早期發(fā)現(xiàn)是降低癌癥死亡率的有效途徑，但是到目前為止，依靠檢測內(nèi)源性生物標(biāo)志物（如循環(huán)腫瘤細(xì)胞、循環(huán)腫瘤DNA和癌癥外泌體）的仍無法可靠地檢測早期疾病，部分原因是生物標(biāo)志物的快速清除、高背景信號和低循環(huán)濃度等。

另一種診斷策略是全身遞送探針，該探針在疾病存在的情況下被選擇性激活并產(chǎn)生信號。由于不再依賴于天然生物標(biāo)志物，這種方法比內(nèi)源生物標(biāo)志物具有更高的靈敏度。雖然有希望，但這種策略受到探針的生物相容性、探針到病理部位的有效遞送以及探針測定疾病環(huán)境的多種特征的能力的限制。

為了克服這些問題，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員以巨噬細(xì)胞為基礎(chǔ)，改造出工程化免疫細(xì)胞，將其注入靜脈后通過檢測血漿種的熒光素酶，可更靈敏地檢測出早期癌癥，而且這一方法有其他疾病的早期檢測也有效。

這項研究于2019年3月18日發(fā)表在最新一期的 Nature Biotechnology 雜志（影響因子：35.720）。

論文題目：Engineered immune cells as highly sensitive cancer diagnostics。工程化免疫細(xì)胞用于高靈敏度癌癥檢測。

通訊作者：Sanjiv S. Gambhir（斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院）

巨噬細(xì)胞（Macrophages）是一種位于組織內(nèi)的白血球，在脊椎動物體內(nèi)參與非特異性防衛(wèi)（先天性免疫）和特異性防衛(wèi)（細(xì)胞免疫）。它們的主要功能是以固定細(xì)胞或游離細(xì)胞的形式對細(xì)胞殘片及病原體進行吞噬以及消化，并激活淋巴球或其他免疫細(xì)胞，令其對病原體作出反應(yīng)。

巨噬細(xì)胞有多種類型，主要有M1巨噬細(xì)胞和M2巨噬細(xì)胞。M1巨噬細(xì)胞產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，被稱為經(jīng)典型巨噬細(xì)胞，具有很強的殺死微生物特性。M2巨噬細(xì)胞又稱替代性活化巨噬細(xì)胞，對寄生蟲、組織重塑、血管生成和過敏性疾病的反應(yīng)中起著核心作用。

巨噬細(xì)胞吞噬細(xì)菌示意圖

免疫亞群存在于一系列人類癌癥中。分析來自iPRECOG數(shù)據(jù)庫的5782個腫瘤中白細(xì)胞的分布，顯示M2巨噬細(xì)胞是大多數(shù)實體瘤中的主要免疫細(xì)胞。因此，選擇巨噬細(xì)胞作為泛癌診斷傳感器的候選者。

在小鼠中，腫瘤相關(guān)的M2巨噬細(xì)胞極化的特征在于參與支持免疫抑制微環(huán)境的基因的表達(dá)上調(diào)。腫瘤微環(huán)境（TME）的特征在于酸中毒、缺氧、升高的IL-4和IL-13濃度以及腫瘤來源的細(xì)胞因子。BMDM（小鼠骨髓來源巨噬細(xì)胞）和RAW264.7（小鼠單核巨噬細(xì)胞）在用IL-4和IL-13刺激時均表現(xiàn)出M2標(biāo)志物Chil3、Retnla、Mrc1和Arg1的表達(dá)的時間依賴性增加。

BMDM和RAW264.7巨噬細(xì)胞在暴露于來自CT26結(jié)腸癌細(xì)胞系的TCM時也將Arg1上調(diào)至600倍。IL-4、IL-3和TCM對Arg1的作用也是劑量依賴性的，這對最終診斷的動態(tài)范圍很重要。

分泌型熒光素酶（Gluc）是一種主要分泌（95%分泌）的熒光素酶，其還允許細(xì)胞內(nèi)可利用的Gluc的生物發(fā)光成像。

為了在體內(nèi)非侵入性地測定巨噬細(xì)胞極化，該研究改造了了巨噬細(xì)胞，將Arg1啟動子和增強子區(qū)域克隆在Gluc基因的上游，并改造了穩(wěn)定表達(dá)Arg1-Gluc報告基因的RAW264.7細(xì)胞系（小鼠單核巨噬細(xì)胞）。使得Arg1的活化與分泌的生物標(biāo)志物產(chǎn)生偶聯(lián)。

為了確定工程化巨噬細(xì)胞傳感器是否可以檢測體內(nèi)腫瘤，研究人員將其通過靜脈注射引入到攜帶腫瘤的小鼠體內(nèi)，隨后測定血漿中的Gluc含量。

首先采用轉(zhuǎn)移性乳腺癌的同系模型，其中靜脈注射4T1細(xì)胞在肺中形成局部微腫瘤，然后出現(xiàn)彌漫性轉(zhuǎn)移性疾病。

實驗結(jié)果顯示，工程化巨噬細(xì)胞傳感器通過血漿Gluc測量以100％靈敏度和特異性區(qū)分來自患腫瘤小鼠和健康對照。此外，活化的巨噬細(xì)胞（細(xì)胞內(nèi)Gluc）和轉(zhuǎn)移瘤（Fluc）的成像顯示活化的巨噬細(xì)胞和轉(zhuǎn)移部位的共定位。

為了確定可用工程化巨噬細(xì)胞傳感器檢測到的最小腫瘤體積，研究人員接將工程化巨噬細(xì)胞傳感器應(yīng)用于腫瘤體積為0-250立方毫米的皮下腫瘤模型。

在傳感器注射當(dāng)天用卡尺測量腫瘤大小，并在隨后的幾天通過血漿將測。在工程化巨噬細(xì)胞傳感器注射后24小時，可以檢測到體積為50-250立方毫米的腫瘤，而且具有100％的靈敏度和特異性。并且能夠?qū)?5-50立方毫米的腫瘤與健康對照組成功區(qū)分開。

也就是說，通過工程化的巨噬細(xì)胞傳感器，能有高靈敏度地檢測出50立方毫米以下體積的早期腫瘤。

構(gòu)建工程化巨噬細(xì)胞傳感器以及檢測腫瘤的流程圖

雖然，工程化巨噬細(xì)胞傳感器在檢測早期癌癥具有高靈敏度的優(yōu)勢，然而，改造工程化巨噬細(xì)胞的成本還是太高了，因此很難成為一個常規(guī)的篩查工具。

但是，體內(nèi)基因遞送技術(shù)可以通過病毒載體等方式讓人體原位產(chǎn)生工程化巨噬細(xì)胞傳感器，而不需要細(xì)胞分離并在體外改造?；蛘?，可以設(shè)計具有診斷功能的低成本同種異體的成品通用性傳感器，然后由宿主免疫系統(tǒng)識別并消除為外來傳感器。

因此研究人員樂觀地認(rèn)為，這種工程化傳感器將成為早期診斷的有力工具，并最終改善患者在各種病癥中的治療效果。