內提升生長訊號，也使得癌細胞更容易因應環境壓力快速改變。（圖二）（圖三）

 

ecDNA如何形成？

目前對ecDNA形成機制仍在研究中，但多篇文獻都指出，它與基因體不穩定、染色體斷裂、錯誤DNA修復和染色體重組有密切關係。

 

當細胞DNA發生雙股斷裂時，正常細胞會啟動修復機制；但癌細胞的修復系統常常出錯，斷裂的DNA片段可能被錯誤接合，形成圓形結構。另一種可能是染色體發生災難性碎裂，也就是染色體碎裂（chromothripsis），許多DNA片段會在短時間內被打碎後重新組合，其中一部分無法回到原本染色體位置，便可能形成 ecDNA。

 

也有研究提到，斷裂融合橋循環（Breakage-Fusion-Bridge cycle）、複製壓力（Replication Stress）、端粒異常與錯誤修復途徑，都可能參與ecDNA的形成。這些現象本質上都反映同一件事：當細胞基因體越不穩定，越容易產生異常DNA結構，而癌細胞正是最容易出現這種混亂的環境。

 

對一般民眾來說，不需要記住所有分子機制，但要理解一件事：癌症不是只有單一基因突變，而是整個基因體秩序的破壞。ecDNA正是這種秩序破壞後，癌細胞反過來會利用這種混亂局面、加速自己演化的一種方式。（圖四）

 

為什麼ecDNA和治療抗藥性有關？

目前癌症治療最困難的問題之一，就是抗藥性。標靶治療可以針對特定癌基因或訊號傳遞路徑加以攻擊，但如果癌細胞能快速調整基因拷貝數，就可能逃過治療壓力。例如，當藥物壓制某一條生長路徑時，帶有特定ecDNA的癌細胞可能因為癌基因拷貝數較高，不被抑制，而仍然維持足夠的生長訊號。或者在治療壓力下，某些ecDNA組合被保留下來，使癌細胞逐漸形成新的抗藥族群。

 

這種現象很像雜草在不同環境下快速適應。若只有一種雜草，除草劑可能很有效；但如果一片土地裡本來就混有許多不同型態的雜草，其中某些剛好能耐受除草劑，就會在用藥後存活下來並大量擴張。腫瘤內部的ecDNA異質性，就提供了癌細胞這種快速適應的基礎條件。

 

更重要的是，ecDNA帶來的變化可能是動態的。有些研究指出，在治療壓力下，癌細胞可以調整ecDNA的數量，甚至在某些情況下暫時失去特定ecDNA，以避開藥物攻擊；當壓力改變後，又可能重新擴張。這種彈性讓癌細胞更難被單一治療策略完全控制。

 

ecDNA也可能影響免疫逃脫

除了促進癌細胞生長和抗藥性之外，近年研究也開始注意到ecDNA與免疫逃脫的關係。

 

有些ecDNA不只帶有癌基因，也可能帶有免疫調節相關基因。大型癌症基因體研究發現，帶有免疫調節基因的ecDNA，可能與較少的T細胞浸潤有關；也就是說，腫瘤可能透過ecDNA改變周圍免疫微環境，使免疫系統比較不容易辨認或攻擊癌細胞。

 

另外亦有研究指出，ecDNA可能透過放大免疫調節基因、影響抗原呈現、降低細胞毒性T細胞活性、改變腫瘤微環境，導致癌症免疫逃脫。免疫治療是否有效，不只取決於藥物本身，也取決於癌細胞是否能被免疫系統辨識，以及腫瘤微環境是否允許免疫細胞進入。

 

所以將來癌症精準醫療不能只看單一突變，還要看癌細胞整體基因結構、染色體不穩定性、ecDNA狀態，以及免疫微環境之間的互動。

 

ecDNA在乳癌進展扮演的角色

對乳癌來說，ecDNA研究也逐漸受到重視。乳癌本身是一種高度異質性的疾病，不同亞型有不同生物行為與治療策略。例如荷爾蒙受體陽性乳癌、HER2陽性乳癌、三陰性乳癌，在復發風險、治療選擇與預後上都不盡相同。根據研究證實ecDNA在不同乳癌亞型中的分布可能有明顯差異，且與較具侵襲性的亞型有關，例如三陰性乳癌，有一定關聯；同時也與較差預後、治療抗性和腫瘤進展有關。

 

另外在乳癌細胞中，ecDNA可能帶有ERBB2，也就是HER2，或CCND1、MYC 等重要癌基因，進一步促進癌細胞增殖、侵襲與轉移。有些研究也提到，在乳癌中ecDNA的形成可能和DNA雙股斷裂修復異常、染色體重組、表觀遺傳改變與基因體不穩定有關。

 

