姚毅冰 綜述 吳志浩 周清華 審校
作者單位:300052 天津,天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院,天津市肺癌研究所,天津市肺癌轉(zhuǎn)移與微環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(通訊作者:周清華,E-mail:zhouqh1016@yahoo.com.cn)
肺癌是當(dāng)今世界上對(duì)人類健康與生命危害最大的惡性腫瘤之一,其死亡率居各類惡性腫瘤所致死亡的首位。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)預(yù)測(cè),到2025年中國(guó)每年將有超過一百萬新發(fā)肺癌患者[1]。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2,3]顯示,肺癌的總5年生存率僅10%-16%,而I期患者的5年生存率可達(dá)65%-75%。雖然目前臨床上已經(jīng)聯(lián)合影像學(xué)技術(shù)、痰細(xì)胞學(xué)檢測(cè)、纖維支氣管鏡等多種檢測(cè)手段,但對(duì)無癥狀早期肺癌的診斷效果甚微,多數(shù)患者在就診時(shí)已發(fā)展至晚期。因此,尋找有效的早期診斷技術(shù)和方法對(duì)于延長(zhǎng)患者生命至關(guān)重要。
近年來,許多研究[4-9]表明腫瘤在發(fā)生早期即可激發(fā)宿主體內(nèi)產(chǎn)生體液免疫,在多種腫瘤包括肺癌患者的血清中,均可檢測(cè)到針對(duì)腫瘤相關(guān)抗原(tumour-associated antigens, TAAs)的自身抗體的存在。因此,對(duì)腫瘤早期抗原和抗體的免疫檢測(cè)逐漸成為腫瘤早診研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。本文綜合了腫瘤體液免疫反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和作用機(jī)理,并對(duì)腫瘤自身抗體作為標(biāo)志物在肺癌早診中的作用以及其鑒定方法進(jìn)行了闡述。
在腫瘤免疫學(xué)的研究歷史中,有兩個(gè)主要問題曾一度是人們爭(zhēng)論的焦點(diǎn):是否存在腫瘤抗原?如果存在,這些抗原是否能并如何被機(jī)體免疫系統(tǒng)識(shí)別?20世紀(jì)初,Paul Ehrlich根據(jù)在動(dòng)物個(gè)體間進(jìn)行腫瘤移植時(shí),移植瘤能自行萎縮消退的現(xiàn)象,第一次提出了腫瘤抗原及腫瘤免疫的概念。1966年,Baldwin[10]首次證實(shí)了機(jī)體免疫系統(tǒng)對(duì)自發(fā)腫瘤的鑒別和排斥反應(yīng),從而奠定了腫瘤抗原研究的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代初免疫監(jiān)視概念正式被提出,認(rèn)為在腫瘤發(fā)生早期,機(jī)體的免疫系統(tǒng)可以及時(shí)識(shí)別癌細(xì)胞,并進(jìn)行清除或加以抑制,該理論為癌癥的早期檢測(cè)提供了新的思路。免疫監(jiān)視理論成立的前提是有腫瘤抗原的存在,而機(jī)體正是依靠腫瘤抗原來識(shí)別腫瘤細(xì)胞[11]。
