将液体活组织检查放在固体地面上:从一毫升血液中诊断癌症

血液检测——简单、无创、经济可行——有望成为癌症诊断的下一个重要里程碑。然而，这些检测被称为液体活检，目前还不够可靠，无法广泛使用。魏茨曼科学研究所开发的一种新的多参数方法可能会带来一种血液测试，以前所未有的准确性诊断癌症。这项研究今天发表在自然生物技术．

Weizmann免疫学和再生生物学系的Efrat Shema博士是该研究团队的负责人，他解释说:“目前临床上可用的许多检测和诊断癌症的传统方法都是侵入性的，令人不快。”

通过针、内窥镜或手术获取活检样本可能会很痛苦，有时还会有风险，而MRI或PET扫描等成像方法需要昂贵、笨重的设备，而且不是普遍可用。有效的血癌症筛查或诊断的测试可以提供一个有吸引力的替代方案。

Vadim Fedyuk和他的研究生Nir Erez一起领导了这项研究，他说:“消除这种不适意味着人们不太可能避免接受检查，而更有可能更早地发现他们的癌症。”

使用液体活组织检查诊断癌症的想法源于这样一个事实:血液中含有游离的DNA和蛋白质，这些蛋白质是由健康人体内的死亡血细胞所脱落的癌症患者死亡的肿瘤细胞。“细胞破坏的一些副产物，包括癌症DNA和蛋白质，被倾倒到血液中，我们知道如何收集和分析它们，”Shema说。

一些用于癌症的血液测试已经处于发展的高级阶段，但大多数都存在缺陷，可能会限制它们的使用。当第一次开发这样的测试时，他们寻找癌症的基因迹象，也就是突变，但这可能很难确定，因为突变片段只占自由循环DNA的一小部分。

此外，这些突变并不总是导致癌症，健康的人也可能存在。最近，液体活检方法开始依赖于表观遗传学，即不涉及DNA突变的细胞基因组修饰——例如，附着在DNA分子上的化学标签，改变基因表达。这些方法也遇到了问题，要么是因为它们需要过量的血液，要么是因为它们只寻找单一的表观遗传变化，不能产生足够可靠的结果。

在这项新研究中，Shema开始重新思考这种表观遗传分析，旨在开发一种依靠少量血液样本来评估多个表观遗传参数的分析方法。她在哈佛医学院(Harvard Medical School)和布罗德研究所(Broad Institute)的博士后研究期间开发了一种成像单个分子的方法。

该方法使得使用荧光显微镜，仅用非常少量的原材料就可以实现精确的表观遗传定位。例如，它可以用来观察核小体上的表观遗传标记，核小体是包裹在蛋白质“线轴”上的DNA片段。当细胞被破坏时，这些核小体可能会像漂浮物一样流入血液，所以Shema推断，血液中发现的数百万个核小体可以通过分析来检测癌症。

使用Shema的单分子成像方法，Fedyuk和Erez和同事们将30名健康个体血液中的核小体与60名不同阶段结直肠癌患者血液中的核小体进行了比较。他们发现，这两组的核小体具有显著不同的表观遗传标记模式。

这项分析涵盖了与癌症相关的六种不同的表观遗传修饰，以及各种其他癌症指标，包括来自死亡肿瘤的蛋白质片段，这是传统技术无法检测到的。

接下来，在与耶路撒冷希伯来大学拉迦物理研究所的盖伊·罗恩教授的合作中，科学家们将他们所揭示的癌症分子生物学与人工智能算法，将机器学习应用到大型数据集从两组中得到。

分析不仅针对所有这些癌症标志物，还针对它们之间的组合和关系。为了确保他们的发现不局限于结直肠癌，科学家们还应用他们的技术，将健康志愿者的血液核小体与10名胰腺癌患者的血液核小体进行了比较。

Shema说:“我们的算法可以在这类研究中以创纪录的确定性水平区分健康组和患者组，精确度达到92%。”科学家们称这项新技术为EPINUC，是“血浆分离核小体表观遗传学”的首字母缩写。

如果得到涉及更多患者的研究的支持，这些发现可能导致多参数血液测试用于用少于1毫升的血液检测和诊断癌症。在未来，由于分析中揭示的细节水平，这个血液测试的结果也可能通过为每个患者建议最佳治疗方案来推进个性化医疗。

Shema总结道:“我们已经成功地证明了我们的方法的概念，现在需要在临床试验中得到证实。未来，我们的多参数方法不仅可以用于诊断各种癌症，还可以用于诊断在血液中留下痕迹的其他疾病，如自身免疫疾病或心脏病。”