圖片來源：David Parkins

RNA分子在人體中承擔(dān)著信使的角色。通過在細(xì)胞間進(jìn)出，它能夠完成機(jī)體組織間的信息交流。因此對(duì)科學(xué)家們而言，通過檢測(cè)RNA來診斷疾病似乎理所應(yīng)當(dāng)。他們認(rèn)為，通過檢測(cè)血液、唾液、尿液以及其它體液中攜帶的RNA分子，就應(yīng)該可以知曉檢測(cè)者的健康情況。

但現(xiàn)實(shí)情況卻復(fù)雜得多?！拔覀?cè)谶@件事情上，都有點(diǎn)天真了?！奔又荽髮W(xué)圣迭戈分校（UCSD）的圍產(chǎn)學(xué)家Louise Laurent表示。

Laurent致力于開發(fā)微創(chuàng)性的RNA檢測(cè)技術(shù)，以用于癌癥、心臟病、神經(jīng)退行性疾病以及其它疾病的早期篩查和臨床管理。目前越來越多的科學(xué)家從事這一領(lǐng)域，但胞外RNA（extracellular RNA, exRNA）的多樣性以及RNA運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性，都給這一過程帶來了巨大的挑戰(zhàn)。“我覺得我們都低估了生物系統(tǒng)的復(fù)雜程度?！盠aurent表示。她目前正在研究用exRNA來預(yù)測(cè)妊娠過程中的一些并發(fā)癥。

RNA的多樣性會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)存在大量的分子背景噪音，很難從中辨別出具有臨床意義的生物標(biāo)志物。不僅如此，由于目前存在的技術(shù)難題都與exRNAs的收集、處理和分析有關(guān)，因此不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果間難以進(jìn)行比較，而這種比較又恰恰是發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證exRNA生物標(biāo)志物的必需步驟。

以分離胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）的方法為例。胞外囊泡是由脂肪分子構(gòu)成的膜狀結(jié)構(gòu)，其大小一般為人體細(xì)胞的千分之一。它可以運(yùn)輸RNA，并保護(hù)RNA不被體液中的RNA酶降解。通過對(duì)囊泡相關(guān)的約1700個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，研究者們發(fā)現(xiàn)僅從體液中提取囊泡的方法就超過了1000種1。這些方法的區(qū)別往往很小，比如用于樣品離心的轉(zhuǎn)子型號(hào)等。但該項(xiàng)目研究者An Hendrix指出，“這些差別看似微小，但卻會(huì)對(duì)提取的囊泡造成很大的影響。”An Hendrix同時(shí)也是比利時(shí)根特大學(xué)的一位研究胞外囊泡的癌癥生物學(xué)家。

在過去五年中，exRNA診斷的相關(guān)研究越來越多，與之對(duì)應(yīng)的是大學(xué)和公司都想要將這些成果轉(zhuǎn)化為可應(yīng)用的醫(yī)學(xué)技術(shù)。目前生物機(jī)制和實(shí)際應(yīng)用兩方面均取得一定進(jìn)展，因此科學(xué)家們開始探索RNA如何感知自身是否被包裹在囊泡或其它載體中，以及RNA在不同生理或病理?xiàng)l件下發(fā)揮的作用。

另一方面，得益于諸如胞外RNA通訊聯(lián)盟（Extracellular RNA Communication Consortium, ERCC）這樣的相關(guān)倡議，exRNA檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)度和重復(fù)性正在不斷提高。該聯(lián)盟由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（US National Institutes of Health, NIH）于2013年發(fā)起，是一個(gè)耗費(fèi)1.6億、跨度十年的項(xiàng)目，旨在促進(jìn)基于exRNA的診斷和治療方法的臨床研發(fā)工作。

盡管這些方法要應(yīng)用于臨床實(shí)踐，還存在諸多困難，例如如何獲取高純度的囊泡等。但也有一些基于體液中exRNA的液體活檢方法已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，可以為癌癥診斷結(jié)果不明的病人提供更多有用信息。以同樣的思路，可以針對(duì)其它疾病開發(fā)出對(duì)應(yīng)的RNA分子探針。

Danilo Tagle是一位分子遺傳學(xué)家，同時(shí)也在NIH屬下的美國(guó)推進(jìn)轉(zhuǎn)化科學(xué)中心（National Center for Advancing Translational Sciences）馬里蘭貝塞斯達(dá)分部工作。他是負(fù)責(zé)特殊項(xiàng)目的副總監(jiān)，目前正在幫助ERCC進(jìn)行協(xié)調(diào)組織工作。Tagle表示，“這個(gè)行業(yè)發(fā)展十分迅速，這推動(dòng)著公司們將其中一些方法盡快商業(yè)化?！?/p>

體液檢測(cè)

