Molecular Cancer丨液体活检发现脑转移

原创 珍奇 图灵基因 2022-06-07 07:03 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

撰文：珍奇

IF：27.401

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亮点：

本综述强调了在中枢神经系统 (CNS) 中形成继发性肿瘤的生物标志物，讨论了可以在体液中检测到的细胞、DNA、RNA、脂质、蛋白质、代谢物和外泌体。本文所提供的信息将有助于缩小用于早期诊断、预后和跟踪脑转移患者治疗反应的潜在生物标志物的范围。

脑转移 (BrM) 是与癌症死亡率相关的主要问题，目前临床环境中没有可用于早期检测的特定生物标志物。作为诊断癌症和其他疾病的非侵入性方法，液体活检也已被广泛接受。2022年5月10日，《Molecular Cancer》杂志发布了一篇名为“Liquid biopsies to occult brain metastasis”的综述。作者总结了来自乳腺癌 (BC)、肺癌 (LC) 和黑色素瘤中的分子改变参与 BrM 的研究，以及如何将它们用于生物标志物开发的初步探索。他们讨论了影响癌细胞突破血脑屏障 (BBB) 并在脑微环境中建立转移性病变的遗传和表观遗传变化。随着最近在各种生物分子检测和鉴定方面的突破，循环肿瘤细胞（CTC）、无细胞核苷酸、非编码 RNA、分泌蛋白和代谢物可以在人体体液（如血液）中进行研究，血清、脑脊液 (CSF) 和尿液也成为了获得生物标志物开发的潜在候选者。基于液体活检的生物标志物可以与当前的成像技术叠加，以放大可行的信号，从而改善隐匿性脑转移的早期检测和治疗。

组织活检被认为是准确的细胞及组织学诊断、疾病分级和揭示个性化癌症治疗新靶点的最佳方法之一。然而，随着我们在过去十年中对癌症理解的逐渐深入，如何解释组织活检的已变得越来越具有挑战性。这不仅限于组织的获取，当无法获得肿瘤时这更加突出，但主要障碍是癌症的演变这进一步增加了肿瘤的异质性。因此，推断体循环和其他液体活检中的肿瘤生物标志物似乎是合理的，这些液体活检指的是来自肿瘤的DNA、RNA、蛋白质和代谢物形式的循环生物标志物，由此可以大概看出癌症特征。如果能够提前诊断出肿瘤生长，死亡率就会降低，某些癌症类型的患者甚至有可能被治愈。

随着肿瘤的生长，它会将癌细胞释放到血液循环中，从而产生转移。如果检测并量化这些细胞或其在循环中的生物分子，则可以进行诊断，这就是液体活检概念的由来。特异性和敏感的识别可以揭示肿瘤的类型和解剖位置。 FDA 已批准在临床上无法进行组织活检切除的患者，可使用 CTC 和 ctDNA 的诊断试剂盒，例如 Guardant360 和Foundation One Liquid CDx。尽管由于 RNA 在血液中的稳定性不高，不被认为是可行的分析物，但循环中的 microRNA (miRNA)、长链非编码 RNA (lncRNA) 和环状RNA (cirRNA) 仍在液体活检方面显示出希望。最近，纳米技术也有助于肿瘤诊断，因为它还可以利用肿瘤外泌体，因为它们富含DNA、RNA 和蛋白质。此外，随着更复杂的质谱技术的出现，追踪细胞特异性的癌症代谢的改变及新代谢物可用于设计诊断和治疗策略。

BrM 是各种转移灶中最致命和最独特的。它需要可以破坏血脑屏障（BBB）的细胞，这是一个解剖学挑战，也威胁到脑癌和其他颅内疾病治疗的成功。在 BrM 中，富集的细胞显示出在不同的脑微环境中播种、定殖和随后生长的能力。液体活检在理解和非侵入性方面的最新进展提出了其在癌症诊断中的相关性。研究人员或临床医生不仅在临床环境中使用了它，而且在破译与转移相关的机制方面也使用了它。因此，本文将重点讨论研究者目前对依赖于液体活检的大量诊断的理解以及过去十年在 BrM 研究领域取得的重大进展。

循环肿瘤细胞 (CTC) 及播散的癌细胞不断从肿瘤中脱落，在血流中存活，并显示出在新的转移部位播种继发性肿瘤的潜力。CTC可以安置在转移部位并进入休眠状态，最终通过多种机制触发并摆脱休眠状态。据推测，CTC 通常在原发性肿瘤形成的早期出现，因为与原发性病变相比，转移性病变中发现的突变通常不同，然后原发性和转移性病变分别发展。CTCs的动力学在各种癌症中是不同的，循环中 CTC 的半衰期约为几分钟。数以千计的CTC仍在循环中，并且可以以空间分化的方式播种转移。因此，针对具有驱向特定器官CTC 的靶向研究似乎很有希望。除了作为诊断和预后的工具外，CTC 还可以帮助确定在临床上不可能获得肿瘤的癌症的分子景观。

