血浆中游离的DNA简称cfDNA（circulating free DNA），主要包括白细胞崩解释放的DNA、坏死组织特别是肿瘤组织释放入血液的DNA和感染病毒、细菌的DNA。对血浆中的cfDNA进行分析可以获得有关身体病理过程的信息，在疾病的早期诊断、预后、监测等方面具有重要潜在价值。目前，基于cfDNA的序列分析已被证明可以揭示肿瘤特异性遗传改变。
通常血浆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。基于cfDNA序列的分析可以通过遗传突变来区分正常和肿瘤的DNA，但会丢失组蛋白修饰以及DNA修饰中的多种癌症相关表观遗传信息，因此这种方法仍然存在局限性。
近期，以色列魏茨曼科学研究所和希伯来大学拉卡物理研究所的科研人员合作在Nature Biotechnology上发表了题为“Multiplexed, single-molecule, epigenetic analysis of plasma-isolated nucleosomes for cancer diagnostics”的文章。研究团队开发了一种基于单分子、结合多个表观遗传信息的液体活检方法“EPINUC”，仅需不到1ml血液样本就能全面分析血浆中分离核小体、DNA甲基化和癌症特异性蛋白质生物标志物的表观遗传学信息。
结合目前临床中常用的蛋白质生物标志物检测，研究团队证明了EPINUC在结直肠癌（CRC）诊断中的可靠性。即便是在疾病早期阶段，EPINUC也能够高特异性、高敏感度地区分CRC患者和健康个体。此外，研究表明将EPINUC与单分子DNA测序相结合，可揭示结直肠、胰腺、肺和乳腺肿瘤的组织起源。
文章发表在Nature Biotechnology
研究团队基于先前开发的单分子成像方法，开发了一种名为血浆分离核小体表观遗传学的技术“EPINUC”（图1a）。该技术仅需极少量样本材料就能观察核小体上的表观遗传标记，在荧光显微镜下呈现精确的表观遗传图谱。
图1. EPINUC用于检测和分析血浆cfDNA中的核小体表观遗传标记。来源：Nature Biotechnology
研究团队使用EPINUC对来自33个健康个体和63个晚期CRC患者的血浆样本进行了分析，生成了由组蛋白PTM、DNA甲基化和蛋白质生物标志物等信息组成的高维数据（图2），涵盖了与癌症相关的6种不同表观遗传修饰以及多种其他癌症的指标，这些都是传统技术无法检测到的。
结果显示，CRC患者的血浆核小体含量明显高于健康对照组，且两组核小体的表观遗传标记模式截然不同，表明EPINUC可以揭示CRC患者血浆中显著的表观遗传和生物标志物改变，突出了EPINUC在监测治疗反应方面的潜力，以及收集多维信息的能力。
图2. EPINUC揭示了CRC患者血浆中明显的表观遗传和生物标志物的改变。来源：Nature Biotechnology
接下来，研究团队将得到的癌症分子生物学信息与人工智能算法相结合，随后将机器学习应用到上述两组队列的大数据集中，对所有癌症标志物及其比率、组合模式进行分析。为了确保EPINUC还能应用于其他癌症患者，研究团队比较了健康对照组与10名胰腺癌患者血浆核小体。结果显示，EPINUC以前所未有的准确率成功将健康组和癌症患者组区分开，精确度可达92%。（图3）
由于不同组织的表观遗传修饰不同，因此可以通过检测循环核小体的起源组织来确定癌症起源。研究团队将表观遗传信息与单分子DNA测序数据相结合，揭示了CRC、胰腺癌、肺癌和乳腺癌的起源组织。
将EPINUC应用于三个晚期CRC患者的血浆样本中，并检测H3K4me3、H3K27me3和H3K9ac。结果显示，患者血浆样本与结肠特异性H3K4me3、H3K27me3和H3K9ac峰显著重叠，表明结肠是CRC患者血浆核小体的主要起源组织。
图3. EPINUC将健康个体与CRC患者区分开，并识别肿瘤起源组织。来源：Nature Biotechnology
综上所述，该研究开发了一种新的液体活检方法EPINUC，能够以单分子精度分析多个组蛋白和DNA修饰以及蛋白质生物标志物。EPINUC技术可以从有限的（<1ml）液体活检材料中发现潜在临床相关性的多维度信息，有望为癌症患者提供最佳治疗方法建议，推进个性化医疗。
文章通讯作者Efrat Shema博士表示："EPINUC技术成功实现了概念证明，现在需要在临床试验中对其进行验证。未来，我们的多参数方法不仅可以用于诊断各种癌症，还能用于诊断在血液中留下痕迹的其他疾病，例如自身免疫性疾病或心脏病。"
1. Fedyuk, V., Erez, N., Furth, N. et al. Multiplexed, single-molecule, epigenetic analysis of plasma-isolated nucleosomes for cancer diagnostics. Nat Biotechnol (2022). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01447-3
2.Putting liquid biopsies on solid ground: Cancer diagnosis from a milliliter of blood
https://medicalxpress.com/news/2022-09-liquid-biopsies-solid-ground-cancer.html
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