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蛋白质组学在癌症早期检测中的应用
摘要
以实现个性化的医疗和改善公众健康的战略，包括个人疾病风险的评估、 早期检测和分子分类在最适当的治疗在疾病发展的早期阶段设立知情选择而造成的疾病的个人风险的评价。未满足的需要，在这一领域的蛋白质组学非常适合作出重大贡献是基于验血及早发现癌症的发展。上皮性癌的蛋白质组学研究，包括两次诊断和标本病特别适合用于早期检测标志物识别的症状出现前采集的标本收集分析说明了这一点。这一总体努力受益于从主题组群的等离子体和肿瘤发生发展的早期阶段取样的工程的小鼠模型的可用性。结果从血浆肿瘤组织及癌组织细胞蛋白质组学与基因组数据集成允许签名澄清蚀变的信号传导通路的血浆中。发现和进一步发展的早期检测标记利用深入定量蛋白质组学方法和数据挖掘技术的生物信息学资源的可用性。战略，以实现个性化的医学和改善公众健康包括疾病、 早期检测和分子分类在最适当的治疗在疾病发展的早期阶段设立知情选择而造成的疾病的个人风险的评价。未满足的需要，在这一领域的蛋白质组学非常适合作出重大贡献是基于验血及早发现癌症的发展。上皮性癌的蛋白质组学研究，包括两次诊断和标本病特别适合用于早期检测标志物识别的症状出现前采集的标本收集分析说明了这一点。这一总体努力受益于从主题组群的等离子体和肿瘤发生发展的早期阶段取样的工程的小鼠模型的可用性。结果从血浆肿瘤组织及癌组织细胞蛋白质组学与基因组数据集成允许签名澄清蚀变的信号传导通路的血浆中。发现和进一步发展的早期检测标记利用深入定量蛋白质组学方法和数据挖掘技术的生物信息学资源的可用性。

介绍
而基于的血液癌症测试的概念很简单，具有挑战性的发展这样的测试，到了很少的与癌症相关的生物标志物检测过 FDA 批准近几年。早期癌症检测生物标志板的发展是特别具有挑战性鉴于敏感性和特异性测试一次，当肿瘤处于早期发展的需要。很难确定合适性能的早期检测的标记所示从卵巢癌蛋白标记验证研究最近的调查结果。1-3在数以百计的出版物中的许多研究报告表明承诺为卵巢癌的早期检测的蛋白质生物标志物候选人的鉴定。为了进一步评估候选指标的性能，验证最近的一项研究包括被选定为在卵巢癌诊断前血清标本和控件从前列腺癌、 肺癌、 大肠癌和卵巢癌 （PLCO） 筛查试验测定的 28 卵巢癌蛋白候选人。没有一个单独的标记展示性能特性相匹配的 CA 125 当前最佳标记为卵巢癌。甚至当生物标志物均并入板预定义的模型的基础，并没有得到改善性能与 CA 125 单独相比。蛋白质生物标志物候选人与 CA 125 的另一项研究，感染的敏感性为 84%，特异性为 98%观察分析了第一阶段手术相对于控件的明显优于 CA 125 独自一人，当时病的患者血清中导致预诊断血清 PLCO 审判中的验证研究。也是从这项研究结果表明小组并不增加 CA125 单独的性能。4在这些验证研究中观察到的负面结果突出的挑战参与发展生物标志物与足够的性能的，适合早期癌症检测。它们产生的生物标记物的消极观5因此有必要重新评估战略，以发现和开发肿瘤生物标记物。这种重新评估是不仅与蛋白质生物标志物，但也更多有关宽到各种类型的标记。
在这里，我们目前发现的蛋白质生物标志物的战略，并强调需要严谨的实验设计、 分析和需要将技术应用必备的灵敏度和定量的准确性，从而确定和量化信号的癌症出现在早期阶段的低丰度蛋白质生物检材的选择至关重要。我们向报告发现从这些策略的应用固体肿瘤，特别是肺癌。
对血液的需求基于测试，以检测癌症