癌症患者血液中的无细胞或循环肿瘤DNA (ctDNA) 在1948年被首次提出，后来的研究表明这种DNA循环水平很高，特别是在肿瘤抑制基因、癌基因的基因组改变的癌症患者中。然而，关于它们的释放机制和特征信息的了解仍然有限。血液中 ctDNA可能来自凋亡细胞或吞噬坏死细胞的巨噬细胞。与 CTC 不同，ctDNA 分离不需要富集特定的稀有细胞类型群体，通常更适合基因分型或研究药物反应。 ctDNA 在癌症患者体内中升高，在血液中可检测到突变 DNA 的片段，但实际上这不仅限于癌症，在自身免疫性疾病、心脏功能障碍、炎症，甚至在怀孕期间也会出现类似状况。

细胞因子和趋化因子在转移中发挥着重要作用。BrM 内的肿瘤微环境富含 VEGF-A、TIMP-1、细胞外基质蛋白 (ECM) 和 Lipocalin-2 分子，这些分子也与免疫抑制有关。同样，在 BrM 患者的血清样本中，发现由于神经元降解导致的神经元特异性蛋白神经丝轻链 (NfL) 释放量很高，而且高 NfL 患者的存活率也很低。在过去的十年中，代谢组学领域呈指数级增长，与癌症代谢有关的新分子被检测到并添加到癌代谢物的库中。如果可以检测到任何差异表达的癌代谢物并且是可量化的，那么它就可以解决 BrM诊断标志物的疑问。

细胞外囊泡（EVs），又称微囊泡、微粒子、外泌体、外泌体、肿瘤体和凋亡小体，是细胞在正常生理状态下细胞释放的直径30-150nm的脂质膜结构，通常用于细胞间通讯、免疫或不同的病理状况，如炎症、神经退行性变或癌症。在癌症状态下，数十亿的EVs 增加并选择性上调含有 DNA、RNA、microRNA、长链非编码 RNA、环状RNA、脂质、蛋白质和各种代谢物的内容物，这些物质不仅在癌症进展中至关重要，而且在转移过程中可能在诊断和治疗轴上被利用。播散的癌细胞需要适应，在不同的微环境中生存和增殖，EVs 在这个交界处至关重要。

蛋白质是 EV 中研究最多的内容，可用于蛋白质组学分析，最终以 95% 的特异性将肿瘤细胞与正常细胞分离。多面板分析明确且强大的功能使得它们可以预测肿瘤的起源。假设大脑微环境需要对癌细胞的生长进行调节，而这种预处理可以来自用感兴趣的蛋白质升高的 EV，如用源自脑转移细胞的 EV 治疗脑组织会导致细胞定植增加四倍、侵袭性增加。整合素与远距离定植中的细胞外基质蛋白相互作用，调节细胞存活、干性和转移潜能。在转移到肺和肝期间，EV富含整合素，可以对其进行研究以确定器官特异性转移；然而，在 BrM 的情况下，与其他器官转移相比，这些外泌体整合素较少。最近一些对脑嗜性细胞 EV 的研究显示，整合素 ITGβ3 上调可推断整合素表达模式以确定 EV分离后的器官向性。

microRNA失调是癌症的标志之一，因此它们与癌症生物学息息相关。目前，基于microRNA的疗法是一种治疗选择。 microRNA 失调及其在 EV 中或作为循环游离microRNA的运输为诊断打开了一个窗口，其中 microRNA 可以判断可能转移到特定器官的倾向。因此，乳腺、肺、黑色素瘤和其他原发性癌症部位的 BrM 中 microRNA的差异表达有助于早期诊断。

先前研究已经表明，液体活检可显着降低癌症相关的发病率和死亡率。然而，BrM 是与疾病进展相关的主要问题，主要发生在 BC、LC、黑色素瘤或透明细胞肾癌的情况下，但目前分子生物标志物仍缺乏在临床上的实践过程。因此，针对那些与BrM相关的特异性播散细胞，了解癌细胞的分子特征将有助于设计更好的诊断策略。这可以通过研究CTC、无细胞核苷酸 ctDNA 或 microRNA、环状 RNA 或长链非编码 RNA 形式的非编码 RNA 来完成。分泌蛋白和代谢物也显示出它们的潜力。面对肿瘤治疗的挑战，液体活检将成为未来肿瘤治疗的最佳选择。

教授介绍：

Mohd Wasim Nasser，美国内布拉斯加大学UNMC医学院生物化学与分子生物学系助理教授，主要研究乳腺癌、肺癌及脑转移。其团队的目标是为肺癌和乳腺癌患者的脑转移制定新的治疗和预防策略，过去的研究阐明了癌细胞与脑微环境之间的串扰，并为高危乳腺癌和肺癌患者的预防和治疗策略的发展提供新的见解。

参考文献：

Rehman, A.U., Khan, P., Maurya, S.K. et al. Liquid biopsies to occult brainmetastasis. Mol Cancer 21, 113 (2022). https://doi.org/10.1186/s12943-022-01577-x