血液检测——简单、无创且经济可行——有望成为癌症诊断的下一个重要里程碑。然而，大多数这些被称为液体活检的测试目前还不够可靠，无法广泛使用。以色列魏茨曼科学院开发的一种新的多参数方法可能会导致血液检测以前所未有的准确度诊断癌症。这项研究昨天发表在《自然 · 生物技术》（Nature Biotechnology）上。
该研究团队负责人、魏茨曼免疫学和再生生物学系的 Efrat Shema 博士指出：当今临床上可用于检测和诊断癌症的许多传统方法都是侵入性的且令人不快。
以色列魏茨曼科学院
通过针头、内窥镜检查或手术获取活检样本可能会很痛苦，有时还存在风险，而成像方法（如 MRI 或 PET 扫描）需要昂贵、笨重的设备，而这些设备并非普遍可及。用于癌症筛查或诊断的有效血液检测可以提供一种有吸引力的选择。
研究人员指出：消除不适意味着人们不太可能避免接受检测，而且更有可能更早发现癌症。
使用液体活检诊断癌症的想法源于这样一个事实，即血液中含有自由漂浮的 DNA 和蛋白质，这些 DNA 和蛋白质由健康人的死血细胞脱落，在癌症患者中，也由死亡的肿瘤细胞脱落。一些细胞破坏的副产品，包括癌症 DNA 和蛋白质，被“倾倒”到血液中，研究人员知道如何收集和分析它们。
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，这些突变并不总是会导致癌症，也可能存在于健康人身上。最近，液体活检方法已开始依赖表观遗传学或不涉及 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，改变的基因表达。这些方法也遇到了麻烦，要么是因为它们需要过多的血液，要么是因为它们寻找无法产生足够可靠结果的单一表观遗传变化。
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。她建立在她在哈佛医学院和布罗德研究所做博士后研究期间开发的一种对单个分子进行成像的方法。
该方法使得使用荧光显微镜只需极少量原材料即可实现准确的表观遗传图谱。例如，它可以用于查看核小体上的表观遗传标记，即包裹在蛋白质“线轴”周围的 DNA 片段。当细胞被破坏时，这些核小体可能会像碎片一样流入血液，因此 Shema 推断，可以分析血液中发现的数百万个核小体以检测癌症。
使用 Shema 的单分子成像方法，研究人员一起比较了 30 名健康人和 60 名不同阶段的结直肠癌患者血液中的核小体。他们发现两组的核小体具有截然不同的表观遗传标记模式。
该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，这些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 Guy Ron 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相结合，将机器学习应用到从两组获得的大型数据集中。
耶路撒冷希伯来大学
不仅对所有这些癌症标志物进行了分析，还对它们的组合和关系进行了分析。为了确保他们的发现不仅限于结直肠癌，科学家们还应用他们的技术比较了健康志愿者和 10 名胰腺癌患者的血液核小体。
研究人员指出：对于这类研究，我们的算法可以以 92% 的准确率，以创纪录的确定性区分健康组和患者组之间的差异。科学家们将这项新技术称为 EPINUC，这是“血浆分离核小体表观遗传学”（epigenetics of plasma-isolated nucleosomes）的首字母缩写。
如果得到涉及更多患者的研究的支持，这些发现可能会导致使用少于 1 毫升血液检测和诊断癌症的多参数血液测试。将来，由于分析中显示的详细程度，该血液测试的结果还可能通过为每个患者建议最佳治疗来推进个性化医疗。
未来，这种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，如自身免疫性疾病或心脏病。
附相关信息：
基于游离 DNA (cfDNA) 分析的非侵入性液体活检方法提供了新一代的诊断方法。在健康个体的血浆和血清中循环的 cfDNA 主要来源于正常血细胞1的死亡。然而，在患有癌症的个体中，一部分 cfDNA 来自肿瘤，称为循环肿瘤 DNA (ctDNA)。基于 ctDNA 的序列分析已被证明可以揭示肿瘤特异性遗传改变，并为肿瘤的非侵入性分子分析提供了一种手段。尽管数据令人鼓舞，但这些方法是有限的，因为它们需要遗传差异（即突变）来区分正常和肿瘤 DNA。最近出现了基于非遗传特征分析的液体活检方法，最突出的是使用组织和癌症特异性 DNA 甲基化和cfDNA的差异片段化模式的方法。
血浆中的 cfDNA 主要以核小体 (cfNucleosomes) 的形式出现，这是染色质的基本单位，由包裹在核心组蛋白八聚体周围的约 150 个碱基对 (bp) 的 DNA 组成。组蛋白通过各种化学基团的共价连接而被广泛修饰，形成每个组织独有的组合表观遗传模式，并提供有关细胞内基因表达和调节元件的信息。有证据表明 cfNucleosomes 至少保留了一些表观遗传修饰，最近的一项研究应用染色质免疫沉淀和测序 (ChIP-seq) 来识别某些标记。此外， cfDNA的深度测序揭示了与起源组织相关的核小体占用模式。虽然这些方法让人们第一次看到了血浆中存在的丰富的表观遗传信息，而这些信息迄今为止大多难以获得，但它们有很大的局限性。主要是，它们需要大量输入材料，动态范围有限（ChIP-seq）或成本高且需要深度测序。此外，这些方法的输出和灵敏度有限，因为它们通常测量单层信息（即 DNA 甲基化、单个组蛋白修饰或核小体占据等）。因此，需要整合来自跨越不同类型分析物的多个参数的信息的高分辨率方法。
结直肠癌 (CRC) 是全球第三大常见癌症，每年导致约 700,000 人死亡。最近在 CRC 中证实了早期转移播种，强调了开发更好的诊断工具以改善临床结果的必要性。在这项研究中，以色列研究人员开发了一种基于单分子的液体活检方法来分析来自 <1 ml 血浆样本的多个表观遗传参数。结合蛋白质生物标志物的高灵敏度检测，证明了其对 CRC 诊断的价值。
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