iNature - NBT（IF=68）| 迎來新的突破！用1ml血液就能診斷癌症，精確度還高達92%－鑽石舞台

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「滴血驗癌」是人類長期以來的夢想。由於腫瘤組織檢測存在臨床上難以獲取組織以及異質性等局限性因素，而液體活檢因不具備侵襲性，且可以在疾病治療的不同階段重複進行，因此，基於游離DNA (cell-free DNA, cfDNA) 分析的液體活檢方法提供了新一代診斷方法。

2022年9月8日，來自以色列魏茨曼科學研究所的Efrat Shema團隊在Nature Biotechnology（IF=68）雜誌在線發表題為「Multiplexed, single-molecule, epigenetic analysis of plasma-isolated nucleosomes for cancer diagnostics」的研究論文。該研究開發了一種單分子多參數測定法，以全面分析血漿分離核小體的表觀遺傳學 (epigenetics of plasma-isolated nucleosomes, EPINUC) 信息，包括DNA 甲基化和癌症特異性蛋白質生物標誌物。

通過將 EPINUC 與直接單分子 DNA 測序相結合，揭示了結直腸、胰腺、肺和乳腺腫瘤的起源組織。總之，EPINUC為從有限的（<1 ml）液體活檢材料中獲取臨床相關的多層信息提供有效手段。

血漿中游離 DNA (cfDNA) 的分析提供了有關身體病理過程的信息。血液 cfDNA 以核小體的形式存在，可維持其組織和癌症特異性的表觀遺傳狀態。在健康個體的血漿和血清中，循環的 cfDNA 主要來源於正常血細胞的死亡。然而，在患有癌症的個體中，一部分 cfDNA 來自腫瘤，稱為循環腫瘤 DNA (circulating tumor DNA, ctDNA)。

血漿中的 cfDNA 主要以核小體 (cfNucleosomes) 的形式出現，這是染色質的基本單位，由圍繞核心組蛋白八聚體和約 150 個鹼基對組成。雖然血漿中存在的豐富的表觀遺傳信息，但這些信息迄今為止大多難以獲得。主要原因是它們需要大量輸入材料，並且通常只能測量單層信息（即 DNA 甲基化、單個組蛋白修飾或核小體占據等）。因此，迫切需要整合來自跨越不同類型分析物的多個參數的信息的高分辨率方法。

這項研究中開發了一種基於單分子的液體活檢方法來分析來自 <1 ml 血漿樣本的多個表觀遺傳參數，稱為血漿分離核小體表觀遺傳學的技術（EPINUC）。該技術建立在單分子系統的基礎上，該系統通過全內反射 (total internal reflection, TIRF) 顯微鏡對組合組蛋白修飾進行成像。TIRF 提供了一種強大的方法來檢測距離固體表面約 100 nm 範圍內的單個熒光分子。

為了從血漿中捕獲核小體，研究人員開發了對熒光標記和聚腺苷酸核小體的高效酶反應。然後通過雜交將帶尾的完整核小體固定在聚乙二醇化表面上，並通過 TIRF 成像用熒光標記抗體記錄其翻譯後修飾（PTM）的狀態。利用 TIRF 窄激發範圍，在 90 分鐘內對抗體與靶 PTM 的結合和解離進行成像，這種整合確保最大程度的檢測組蛋白修飾。

實驗方案（圖源自Nature Biotechnology）

此外，系統還提供有關血漿蛋白的敏感和定量數據，包括檢測非分泌的腫瘤特異性蛋白，例如突變 p53。EPINUC 對一組 63 例結腸直腸癌、10 例胰腺癌和 33 例健康血漿樣本進行分析，即使在早期階段也能以高準確度和靈敏度檢測出癌症。

不僅如此，研究人員將關於癌症的分子生物學與人工智能算法相結合，利用機器學習分析這兩組大型數據集。這一分析不僅是針對所有這些癌症標誌物，而且還針對它們的組合和它們之間的關係。結果表明，這種算法應用於區分健康人群和患者群體之間區別的研究中，精確度可達92%。

總的來說，該研究開發了一種利用不到<1 ml血液就能全面分析血漿分離核小體的表觀遺傳學 (EPINUC) 的液體活檢方法，這種方法允許通過單分子成像對數百萬個單個核小體上的六種活性和抑制性組蛋白修飾及其比率和組合模式進行高分辨率檢測，這是傳統技術實現不了的。在未來，EPINUC可以做為一種有效方便的檢測手段，用於診斷各種癌症，或其他在血液中留下痕跡的疾病，這將為臨床診斷疾病提供很大幫助。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41587-022-01447-3

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