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重大突破I Cell：外囊泡蛋白质组学研究发现肿瘤诊断及分类的可靠标志物

2020.8.17

肿瘤是世界公认的难题，仍缺乏有效诊断治疗手段。目前，临床上对肿瘤的诊断通常采用组织活检，液体活检作为一种全新的手段，避免了手术对患者伤害，具有较大优越性，应用潜力巨大。由于外囊泡携带的信息多种多样，因此外囊泡内含物质作为肿瘤的生物标志物，尤其作为液体活检领域的技术手段，具有巨大潜力。

2020年8月13日，来自美国康奈尔医学中心等多个研究团队，在《Cell》（IF=38.6）发表了题为“Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers”的文章。研究对来自426个人的组织、血浆、体液来源的外囊泡及颗粒（Extracellular Vesicle and Particle，EVP）进行蛋白质组学分析，发现了新EVP标记物；同时，利用机器学习算法，找到了组织来源的外囊泡肿瘤分类标志物（具有90%敏感性及94%特异性）；以及血液来源的外囊泡肿瘤诊断标志物（具有95%敏感性及90%特异性）。该研究证明外囊泡及颗（EVP）蛋白能够作为肿瘤检测和分类的可靠标志物。

研究材料

健康人及肿瘤患者的组织、血浆、及其他液体样本来源的外囊泡及颗粒

技术方法

超速离心法分离EVP、Label free蛋白组、PRM靶向蛋白组

实验路线图

研究结果

1. 蛋白组学分析：对不同来源样本分泌的外囊泡进行蛋白质组学分析

2020年8月13日，来自美国康奈尔医学中心等多个研究团队，在《Cell》（IF=38.6）发表了题为“Extracellular Vesicle and Particle Biomarkers Define Multiple Human Cancers”的文章。研究对来自426个人的组织、血浆、体液来源的外囊泡及颗粒（Extracellular Vesicle and Particle，EVP）进行蛋白质组学分析，发现了新EVP标记物；同时，利用机器学习算法，找到了组织来源的外囊泡肿瘤分类标志物（具有90%敏感性及94%特异性）；以及血液来源的外囊泡肿瘤诊断标志物（具有95%敏感性及90%特异性）。该研究证明外囊泡及颗粒（EVP）蛋白能够作为肿瘤检测和分类的可靠标志物。

图1 对不同来源样本分泌的外囊泡进行蛋白质组学分析

2. 鉴定患者中组织特异性的肿瘤相关EVP蛋白标志物

为了找到可用于诊断肿瘤患者的外囊泡蛋白标志物，研究人员分析了癌及配对癌旁（包括胰腺癌、肺癌）组织来源的外囊泡蛋白质组成分，研究结果分别在胰腺癌、肺癌中鉴定了356种及123种EVP蛋白，进一步功能分析比较发现，胰腺癌组织来源外囊泡蛋白（PaCa EVP）成分参与上皮间质转化（EMT）等，肺癌组织来源外囊泡蛋白（LuCa EVP）成分参与RNA加工等途径。综上，不同来源外囊泡中的蛋白选择性包装不同蛋白，并具有区分不同癌种的潜能。

图2鉴定患者中肿瘤衍生的组织特异性EVP蛋白

3. 从多种癌症组织衍生EVP中确定与肿瘤相关EVP特征蛋白标志物

为了明确肿瘤组织及非肿瘤组织来源的EVP蛋白是否能够区分癌症，分析了131个组织来源、20个骨髓来源的EVP样品。通过机器学习算法进行分类比较，鉴定出了区分肿瘤与正常组织的EVP蛋白可用于进行癌症诊断, 例如VCAN，TNC和THBS2, 对于特异性癌症检测具有90%敏感性及94%特异性。

图3鉴定多种肿瘤来源的组织中EVP特征标志物

4. 从多种癌症血浆衍生EVP中确定与肿瘤相关EVP特征蛋白标志物

进一步，采用与组织来源EVP相同的机器学习分析方法，寻找血浆来源EVP中的特征性可用于诊断的蛋白标志物，分析了120例血浆来源EVP样品，包含77例癌症病人（16个不同癌种）及43例健康人。鉴定出了不同免疫球蛋白相关蛋白的组合，对于癌症的检测具有最佳预测效果，达到了95％敏感性和90％特异性。综上表明，血浆来源的EVP 蛋白质可用作液体活检以进行癌症诊断。

图4 鉴定多种肿瘤来源的血浆中EVP特征标志物

5、肿瘤组织及血浆来源的EVP蛋白质对癌症类型进行分类

最后，研究团队在组织和血浆来源EVP中定义了一组肿瘤类型特异性EVP蛋白。首先分析了组织来源的EVP, 通过对四种不同癌症类型（黑色素瘤，结肠直肠癌，胰腺癌和肺癌）患者的原发性肿瘤或淋巴结中获得的组织来源EVP蛋白，基于机器学习算法，找到了29种EVP蛋白，其中一些与免疫功能有关，发现它们在区分不同癌症中具有最高的预测能力，可以对原发性未知的肿瘤进行分类。

由于组织活检并非总能用于确定肿瘤类型，因此研究团队接下来使用血浆来源的EVP蛋白质组进行了类似分析，通过对五种不同癌症（乳腺癌、结肠直肠癌、肺癌、胰腺癌、间皮瘤）分析，发现血浆来源的EVP蛋白尽管大部分是造血起源，但仍然在同类型肿瘤之间存在强相关性。在可区分癌种的30种EVP蛋白中，免疫球蛋白高频出现。进一步对五种癌症类型EVP分析发现，无论癌症分期如何，样本均能基于原发肿瘤类型进行聚类。综上表明，血浆来源的EVPs蛋白质组代表真正的肿瘤特异性信号，且能够区分癌症类型。

根据以上分析，研究团队找到了能作为可靠生物标记物，可用于癌症检测和确定癌种的EVP蛋白。

图5 肿瘤来源EVP可对原发性肿瘤进行分类

小结

该研究从健康、肿瘤患者不同组织、血液、体液来源的外囊泡出发，利用蛋白质组学技术结合机器学习等方法，找到了适用于不同样本类型的EVP肿瘤特异性标记物，或可用于癌症检测及确定癌症种类，为采用外囊泡分析进行肿瘤的诊断等带来了新视角。中科新生命现可提供外囊泡提取至蛋白组学分析一站式服务，同时能够提供基于机器学习算法的标志物筛选分析，欢迎感兴趣的老师咨询。