在馬薩諸塞州沃爾瑟姆市的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里，技術(shù)員們每月通常需要處理上千個(gè)尿液樣本。他們需要從每個(gè)樣本中提取出所有的胞外囊泡，再從囊泡中分離出RNA。

這就是Exosome Diagnostics公司的所在地。它是Bio-Techne的下屬公司，也是世界上第一家將基于胞外囊泡的診斷方法應(yīng)用于臨床實(shí)踐的公司。這個(gè)方法被稱為ExoDx，它是專門為血液中前列腺特異性抗原（prostate-specific antigen, PSA）含量略微偏高的老年男性設(shè)計(jì)的，可以幫助他們確定是否需要對(duì)前列腺進(jìn)行活體組織檢查。

前列腺活檢需要將大頭針頭粗細(xì)的針插入到直腸中，然后吸取一小截組織。這個(gè)過程非常痛苦，并且有可能會(huì)出現(xiàn)出血、感染和膀胱相關(guān)的后遺癥。但如果不做前列腺活檢，則很難判斷血液中PSA含量為2-10 ng/mL的這部分人群的健康狀況。他們有可能患有高度惡性腫瘤，需要盡快切除；但也有可能只需要進(jìn)行醫(yī)學(xué)觀察即可。根據(jù)目前的估計(jì)，處于這個(gè)“灰色地帶”的人群中，含有惡性腫瘤的人數(shù)少于25%。

ExoDx旨在讓更少的人經(jīng)受活檢以及后續(xù)的過度醫(yī)療的折磨。它需要對(duì)尿液中的胞外囊泡里含有的三種RNA分子進(jìn)行量化檢測(cè)。其中兩種分別與原癌和抑癌基因有關(guān)，另一種則與前列腺癌發(fā)展所需的一個(gè)非編碼RNA的基因有關(guān)。通過檢測(cè)這些基因的相對(duì)活性，ExoDx可以預(yù)測(cè)檢測(cè)者患有惡性前列腺癌的可能性。

在兩項(xiàng)臨床試驗(yàn)中，研究者對(duì)超過1000名PSA含量為中等水平的男性進(jìn)行了ExoDx檢測(cè)。結(jié)果表明ExoDx極為準(zhǔn)確地分辨出了其中可能患有癌癥并需要進(jìn)行活檢的人，以及病情較輕、可以繼續(xù)觀察的人。

圖源：pixabay

目前該公司正在積極開發(fā)其它臨床領(lǐng)域的業(yè)務(wù)。包括正在研發(fā)的第二個(gè)基于胞外囊泡的尿液檢測(cè)方法，它可以在術(shù)前預(yù)測(cè)腎移植受者對(duì)移植腎是否存在免疫排斥反應(yīng)。另一個(gè)正在研發(fā)的血液檢測(cè)，可以基于exRNA和循環(huán)腫瘤基因（circulating tumour DNA），檢測(cè)肺癌病人存在的基因突變。正如Exosome公司的聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學(xué)官Johan Skog所說，“這不僅僅是一種診斷方法，這是一個(gè)平臺(tái)?！?/p>

也有許多其它分子診斷公司和學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)想要將exRNA用以識(shí)別癌癥的早期征兆或者輔助進(jìn)行疾病的危險(xiǎn)度分層。例如位于加利福尼亞州森尼韋爾市的Cepheid公司以及位于新西蘭達(dá)尼丁市的Pacific Edge公司，他們可以通過檢測(cè)尿液中五種編碼RNA的含量，篩查早期膀胱癌或者監(jiān)測(cè)術(shù)后復(fù)發(fā)的預(yù)兆。該方法與Exosome的尿液檢測(cè)方法思路一致，都是通過收集腫瘤源附近的體液，然后檢測(cè)其中癌癥特異性的RNA分子。相同的方法也被用于檢測(cè)脊髓液中腦癌相關(guān)的RNA分子以及唾液中口腔癌相關(guān)的RNA分子。但也有一些腫瘤會(huì)將RNA分子擴(kuò)散至全身。

對(duì)這些擴(kuò)散至全身的RNA分子，大多數(shù)團(tuán)隊(duì)都想在血液中進(jìn)行檢測(cè)。但加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）的口腔生物學(xué)家David Wong卻表示這些RNA在唾液中也能被檢測(cè)到。通過與首爾三星醫(yī)學(xué)中心（Samsung Medical Center）的臨床研究者合作，Wong對(duì)約2500名受試者的唾液進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，唾液中含有的九種人體或細(xì)菌來源的RNA，可以用于預(yù)測(cè)檢測(cè)者患胃癌的可能性。后者是目前韓國(guó)最常見的癌癥類型。

唾液檢測(cè)