腫瘤抗原是指細(xì)胞癌變過程中出現(xiàn)的新抗原及過度表達(dá)的抗原物質(zhì)的總稱。這些由于基因過表達(dá),突變的蛋白產(chǎn)物或變體、異常降解蛋白可以作為腫瘤抗原誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答。p53是目前研究最廣泛的腫瘤抗原之一。在所有惡性腫瘤中,50%以上會(huì)出現(xiàn)p53基因的突變[12],研究[13,14]顯示肺癌患者可發(fā)生多種p53基因的突變,包括錯(cuò)義突變、終止密碼子突變和移碼突變,但只有錯(cuò)義突變產(chǎn)生過度表達(dá)蛋白,p53突變蛋白水平的增加不但具有免疫原性、引發(fā)免疫反應(yīng),而且這些過度表達(dá)蛋白發(fā)生了功能改變,增強(qiáng)了與抗體產(chǎn)物結(jié)合的穩(wěn)定性。而經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后修飾的腫瘤抗原也可以誘導(dǎo)免疫反應(yīng),如糖基化、磷酸化、氧化和蛋白水解酶切等轉(zhuǎn)錄后修飾過程是通過產(chǎn)生新表位和增強(qiáng)自身表位呈遞和對(duì)主要組織相容性復(fù)合物或T細(xì)胞受體的親和性來激發(fā)免疫應(yīng)答的,進(jìn)而產(chǎn)生針對(duì)腫瘤抗原免疫原性表位的自身抗體[15]。Hoagland等[16]通過比較非小細(xì)胞肺癌患者和正常對(duì)照血清中結(jié)合珠蛋白的不同形式的糖基化水平,發(fā)現(xiàn)二者具有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,而且糖基化蛋白的濃度與腫瘤分期還具有一定相關(guān)性。目前,修飾抗原引發(fā)體液免疫的機(jī)制還不完全清楚,特別是發(fā)現(xiàn)許多TAAs屬于細(xì)胞內(nèi)蛋白[17]。其中一種假說認(rèn)為腫瘤細(xì)胞的異常死亡導(dǎo)致修飾的胞內(nèi)蛋白從腫瘤細(xì)胞中釋放出來,暴露于機(jī)體的免疫系統(tǒng)中,這種反復(fù)的異常腫瘤細(xì)胞死亡可導(dǎo)致修飾的胞內(nèi)蛋白持續(xù)暴露,同時(shí)腫瘤細(xì)胞死亡過程中所釋放的蛋白酶可使蛋白隱藏的自身表位暴露進(jìn)一步引發(fā)免疫反應(yīng)[18,19]。
此外,一些常用的腫瘤抗原如癌胚抗原(carcinoembryonic antigen, CEA)、細(xì)胞角蛋白19片段抗原(cytokeratin fragment antigen 21-1, CYFRA21-1)、粘蛋白1抗原(mucin 1 antigens, M1A)、組織多肽特異性抗原(tissue polypeptide specific antigen, TPS)等已被廣泛應(yīng)用于肺癌臨床檢測(cè)中,但診斷的敏感度均不夠理想。
總的來說,機(jī)體產(chǎn)生免疫原性腫瘤抗原的機(jī)制可歸結(jié)為以下6種:基因突變;細(xì)胞癌變過程中原本不表達(dá)的基因被激活;蛋白合成過程的某些環(huán)節(jié)發(fā)生異常(如糖基化異常、磷酸化異常、蛋白水解酶切等導(dǎo)致蛋白質(zhì)特殊產(chǎn)物的產(chǎn)生);胚胎時(shí)期抗原或分化抗原的異常、異位表達(dá);某些基因產(chǎn)物尤其是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的過度表達(dá);外源性基因(如病毒基因)的表達(dá)。這些腫瘤抗原可作為評(píng)價(jià)早期診斷和患者預(yù)后的分子標(biāo)記,鑒定這些免疫標(biāo)記物,并探討其功能和對(duì)腫瘤形成機(jī)制的影響可能有助于揭示腫瘤形成過程中的早期分子事件[20]。
大量研究[8,21,22]表明,血清中的腫瘤抗原等標(biāo)志物能誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生自身抗體,在腫瘤發(fā)生還未能被臨床檢查手段檢測(cè)到的早期,機(jī)體免疫系統(tǒng)就可監(jiān)測(cè)到低水平表達(dá)的腫瘤抗原的存在,并引發(fā)免疫反應(yīng),產(chǎn)生大量的抗體,起到有效的生物信號(hào)放大作用,雖然這些天然抗體的確切來源至今還未有定論,但有一種解釋是其來源于自體反應(yīng)或非成熟B淋巴細(xì)胞,例如在乳腺髓樣癌中,肌動(dòng)蛋白暴露于腫瘤細(xì)胞表面引發(fā)B淋巴細(xì)胞浸潤(rùn),導(dǎo)致大范圍的抗體反應(yīng)而使腫瘤細(xì)胞壞死增加[23]。所以理論上利用腫瘤自身抗體檢測(cè)腫瘤的特異性和敏感性均比利用腫瘤抗原檢測(cè)腫瘤要高得多[24],是一種非常有前景的腫瘤檢測(cè)標(biāo)志物。