以上這些發現對乳癌的治療非常關鍵，其包括：第一，未來ecDNA可能成為評估腫瘤侵襲性與預後的生物標記。第二，ecDNA可能協助解釋某些病人為什麼較容易出現治療抗性。第三，如果能在血液中偵測到與ecDNA相關的訊號，未來也可能被發展為液態切片的一部分，用於復發監測、抗藥性追蹤或治療選擇的輔助工具。

 

不過，這些仍屬於快速發展中的研究領域，距離全面臨床常規應用還需要更多驗證。一般病人不需要因此恐慌，也不必自行要求所有檢測；更重要的是在醫師建議下，依照癌別、分期、亞型、治療反應與復發風險，選擇合適的檢查與追蹤策略。（圖五）

 

ecDNA要怎麼被檢測？

目前ecDNA的檢測方法包括影像學與分子檢測方法。

 

傳統上，螢光原位雜交，也就是FISH，可以用來觀察特定基因是否以染色體外形式存在。這種方法可以看見空間位置與拷貝數，但通常需要事先知道要找哪個基因。另一方面，全基因體定序結合生物資訊工具，可以從大規模基因體資料中推測ecDNA結構與內容，較適合研究與未來精準醫療發展。

 

在乳癌相關文獻中，也整理了多種檢測技術，包括Circle-Seq、Mobilome-Seq、CIDER-Seq、qPCR、FISH、生物資訊工具，以及血漿ecDNA分析等。這些方法各有優缺點，有些適合研究，有些具備未來臨床轉譯潛力。將來若能透過血液進行非侵入式監測，或許能幫助早期診斷、復發追蹤、預後評估與治療反應的判斷。

 

但目前最大的挑戰，是檢測標準尚未完全統一，敏感度、特異度、成本、臨床解讀方式，都還需要建立共識。因此，ecDNA很有潛力，但仍需要更多大型臨床研究才能從實驗室推向日常醫療。

 

ecDNA能不能成為治療標靶？

這是目前最令人期待的方向之一，如果ecDNA是癌細胞惡化、異質性和抗藥性的關鍵，那麼直接針對ecDNA的形成、維持、複製壓力或中樞結構，理論上可能成為新的治療策略。

 

目前研究中的方向包括：抑制ecDNA形成所需的DNA修復途徑，破壞ecDNA中樞的穩定性，利用ecDNA陽性癌細胞較高的複製壓力產生合成致死（Synthetic Lethality）效果，或合併既有標靶治療、化療與免疫治療。許多文獻也提到，像CHK1抑制劑等策略已經進入臨床試驗探索階段。

 

不過，這裡必須強調，ecDNA標靶治療目前仍在發展中，尚不是一般病人可以直接使用的標準治療。未來真正進入臨床前，仍需證明它能準確選出適合病人、有效控制癌症，同時不會對正常細胞造成過多傷害。（圖六）

有關ecDNA的闡述衍生的重要啟示

上述有關針對ecDNA的多項闡述給我們很多啟示，大略分為下列五點：

 

❶癌症不是靜態的單一疾病，而是動態持續演化的疾病

即使同一位病人、同一種癌症，在不同時間點、不同病灶中，癌細胞也可能不同。因此，治療不能只看最初診斷，還要重視治療過程中的追蹤與再評估。

 

❷早期發現仍然非常重要

當癌症越早被發現，腫瘤細胞演化出高度異質性、抗藥性與遠端轉移能力的機會相對較低。這也是為什麼乳癌、肺癌、大腸癌、子宮頸癌等癌症篩檢，對臨床醫療具有重要價值。

 

❸將來精準醫療不是只做一次基因檢測

癌症可能在治療壓力下改變，因此某些病人在疾病進展時，醫師可能建議重新切片、液態切片或再次檢測，這不是重複檢查，而是為了掌握癌症是否已經演化。

 

❹治療抗藥性不是病人做錯什麼

許多病人治療失效後會自責，以為是自己飲食、作息或情緒做得不好。事實上，抗藥性常常來自癌細胞本身的演化能力；病人不需責怪自己，而是要和醫療團隊共同面對下一步治療選擇。

 

❺未來癌症治療會越來越重視整體腫瘤生態

從基因突變、染色體變化、ecDNA、免疫微環境，到治療壓力下的癌細胞演化，這些資訊都可能成為未來決策的一部分。

 

結語

綜上所述，當我們越能看懂癌細胞如何演化，就越有機會發展新的檢測方式、新的治療標靶與更精準的追蹤策略。

 

整體而言：癌症需要早期發現、完整診斷與治療、定期而且持續的追蹤。對病人和家屬來說，治療路上若遇到復發、抗藥性或病情變化，也不代表沒有希望，而是需要重新了解癌細胞當下的狀態，與醫療團隊一起調整策略。

 

未來的癌症治療，不只會問「這是哪一種癌症」，也會問「這個癌症如何演化」、「它用什麼方式逃避治療」、「我們能不能在它下一步變化之前先主動攔截」。而ecDNA的研究，正是帶領我們走向這個新時代的重要線索。

（圖片來源：Dreamstime/典匠影像）