如果我們的眼光不僅僅局限于目前常用的體液檢測(cè)的話，那么除exRNA外的其它分子或許同樣可以用于醫(yī)學(xué)診斷。正是基于這樣的思路，位于美國(guó)加利福尼亞州南舊金山的Freenome公司正在嘗試采用多組學(xué)的方法。除了血液中的RNA之外，他們還將對(duì)蛋白質(zhì)、DNA、表觀生物標(biāo)志物以及其它的疾病循環(huán)標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)。通過這樣的方法，他們希望能夠獲取癌癥全方面的生物特征，從而解決結(jié)腸癌早期篩查中存在的問題——目前用于結(jié)腸癌早期篩查的腸鏡，由于侵入性強(qiáng)、較為痛苦，所以很多患者不愿意進(jìn)行檢測(cè)。

“我們需要盡可能地結(jié)合多種診斷方法，”Freenome公司的首席科學(xué)官Jimmy Lin表示?！皢我坏臉?biāo)志物反映的信息不夠全面”，因此很難通過一種物質(zhì)來進(jìn)行癌癥診斷。

在今年的某個(gè)會(huì)議上，F(xiàn)reenome公司的科學(xué)家們介紹道，他們通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法搭建的平臺(tái)，可以對(duì)大量的生物數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，并最終選出其中超過90%的結(jié)腸癌病例。其預(yù)測(cè)性甚至好于最近通過批準(zhǔn)的一項(xiàng)糞便檢測(cè)方法，該方法也是目前腸鏡的唯一替代方法。

也有一些新興的公司，嘗試將exRNA用于心腦疾病領(lǐng)域。例如，馬薩諸塞州列克星敦市的Dyrnamix公司就正在研發(fā)一種可以為心血管疾病患者提供個(gè)性化療法的exRNA診斷技術(shù)。與此同時(shí)，離納蒂克不遠(yuǎn)的Neurodex公司，正在嘗試從血液中分離神經(jīng)元產(chǎn)生的外泌體，并提取其中的RNA和蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，希望能夠找到阿爾茨海默病的早期標(biāo)志物。

Johan Skog正在馬薩諸塞州沃爾瑟姆的Exosome公司中處理樣本。

圖片來源：Johan Skog，Exome Diagnostics

Neurodex的首席科學(xué)官、神經(jīng)學(xué)家Erez Eitan表示，“總的說來，研究神經(jīng)的人不太喜歡RNA?！彼忉尩?，與癌癥不同，神經(jīng)疾病的病理學(xué)特征不在DNA或RNA層面，而主要在蛋白質(zhì)層面。所以研究者們對(duì)RNA在神經(jīng)退行中的作用知之甚少。

這部分解釋了為什么用于阿爾茨海默病前期診斷的大多血液檢測(cè)方法，都是測(cè)量淀粉樣蛋白、活化tau蛋白以及其它在大腦中積累并造成這種疾病的蛋白。但這就像是通過翻找一個(gè)人的垃圾桶，來判斷他的生活方式，Victoria Risbrough表示。Risbrough是一名神經(jīng)學(xué)家，在美國(guó)退伍軍人事務(wù)部（Veterans Affairs）屬下的應(yīng)激與心理健康卓越中心（Center of Excellence for Stress and Mental Health）工作。她認(rèn)為要了解這些疾病，更好的方法是通過相關(guān)細(xì)胞間的信息交流方式，而這恰恰是exRNA的功能。

“RNA可以讓你知道什么是造成病理現(xiàn)象的可能原因?！盧isbrough表示。目前她正在與加州大學(xué)圣迭戈分校的神經(jīng)病理學(xué)家Robert Rissman合作，共同開發(fā)一項(xiàng)用于創(chuàng)傷性腦損傷的診斷方法?！拔覀儾皇欠依埃侵苯涌此鼈冎g交流的信息?！?/p>

附加價(jià)值

盡管開發(fā)出一種能對(duì)腦部疾病進(jìn)行全面篩查的檢測(cè)方法，仍然是最終的目標(biāo)。但新澤西州蒙默斯匯合站的DiamiR公司共同創(chuàng)始人和董事長(zhǎng)Kira Sheinerman表示，對(duì)實(shí)驗(yàn)性療法進(jìn)行臨床試驗(yàn)的醫(yī)藥公司可能會(huì)成為大多數(shù)exRNA診斷的首批客戶。

DiamiR公司在血液中找到了炎癥相關(guān)的microRNA，并且該RNA分子在大腦中含量較高。通過檢測(cè)microRNA的含量，他們可以預(yù)測(cè)目前沒有認(rèn)知障礙的老人，在未來是否會(huì)罹患阿爾茨海默病，其準(zhǔn)確度可達(dá)到84%。Sheinerman表示，藥物開發(fā)者和臨床研究者可以利用該檢測(cè)，來辨別出處于阿爾茨海默病前期的患者，并邀請(qǐng)他們作為正在評(píng)估的實(shí)驗(yàn)性療法的志愿者。