血清抗體比其它血清蛋白在肺癌的診斷中占優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一,可以對(duì)腫瘤進(jìn)行早期診斷,便于早期治療,提高治愈率。多項(xiàng)研究[25,26]表明在影像學(xué)檢查確診實(shí)體癌數(shù)月至數(shù)年前即可檢測(cè)到自身抗體的存在,甚至有報(bào)道[27]顯示在肺癌確診前5年就可檢測(cè)到血清中有針對(duì)腫瘤抗原的抗體。Qiu等[28]用肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549的分離蛋白制成芯片,對(duì)肺癌確診前1年內(nèi)的血清樣本和正常對(duì)照血清樣本進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)annexin I、14-3-3 theta和LAMR1的自身抗體在無癥狀期就已經(jīng)存在,提示自身抗體檢測(cè)可作為肺癌高危人群篩查早診的一種方法。第二,自身抗體比相應(yīng)腫瘤抗原滴度高,針對(duì)單一抗原的自身抗體通過免疫反應(yīng)大量擴(kuò)增,在血清中大量白蛋白存在干擾的情況下,較其它標(biāo)志物更易檢測(cè)到[29]。第三,標(biāo)本易獲得,檢測(cè)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。腫瘤抗原一旦被分泌入血,可能很快地被降解或清除,而自身抗體不像其它多肽一樣易受蛋白酶水解作用,可在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)在血清中穩(wěn)定、持續(xù)存在,并且自身抗體的半衰期很長(zhǎng),大約是7天,每小時(shí)的波動(dòng)很小,理化性質(zhì)穩(wěn)定,在-80oC長(zhǎng)期保存對(duì)其活性幾乎無影響[30]。第四,其操作所用的試劑和技術(shù)簡(jiǎn)便易行,重復(fù)性好,通過常規(guī)的酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)或酶聯(lián)免疫分析(EIA)就可以檢測(cè)。
腫瘤發(fā)生是一個(gè)多基因、多步驟的癌變過程,僅靠一個(gè)指標(biāo)進(jìn)行診斷,常常會(huì)導(dǎo)致假陽性和假陰性,所以,單個(gè)腫瘤自身抗體檢測(cè)必然存在一些局限性,影響肺癌的臨床診斷。例如,許多在腫瘤產(chǎn)生和發(fā)展過程中起重要作用的熱休克蛋白(HSPs)經(jīng)常在腫瘤中呈過表達(dá)狀態(tài),HSP70等的抗體在多種腫瘤中均可被檢測(cè)到[31]。一般情況下,同種腫瘤可異常地產(chǎn)生一種或多種腫瘤自身抗體,而不同腫瘤或同種腫瘤的不同組織類型既可檢出共同的腫瘤抗體,也可檢出不同的腫瘤抗體。糖類抗原12-5(CA12-5)雖然是公認(rèn)的卵巢癌相關(guān)抗原,但由于肺組織具有與CA-125相同的抗原特性,所以其抗體在肺癌血清中的陽性檢出率也相當(dāng)高[32]。這是由腫瘤細(xì)胞生物學(xué)特性的復(fù)雜性及多態(tài)性、不同腫瘤病理類型的差異、同種病理類型腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性和腫瘤細(xì)胞基因型及細(xì)胞表型的差異等多種因素所決定的。