血液中数千个蛋白有潜力使个人的健康状况了解丰富的内容提供了一个理想的舱室，开展癌症的无创性诊断。目前在临床使用中的蛋白标记物，包括卵巢癌、 胰腺癌、 CA19-9 的 CA125 CEA 结肠癌和前列腺癌的 PSA 有有限的实用程序，用于癌症检测。6其他常见的癌症尤其是乳腺癌和肺癌建立缺血与证明的临床效用，在筛选设置基于生物标志物。成像方式有实用程序，用于早期发现癌症。但是他们有相当的局限性。在结直肠癌 （CRC），虽然现有的筛查方法对与这种疾病的死亡率有影响的情况下7据估计 ~ 60%的在美国的 50 岁以上的受试者不筛选出在建议的间隔时间。8-9甚至当主体由他们的结肠镜检查的医生转介的还有的遵守率只有 ~ 50%。10肺癌，成像检查，以检测肺癌最近完成的 NCI 发起全国肺癌筛查所示，表明承诺。11然而，薄片由多探测器行扫描仪已导致大量的转出的肺部小结节检测不能非恶性。检测一个单一的 CT 非钙化结节的频率，从筛选人口肺癌组织中 5-60%。12-13鉴于与肺癌 CT 筛查的假阳性结果的高概率，还有其他的方式来补充成像的大量需要。血液的基础上的生物标记物提供筛选以及疾病分类和监测癌症的进展与回归简单非侵入性检查。
癌症蛋白质生物标志物发现的创新方法
紧张的努力正在进行中，识别常见的癌症，使用各种各样的策略 (循环蛋白标记表 1).14这一努力产生大量的候选蛋白标记物与潜在的诊断实用程序，用于多种癌症为例肺癌患者。15-16在最近一项研究循环 47 生物标志物的水平被评估病人 90 非小细胞肺癌和 43 高危控件使用免疫组成的反对。17多元统计方法然后确定了六个生物标志物 （肿瘤坏死因子-α、 CYFRA21-1、 白细胞介素-1ra、 基质金属蛋白酶-2、 单核细胞趋化蛋白-1 和 sE-选择素） 作为最有效的诊断早期非小细胞肺癌的一个小组。这些标记将被视为一个小组对第二个病人队列中的有正确分类的 75 88 例患者，进行测试，指向新标记了实用程序，用于早期检测小组的发展作出贡献的潜力。虽然目前大量的候选标记的报告可能有实用程序，用于癌症早期检测的文献中，关键的验证实用程序基于前瞻性队列研究一直要么缺乏或很大程度上一直为负，提出了一种治疗卵巢癌。

表 1
蛋白质组学分析和生物标志物发现的标本来源多样性
对比研究了基于预先选定候选人的癌症标记物发现一个小数目，蛋白质组学在生物检材中允许不偏不倚的全面搜寻生物标志物。鉴定蛋白质，在特定的电喷雾电离质谱法的发展14加上各种预分馏和分离方案和蛋白质标记，使得越来越多的蛋白质从细胞、 组织和生物体液 (定量分析图 1).其结果是，几乎所有表达基因在肿瘤细胞群体中的蛋白产物鉴定已成为可以实现。同样，几乎详尽鉴定蛋白质的特定单元格车厢相关，如蛋白在细胞表面表达或分泌或否则释放到细胞外空间，以及与特定翻译后修饰，蛋白质是目前可行的。18-21此外对于血浆和其他生物的体液，质谱拥有足够先进允许跨的蛋白质丰度不低于七日志分析的定量蛋白质组学。22在质谱蛋白质组学的研究领域中的发展的同时，斑点亲和捕捉剂芯片基于策略提供了一种补充做法来审问蛋白质组。23这些技术被应用到组织、 生物体液和细胞群体，以确定潜在的癌症标记物。

图 1
利用液相色谱-质谱法从一例癌症防治等离子体对蛋白的深入定量分析
说明用于生物标志物发现的标本类型的多样性，是基于比较蛋白质组学分析肺静脉污水排水肿瘤血管床和系统性动脉血获得从同一个主题的肺癌癌生物标志物发现策略。这一概念是污水血中含有较高浓度的潜在生物标记物相比更远端血。候选人生物标志物 （NAP 2 / CXCL7) 被认定有可能用于检测肺癌上升到 30 个月前临床诊断实用程序。24
