纳米测序脑肿瘤15分钟精准分类-《Nature Medicine》2025最新报道

脑肿瘤的手术治疗犹如在钢丝上跳舞——切除不足可能导致复发，过度切除又可能损伤神经功能。精准的分子诊断是决定手术策略的关键，但传统检测需4-7天才能出结果，而肿瘤切除的「黄金窗口」仅有60分钟。如何在术中快速获取分子信息，一直是神经病理学界的「卡脖子」难题。

2025年3月，《Nature Medicine》发表的一项研究带来突破：德国马克斯・普朗克研究所团队开发的MethyLYZR系统，结合纳米孔测序与贝叶斯算法，实现了15分钟内对脑肿瘤的精准分类，为「术中即查即治」提供了可行方案。

脑肿瘤的精准分类是制定治疗方案的关键，但传统分子诊断需数天至数周，无法满足术中实时决策的需求。尽管纳米孔测序技术凭借实时测序和快速文库制备的优势崭露头角，但现有机器学习方法依赖密集计算，难以适配临床实时工作流。如何在短时间内利用稀疏表观基因组数据实现精准分类，成为神经病理学的核心挑战。

算法原理：MethyLYZR（MZ）采用伯努利朴素贝叶斯分类器，基于CpG甲基化状态的二元输出（甲基化/未甲基化），通过贝叶斯定理动态更新肿瘤属于特定类别的概率。该模型假设特征（CpG位点）条件独立，即使在数据稀疏（覆盖不足2%基因组）时仍能有效预测。

加权策略：引入ReliefF算法为每个CpG位点分配类特异性权重，增强对相似肿瘤类型的区分能力，解决传统贝叶斯模型的特征独立性假设局限。

2.纳米孔测序的临床适配优化

利用Oxford Nanopore Technologies（ONT）的快速文库制备技术，实现从DNA提取到测序的全流程优化（图1）：

DNA提取：22分钟完成新鲜肿瘤样本的核酸提取；

文库制备：8分钟生成测序文库，仅需10-15mg组织样本；

实时测序：15-20分钟获取约7500个CpG位点的甲基化数据。

多场景兼容：支持新鲜组织、脑脊液游离DNA（cfDNA）等多种样本类型，尤其在液体活检中展现潜力。

图1：术中极速诊断工作流程示意图

1.数据集与评估

训练数据：基于2801例脑肿瘤样本的Illumina 450k甲基化阵列数据，涵盖91种肿瘤类型。

合成数据测试：模拟浅层测序（1000-20000个CpG位点），结果显示：仅1000个随机CpG位点即可实现91.45%的总体分类准确率，7500个位点时准确率达94.52%（图2）。即使引入10%甲基化错误率，准确率仍稳定在93%以上。

图2：稀疏数据下的分类准确率验证

2.临床样本验证

75例患者的纳米孔测序显示，15分钟测序的MZ CNS分类准确率达94.52%，且与Illumina EPIC芯片结果完全一致（图3）。

图3：纳米孔与EPIC芯片结果一致性验证

1.时间效率突破

传统分子诊断需4-7天，而MethyLYZR将“样本到结果”时间压缩至1小时内（图4），完美覆盖肿瘤切除的关键窗口期（60分钟），为外科医生在手术过程中提供即时指导。

图4：手术流程与传统诊断时间对比

2.精准性与临床契合度

与传统病理的互补：对比26例冰冻切片样本，MethyLYZR在类别上与病理结果100%一致，但能提供更细致的分子分型（图5）。

图5：MethyLYZR与冰冻切片的诊断对比

图6：肿瘤纯度与分类准确率的相关性

1.数据依赖：当前模型基于2018年的450k甲基化芯片数据集。尽管在现有数据支撑下已取得优异成绩，但肿瘤类型复杂多样且不断有新的亚型被发现。仅基于特定时期和类型的芯片数据，难以涵盖所有肿瘤特征。未来需整合更多新一代测序数据，如全基因组甲基化测序、单细胞测序数据等，以丰富数据维度，扩展对不同肿瘤类型的覆盖，让模型能学习到更全面的肿瘤分子特征，提升对各类肿瘤诊断的普适性与精准度。

2.技术转化：纳米孔设备目前尚未获得临床认证，这一现状使得该技术在临床大规模应用面临阻碍。临床认证是对设备安全性、准确性、可靠性等多方面的严格检验。多中心临床试验是验证模型可靠性的重要手段，需在不同地域、不同医疗环境的多个中心开展试验。因为不同地区的人群基因背景、肿瘤流行病学特点等存在差异，只有通过多中心试验，才能全面评估MethyLYZR系统在各种实际临床场景下的表现，确保其在不同患者群体、不同医院环境中都能稳定、准确地发挥作用，为其正式进入临床应用奠定基础。

3.低纯度样本：对于浸润性肿瘤，其细胞异质性高，导致样本中肿瘤细胞纯度低。在低纯度样本中，正常细胞和肿瘤细胞混杂，传统的检测方法难以精准捕捉肿瘤细胞的分子特征。当前MethyLYZR系统在处理此类样本时面临挑战。

MethyLYZR系统犹如一颗在神经肿瘤诊断领域冉冉升起的新星，首次成功实现了脑肿瘤术中的快速分子分型。这一突破意义非凡，它打破了传统诊断需耗时数日的困境，将诊断时间缩短至1小时以内，为神经外科手术医生在手术的黄金决策期内提供了关键的实时分子诊断信息。这使得医生能够在术中及时调整手术策略，例如根据肿瘤的具体分子分型来精准确定切除范围，既能最大程度保证肿瘤的彻底切除，又能有效避免过度切除对患者正常神经功能造成不必要的损伤。

在液体活检方面，MethyLYZR也展现出巨大潜力。脑脊液等液体活检样本获取相对无创，该系统能够对其中游离的肿瘤DNA进行有效分析，为无法进行组织活检或者需要动态监测肿瘤变化的患者提供了新的诊断途径。

对于罕见肿瘤，由于其病例稀少、研究数据匮乏，传统诊断方法往往难以准确判断，而MethyLYZR凭借其先进的算法和测序技术，有望在罕见肿瘤诊断上开辟新路径，为这部分患者带来更精准的诊断和更合适的治疗方案。

随着技术的不断迭代升级，纳米孔测序设备的性能将进一步优化，测序成本也会逐渐降低，MethyLYZR系统有望成为肿瘤精准医疗领域的“标配工具”，广泛应用于临床实践，如同精准导航一般，为肿瘤患者的治疗全程提供精准指引，切实提升肿瘤治疗的效果与质量，给广大肿瘤患者带来更多的希望和更好的预后。

参考文献：

[1] Brändl B, Steiger M, Kubelt C, et al. Rapid brain tumor classification from sparse epigenomic data. Nat Med. 2025; 31(3):840-848. doi: 10.1038/ s41591-024-03435-3