近年來的研究?jī)A向于針對(duì)聯(lián)合抗體譜進(jìn)行癌癥檢測(cè)。Chapman等[33]運(yùn)用ELISA對(duì)肺癌(包括非小細(xì)胞肺癌和小細(xì)胞肺癌)患者與正常對(duì)照人群血清中針對(duì)7種腫瘤抗原(p53、c-myc、HER2、NY-ESO-1、CAGE、MUC1和GBU4-5)的血清抗體進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示單一抗體檢出陽性率在5%-36%之間,診斷的特異性達(dá)到96%-100%,而7種抗體聯(lián)合檢測(cè)的敏感性可達(dá)76%,特異性為92%。Zhong等[34]將肺癌噬菌體文庫中所篩選出的免疫原性噬菌體表達(dá)蛋白構(gòu)建成一個(gè)蛋白表達(dá)芯片,在大量患者和正常對(duì)照組血清中進(jìn)行鑒定、分析后,選出5個(gè)表達(dá)蛋白標(biāo)志物組成聯(lián)合診斷模型,其對(duì)非小細(xì)胞肺癌聯(lián)合檢測(cè)的敏感性達(dá)到90%,特異性為95%。這些研究充分說明在進(jìn)行腫瘤標(biāo)志物單項(xiàng)檢測(cè)時(shí),特異性較高,但敏感性和準(zhǔn)確性較低;聯(lián)合檢測(cè)后,雖然特異性有所降低,但敏感性和準(zhǔn)確性均有很大的提高,如果在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化組合,可顯著提高肺癌早期診斷率,具有很好的臨床應(yīng)用價(jià)值。
成功的腫瘤血清抗體標(biāo)志物鑒定方法依賴于高通量的篩選策略,隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展,相比于最初的單相的十二烷基磺酸鈉一聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS/PAGE)蛋白分離技術(shù)或ELISA而言,目前改進(jìn)的蛋白組學(xué)方法(如蛋白質(zhì)芯片等)所篩選的腫瘤血清抗體標(biāo)志物具有更高的診斷和臨床應(yīng)用價(jià)值,操作也更加簡(jiǎn)便高效[30,35]。下面介紹幾種基于抗原抗體免疫基礎(chǔ)上的高通量蛋白組學(xué)鑒定方法。
4.1 重組cDNA表達(dá)文庫血清學(xué)分析 1995年,Sahin小組[36]首次建立重組cDNA表達(dá)文庫血清學(xué)分析(serological analysis of recombinant cDNA expression library, SEREX)技術(shù)。它將分子克隆技術(shù)和利用患者血清對(duì)腫瘤細(xì)胞的自體分型技術(shù)結(jié)合在一起,不僅可檢測(cè)抗體反應(yīng),還可通過患者自體血清中抗原抗體反應(yīng),直接從分子水平確定抗原特性。
SEREX的基本工作流程是:提取腫瘤細(xì)胞或組織的mRNA,構(gòu)建cDNA表達(dá)文庫,用含高滴度抗體的患者血清篩選cDNA表達(dá)文庫,經(jīng)過2輪-3輪復(fù)篩后陽性單克隆得以富集純化。對(duì)所獲得的陽性克隆進(jìn)行序列測(cè)定,然后對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析,再進(jìn)一步從分子和蛋白水平這些基因的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究,同時(shí)用已知抗原檢測(cè)體內(nèi)相應(yīng)抗體的濃度,定量分析腫瘤特異性抗體及其臨床意義。
