精确度高达92%！表观遗传学EPINUC液体活检方法可诊断癌症

发布时间：2022-09-14 15:08:22 【来源：iNature前沿】

　　“滴血验癌”是人类长期以来的梦想。由于肿瘤组织检测存在临床上难以获取组织以及异质性等局限性因素，而液体活检因不具备侵袭性，且可以在疾病治疗的不同阶段重复进行，因此，基于游离DNA (cell-free DNA, cfDNA) 分析的液体活检方法提供了新一代诊断方法。

　　2022年9月8日，来自以色列魏茨曼科学研究所的Efrat Shema团队在Nature Biotechnology（IF=68）杂志在线发表题为“Multiplexed, single-molecule, epigenetic analysis of plasma-isolated nucleosomes for cancer diagnostics”的研究论文。该研究开发了一种单分子多参数测定法，以全面分析血浆分离核小体的表观遗传学 (epigenetics of plasma-isolated nucleosomes, EPINUC) 信息，包括DNA 甲基化和癌症特异性蛋白质生物标志物。

　　通过将 EPINUC 与直接单分子 DNA 测序相结合，揭示了结直肠、胰腺、肺和乳腺肿瘤的起源组织。总之，EPINUC为从有限的（<1 ml）液体活检材料中获取临床相关的多层信息提供有效手段。

　　血浆中游离 DNA (cfDNA) 的分析提供了有关身体病理过程的信息。血液 cfDNA 以核小体的形式存在，可维持其组织和癌症特异性的表观遗传状态。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 (circulating tumor DNA, ctDNA)。

　　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，由围绕核心组蛋白八聚体和约 150 个碱基对组成。虽然血浆中存在的丰富的表观遗传信息，但这些信息迄今为止大多难以获得。主要原因是它们需要大量输入材料，并且通常只能测量单层信息（即 DNA 甲基化、单个组蛋白修饰或核小体占据等）。因此，迫切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。

　　这项研究中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，称为血浆分离核小体表观遗传学的技术（EPINUC）。该技术建立在单分子系统的基础上，该系统通过全内反射 (total internal reflection, TIRF) 显微镜对组合组蛋白修饰进行成像。TIRF 提供了一种强大的方法来检测距离固体表面约 100 nm 范围内的单个荧光分子。

　　为了从血浆中捕获核小体，研究人员开发了对荧光标记和聚腺苷酸核小体的高效酶反应。然后通过杂交将带尾的完整核小体固定在聚乙二醇化表面上，并通过 TIRF 成像用荧光标记抗体记录其翻译后修饰（PTM）的状态。利用 TIRF 窄激发范围，在 90 分钟内对抗体与靶 PTM 的结合和解离进行成像，这种整合确保最大程度的检测组蛋白修饰。

实验方案（图源自Nature Biotechnology ）

　　此外，系统还提供有关血浆蛋白的敏感和定量数据，包括检测非分泌的肿瘤特异性蛋白，例如突变 p53。EPINUC 对一组 63 例结肠直肠癌、10 例胰腺癌和 33 例健康血浆样本进行分析，即使在早期阶段也能以高准确度和灵敏度检测出癌症。

　　不仅如此，研究人员将关于癌症的分子生物学与人工智能算法相结合，利用机器学习分析这两组大型数据集。这一分析不仅是针对所有这些癌症标志物，而且还针对它们的组合和它们之间的关系。结果表明，这种算法应用于区分健康人群和患者群体之间区别的研究中，精确度可达92%。

　　总的来说，该研究开发了一种利用不到<1 ml血液就能全面分析血浆分离核小体的表观遗传学 (EPINUC) 的液体活检方法，这种方法允许通过单分子成像对数百万个单个核小体上的六种活性和抑制性组蛋白修饰及其比率和组合模式进行高分辨率检测，这是传统技术实现不了的。在未来，EPINUC可以做为一种有效方便的检测手段，用于诊断各种癌症，或其他在血液中留下痕迹的疾病，这将为临床诊断疾病提供很大帮助。

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