将液体活检放在坚实的地面上从一毫升血液中诊断癌症

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。魏茨曼科学研究所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。这项研究今天发表在Nature Biotechnology上。

“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，”该研究团队负责人、魏茨曼免疫学和再生生物学系的 Efrat Shema 博士解释说。

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用。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。

与研究生 Nir ​​Erez 一起领导这项研究的 Vadim Fedyuk 说：“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，我们知道如何收集和分析它们，”Shema 说。

许多癌症血液检测已经处于开发的晚期阶段，但大多数都有可能限制其使用的缺点。当第一个这样的测试被开发出来时，他们寻找癌症的遗传迹象，即突变，但这些可能很难确定，因为突变的片段只占自由循环 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的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，Fedyuk 和 Erez 与同事一起比较了 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，科学家们与耶路撒冷希伯来大学拉卡物理研究所的 Guy Ron 教授合作，将他们所揭示的癌症分子生物学与人工智能算法相结合，将机器学习应用于从两组。

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。

“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，”Shema 说。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”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。

Shema 总结道：“我们的方法已经成功实现了概念验证，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，还可以用于诊断其他留下痕迹的疾病在血液中，例如自身免疫性疾病或心脏病。”

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