隨著研究的不斷深入,迄今為止,已有超過2 300種腫瘤抗原基因通過SEREX技術(shù)被識(shí)別鑒定,并進(jìn)入腫瘤免疫組數(shù)據(jù)庫(http://ludwig-sun5.unil.ch/CancerImmunomeDB/),其中70%為已知基因,這些能夠被機(jī)體免疫系統(tǒng)識(shí)別的基因產(chǎn)物主要包括轉(zhuǎn)錄和翻譯調(diào)控因子、代謝酶和細(xì)胞表面受體等,為腫瘤早期檢測(cè)和免疫治療提供了廣泛的分子靶點(diǎn)。Yue等[37]使用非小細(xì)胞肺癌血清對(duì)噬菌體展示文庫進(jìn)行篩選,發(fā)現(xiàn)15個(gè)肺癌相關(guān)抗原和3個(gè)肺癌相關(guān)抗原的候選基因。這種方法較之于其它篩選方法,具有分析全面(全長(zhǎng)cDNA,涵蓋了由腫瘤基因編碼的大多數(shù)蛋白、還可以鑒定出T細(xì)胞依賴性抗原[38])、高效(一次篩選過程中鑒定出多個(gè)抗原)、方便(不需要特異CTL和瘤細(xì)胞的體外建株)等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也存在一些局限性,比如不適用于鑒定具有翻譯后修飾功能的腫瘤相關(guān)抗原[39];過高表達(dá)基因編碼抗原(如癌-睪丸抗原)導(dǎo)致此方法篩選出現(xiàn)固有偏倚,而使低表達(dá)的抗原無法篩選出來[40];龐大的工作量不適用于對(duì)多例患者血清進(jìn)行分析。
4.2 噬菌體展示技術(shù) 噬菌體展示技術(shù)是表達(dá)蛋白的表現(xiàn)型和編碼基因的基因型之間的完美結(jié)合。其原理是以噬菌體為載體,將編碼外源蛋白或多肽的基因片段定向插入到噬菌體的外殼蛋白基因區(qū),使外源蛋白或多肽通過與噬菌體外殼蛋白融合而表達(dá)并展示于噬菌體表面,被展示的蛋白或多肽可保持相對(duì)獨(dú)立的空間結(jié)構(gòu)和生物活性,進(jìn)而通過親和富集等方法篩選表達(dá)特異蛋白或多肽的噬菌體[41]。
目前常用的噬菌體展示系統(tǒng)主要有絲狀噬菌體展示系統(tǒng)、λ噬菌體展示系統(tǒng)、T4噬菌體展示系統(tǒng)和T7噬菌體展示系統(tǒng)。由于噬菌體的這種特性使此技術(shù)生物淘洗過程更加省時(shí)、省力,目前多采用G蛋白珠(protein-G beads)來進(jìn)行生物淘洗,通過親和-離心-洗脫-擴(kuò)增的循環(huán)步驟,篩選富集到與患者血清抗體特異結(jié)合的噬菌體克隆,這些陽性克隆可以點(diǎn)在玻璃或硝酸纖維素膜上組成微陣列,供大量樣本高通量檢測(cè)[42]。但這種方法雖然比SEREX更加高通量,但兩者在篩選蛋白性質(zhì)方面有相同的局限性。
4.3 血清蛋白質(zhì)分析技術(shù) 血清蛋白質(zhì)分析技術(shù)(serological proteome analysis, SERPA)技術(shù)是雙向凝膠電泳(2-DE)、蛋白印跡(Western blot)和質(zhì)譜技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種高通量的新技術(shù)[43],此技術(shù)不必構(gòu)建表達(dá)文庫,可分析大量患者的血清樣品,同時(shí)可統(tǒng)計(jì)腫瘤抗體的發(fā)生頻率,更重要的是可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過各種翻譯后修飾的蛋白抗原。故此技術(shù)一經(jīng)發(fā)明,立即被廣泛應(yīng)用于肺癌、乳腺癌等多種腫瘤抗原的篩選及鑒定[44,45]。
SERPA的基本原理是利用雙向電泳分離腫瘤組織或細(xì)胞的總蛋白后將其轉(zhuǎn)膜,再與腫瘤患者的血清免疫雜交而顯色,通過質(zhì)譜鑒定雙向凝膠上對(duì)應(yīng)的反應(yīng)點(diǎn)而確定腫瘤抗原。另一種與此技術(shù)相似的方法是多重親和蛋白譜分析(multiple affnity protein profiling, MAPP),但其自動(dòng)化程度更高。這兩種方法的缺陷主要與2-DE的技術(shù)局限性有關(guān),很難檢測(cè)到低豐度蛋白、低分子量、疏水性及不可溶性跨膜蛋白等。