翻译后修饰，尤其是糖基化是肿瘤生物标记物的重要来源。25糖组学研究正在发展和战略，以识别与癌症相关的糖化蛋白有涉及质谱和芯片基于方法和集成蛋白质组学研究策略。26凝集抗体夹心阵列方法被用于描述特定粘蛋白和胰腺癌患者和对照组血清癌胚抗原相关蛋白的蛋白质和糖链水平。27MUC1 和 MUC5AC 蛋白呈高流行而不同的糖链改建情况下与控件之间。最重要的海拔是癌抗原 19-9 上 MUC1 之间相对于控件的情况。糖蛋白分离健康受试者血清与那些从患者肺腺癌 multilectin 亲和色谱法比较发现了大量的癌症选择性的蛋白质，其中包括血浆激肽释放酶 N 1 （KLKB1） 和 α-胰蛋白酶抑制物重链 3 （ITIH3）。28在另一项研究中糖蛋白的一种分析方法进行了使用高分辨率傅里叶变换离子回旋共振质谱分析所得卵巢癌患者和健康对照组的血清中存在的糖基化蛋白质。29一些糖分析展示了有别于索取从健康对照组血清中相应的蛋白聚糖的形式中的 N-糖片段。
应用程序的早期检测标志物发现蛋白质组研究中的创新概念
a.把鼠标的循环蛋白生物标志物发现人类战略
方法克服复杂性和异构性代表向鉴定蛋白变化与肿瘤发生发展相关的重要挑战的人类血浆蛋白质组依赖精制遗传工程小鼠使用人类癌症中忠实地复述人类疾病的分子、 生物学和临床特征的 （GEM） 模型。在几项研究旨在查明蛋白质生物标志物在癌症中开发了精心描绘的 GEM 模型的优点。从胰腺癌 GEM 模型血浆进行采样从小鼠肿瘤发生发展的早期和晚期阶段和从匹配的控件。30使用一种基于广泛的蛋白质组分分析的蛋白质组学方法，1,442 蛋白被发现，分布在整个七个数量级的血浆中的丰度。选择在血浆中的水平提高的基础上从荷瘤小鼠和确证的蛋白质或 RNA 表达组织记录一致从血液中新的蛋白质分析诊断患有胰腺癌相对于控件的主题。五种蛋白在小鼠的肿瘤发生发展的早期阶段增加水平选择一个小组从同一队列之前从匹配对照组症状获得的盲性的研究预诊断胰腺癌血清中受到歧视。肺癌的临床研究的另一项研究，四个罹患肺癌的小鼠模型血浆蛋白图谱对照模型的胰腺、 卵巢、 结肠、 前列腺癌和乳腺癌癌症和炎症 （两种模式的配置文件图 2).31找在等离子体中的小鼠模型的肺腺癌到Titf1/Nkx2-1蛋白签名，一个已知的宗族生存致癌基因在肺癌组织中。EGFR 签名被发现血浆中 EGFR 突变模型，对神经内分泌的发展有关的不同等离子体签名也发现了小细胞肺癌模型。相关性蛋白签名确定人类肺癌小鼠模型的基础论证了基于检测的标记在等离子体诊断肺癌以及预诊断等离子体时获得的一个子集。给出了一大批由癌基因和抑癌基因有关人类对应的操作驱动的癌症的小鼠模型的可用性，使用这种模型的生物标志物的发现途径很可能是非常有益。

图 2
人肉搜索为肺肿瘤血浆蛋白标志物的鼠标
b.对肿瘤抗原作为生物标志物源的免疫反应
肿瘤抗原免疫反应早在肿瘤发生发展过程中发生和产生被放大的信号检出血液中的抗体的形式。有许多报告描述的初诊受试者血清中的抗体识别基于多种技术的实体肿瘤。32旨在发展多抗体板，它可以帮助诊断乳腺癌研究测试一套七个抗原 （p53、 c-myc，HER2、 纽约州 ESO 1，BRCA1 和 BRCA2 与 MUC1） 从 97 例血清用导管原位癌和 94 例健康对照 40 乳腺癌。组成的六个七个抗原小组取得 64%的敏感性与 85%，特异性为乳腺浸润性癌，而介乎 8%至 34%的个体自身抗体的敏感性 26。33在另一项最近的研究，从噬菌体表达文库的五个无性系遭到一组血清中的盲法验证从患者早期结直肠癌 （CRC） 和对照。34分类器产生高歧视案件与低血清癌胚抗原的 CRC 受试者中包括的控件之间。分类器的局限性源于其未能区分 CRC 患者和自身免疫性疾病患者。