另一方面，即使這些exRNA檢測(cè)最終沒有被廣泛使用，“它們?nèi)匀豢梢詭椭覀儗?duì)疾病建立新的假設(shè)?！鄙窠?jīng)學(xué)家Jeseph Quinn表示，他目前在位于波特蘭的俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)（Oregon Health and Science University）工作。Quinn與分子神經(jīng)生物學(xué)家Julie Saugstad合作，發(fā)現(xiàn)了一系列可用于診斷阿爾茨海默病的microRNA。這些RNA分子可以作為新的分子靶點(diǎn)，用于新藥的研發(fā)。但同時(shí)Quinn也表示，其發(fā)揮作用的具體生物機(jī)制仍未被闡明。因此，和大多數(shù)的研究者一樣，他們對(duì)exRNA診斷的研究仍然處于初期探索階段。

目前該領(lǐng)域的研究問題之一，就是如何更好地分離胞外囊泡。盡管一些研究者已經(jīng)可以不經(jīng)胞外囊泡，直接獲得exRNA，但這種方法常常會(huì)在分析RNA時(shí)，遺失一些細(xì)節(jié)。因此，研究者們正在逐漸拋棄對(duì)人體體液進(jìn)行全RNA測(cè)序的方法，而更傾向于對(duì)目標(biāo)器官分泌的囊泡中的RNA進(jìn)行精準(zhǔn)分析?！斑@種方法可以直接鎖定信息來源?！盌yrnamix公司共同創(chuàng)始人，也是波士頓馬薩諸塞州總醫(yī)院（Massachusetts General Hospital）的心臟電生物學(xué)家Saumya Das表示。

由于不同分子在尺寸和密度上都有差異，所以科學(xué)家們通常會(huì)通過離心來分離得到胞外囊泡。但這個(gè)方法也存在缺陷?！霸陔x心時(shí)會(huì)有一些污染，所以我們不能通過離心獲得100%純度的囊泡?！焙商m烏得勒支大學(xué)（Utrecht University）的免疫細(xì)胞學(xué)家Esther Nolte-’t Hoen表示。

目前研究者們正在開發(fā)分離胞外囊泡的新方法。例如通過大小不同的小孔過濾得到囊泡，或者利用親和性物質(zhì)，結(jié)合樣品中的囊泡以實(shí)現(xiàn)分離。但無論是哪種方法，都需要一種標(biāo)準(zhǔn)參照物來進(jìn)行校準(zhǔn)，而這最近才得以實(shí)現(xiàn)。

去年，根特大學(xué)的Hendrix和她的同事研發(fā)出了一種可追蹤的工程化胞外囊泡。將其注射進(jìn)體液中，并進(jìn)行追蹤，就可以驗(yàn)證樣品制備和分析方法的準(zhǔn)確性4?！伴L(zhǎng)期以來，這個(gè)領(lǐng)域都在尋找這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參照物?！盚endrix表示。她將這種可追蹤的囊泡分享給了許多實(shí)驗(yàn)室，“每次我參加會(huì)議，展示這一技術(shù)時(shí)，都有許多人請(qǐng)求我分享這一技術(shù)。

Hendrix、Nolte-’t Hoen以及其他研究者都積極地參與到社區(qū)建設(shè)和數(shù)據(jù)記錄的相關(guān)倡議中，以確保疾病診斷等關(guān)于含有RNA的胞外囊泡的研究，可以被恰當(dāng)?shù)卦忈尯椭貜?fù)?！斑@或許不是科學(xué)意義上最令人興奮的那些事，但卻是必不可少的一部分?！盢olte-’t Hoen表示。

同時(shí)，NIH通過其數(shù)億美元的項(xiàng)目，正在尋找更好的分離特定的胞外囊泡并分析其中RNA分子的方法。目前正在研發(fā)的exRNA診斷中很少能達(dá)到這個(gè)精確度，甚至其中大部分都不需要對(duì)胞外囊泡進(jìn)行提純，這種純度對(duì)臨床應(yīng)用來說是可以接受的。

但Tagle表示，“為了說明研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，科學(xué)家需要知道為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果。這就會(huì)讓研究者更加注重實(shí)驗(yàn)過程，從而產(chǎn)生更可靠和可重復(fù)的結(jié)果?！?/p>

作者：Elie Dolgin是馬薩諸塞州薩默維爾市的一名科學(xué)記者。

翻譯：洪藝瑞

審校：潘燕婷

引進(jìn)來源：科學(xué)美國(guó)人

引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/custom-media/nature-outlook-extracellular-rna/could-tracking-rna-in-body-fluids-reveal-disease/


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