4.4 蛋白質(zhì)微陣列 蛋白質(zhì)微陣列(protein microarray)又稱為蛋白質(zhì)芯片(protein chip),是通過微加工技術(shù)和微電子技術(shù)在固體表面構(gòu)建的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng),可作為一種高通量腫瘤自身抗體分析的有力工具。
生物蛋白芯片技術(shù)是將位置及序列為已知的大量蛋白(純化或重組的蛋白、腫瘤組織和細(xì)胞裂解蛋白等)、多肽分子、酶、抗原、抗體以預(yù)先設(shè)計(jì)的方式固定在載體上組成密集的分子排列,這個(gè)載體可以是二維的(如玻片、硝酸纖維素膜和微孔板等)或三維的(如微珠和納米顆粒),當(dāng)標(biāo)記的靶分子與芯片上的探針分子結(jié)合后,通過激光共聚焦掃描或光耦合元件(charge coupled device, CCD)對(duì)標(biāo)記信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)[46,47]。
蛋白質(zhì)芯片技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,芯片技術(shù)可以達(dá)到一次試驗(yàn)同時(shí)檢測(cè)多種疾病或分析多種生物樣品的目的;使用樣品用量??;靈敏度和可靠性極高;自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[48]。Madoz-Gúrpide等[49]采用腫瘤細(xì)胞系的天然蛋白微陣列分析肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549分離蛋白與肺癌患者及正常對(duì)照人群血清的免疫反應(yīng),鑒定出8種蛋白可與肺癌患者血清發(fā)生反應(yīng),而與正常人血清不發(fā)生反應(yīng)(P<0.01)。此外,還發(fā)現(xiàn)肺癌患者血清中抗PGP9.5自身抗體明顯升高,提示其有可能用于肺癌的診斷。現(xiàn)在已有商業(yè)化蛋白質(zhì)芯片問世并應(yīng)用于腫瘤診斷研究,由美國(guó)Invitrogen公司生產(chǎn)的蛋白質(zhì)芯片可一次性檢測(cè)8 000種重組蛋白[50]。目前,蛋白質(zhì)芯片技術(shù)在早期診斷腫瘤標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)和篩查、監(jiān)測(cè)腫瘤進(jìn)程和個(gè)體化治療反應(yīng)等方面已取得長(zhǎng)足進(jìn)展。但在成本、數(shù)據(jù)分析等方面的不足還在改進(jìn)中,有待真正實(shí)現(xiàn)低成本、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;?/p>
腫瘤的早期診斷是提高治愈率的關(guān)鍵,而取材簡(jiǎn)單、無創(chuàng)傷、價(jià)格低的血清學(xué)檢測(cè)方法逐漸受到臨床應(yīng)用研究學(xué)者的廣泛重視。體液免疫為肺癌的早發(fā)現(xiàn)、早診斷提供了理論依據(jù),由于機(jī)體免疫系統(tǒng)對(duì)低表達(dá)的腫瘤抗原信號(hào)可進(jìn)行放大作用,使自身抗體的檢測(cè)比抗原檢測(cè)更加有效,而多抗體聯(lián)合檢測(cè)更能提高檢測(cè)的敏感性,結(jié)合高通量蛋白組學(xué)研究方法,為腫瘤標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)和鑒定提供了有利手段。但迄今為止所發(fā)現(xiàn)的標(biāo)志物與各項(xiàng)臨床指標(biāo)(如組織類型、分期等)的關(guān)系并不密切,其臨床應(yīng)用前景不容樂觀[51]。因此,未來的研究方向也許需要廣泛的多中心合作、多種檢測(cè)手段來評(píng)估候選標(biāo)志物在敏感性、特異性和診斷準(zhǔn)確性方面價(jià)值,以建立高靈敏度和準(zhǔn)確率的腫瘤早期診斷預(yù)警的多分子判別體系。