蛋白质组学方法在部分依赖于微阵列发现与重组或派生的天然肿瘤蛋白来标识新颖的抗原的审讯。这种蛋白质微阵列方法应用来发现新型肺癌癌肿瘤抗原并成功验证的一整套的抗原以前发现要在肺癌诊断中的时间收集的血清中的抗体与关联性能。35-37盲目的验证研究使用预诊断血清 β-胡萝卜素和视黄醇疗效试验 （脱字号） 做队列是为了确定是否膜联蛋白 I PGP9.5，14-3-3 θ 抗原和 LAMR1 以前找到新成为目标的自身抗体在诊断为肺癌的患者都与前症状阶段收集的血清中的抗体。38在肺癌诊断中的前一年之内从 85 科目收集的个别血清和 85 对照测定。统计学反应性与会者之间相对于控件的情况下，为自身抗体反应性如前所述新观察标本的预诊断标本中相似的频率测试诊断科目。优雅的蛋白质组学方法识别肿瘤抗原包括绑定到可溶性 HLA 分子 （可溶性人类白细胞） 的多肽的质谱分析。39免疫亲和纯化的多发性骨髓瘤和白血病患者和对照组的血浆可溶性人白细胞抗原分子辨识出了上千的可溶性人白细胞抗原肽，包括一些癌症相关的肽，目前中可溶性人白细胞抗原 peptidomes 的癌症患者。
c.发现预诊断样品分析的基础的早期检测标记物的研究
大多数的研究，旨在识别标记可能适用的早期癌症检测，基于癌症诊断时获得的标本。分子生物学特点和蛋白质成分的这类标本不可能特别有关的癌症在早期阶段的检测。使用在更早的时间点，通过队列研究采集的标本有风险标记研究广泛开展。40-42雌激素受体阳性 (ER(+)) 乳腺癌患者，至 17 个月前诊断收集起来并从匹配的对照表皮生长因子受体 （EGFR） 作为一个潜在的预测的患乳腺癌的风险，导致独立设置的 1.44 ； 临床前血浆样本收益率比值 （或者） 验证研究，确定了从收集的血浆样品进行比较深入的定量蛋白质组学分析P = 0.0008 妇女总体和 2.49 ； 或P = 0.0001 为当前用户的雌激素加孕激素 （E + P） 绝经后激素疗法。43使用在更早的时间点，通过早期检测标志物发现的队列研究的样本是可行的因而可能会更具代表性的早期癌症检测的筛选设置。
超越技术： 一个路线图来开发蛋白质生物标志物用于早期检测的必要性
大多数的血清和血浆生物标志物研究已经涉及到分析数目相对较小的样本在一个单一的机构。未来十年面临的挑战将是如何把新发现到的诊所里是高效、 实用的方法。这一目标需要汇集了具有专长的科研团队在蛋白质组学和生物标志物研究的各个方面从发现到临床实用程序验证的协同努力。这一努力的关键是需要满足一些关键的需求，包括：
1. 足够的代表性疾病异质性在发现过程
1. 足够的代表性疾病异质性在发现过程
2. 充分注意到减少生物检材进行分析，导致混淆条件的虚假发现中的偏见的来源
3. 实施依赖于最相关的预期的临床应用的样本的发现和验证研究并表示独立集
4. 依靠提供足够的温度的分析和定量的准确性和重现性的技术
5. 来自多个独立源的生物标志物数据的集成
6. 执行一项计划，设想从发现，通过向预期的临床应用验证各别百无禁忌段出发
7. 足够的代表性疾病异质性在发现过程
8. 充分注意到减少生物检材进行分析，导致混淆条件的虚假发现中的偏见的来源
9. 依靠提供足够的深度的分析和定量的准确性和重现性的技术
10. 来自多个独立源的生物标志物数据的集成
11. 执行一项计划，设想从发现，通过向预期的临床应用验证各阶段出发
12. 足够的代表性疾病异质性在发现过程
13. 足够的代表性疾病异质性在发现过程