早期发现是降低癌症死亡率的有效途径，但是到目前为止，依靠检测内源性生物标志物（如循环肿瘤细胞、循环肿瘤DNA和癌症外泌体）的仍无法可靠地检测早期疾病，部分原因是生物标志物的快速清除、高背景信号和低循环浓度等。
另一种诊断策略是全身递送探针，该探针在疾病存在的情况下被选择性激活并产生信号。由于不再依赖于天然生物标志物，这种方法比内源生物标志物具有更高的灵敏度。虽然有希望，但这种策略受到探针的生物相容性、探针到病理部位的有效递送以及探针测定疾病环境的多种特征的能力的限制。
为了克服这些问题，斯坦福大学医学院的研究人员以巨噬细胞为基础，改造出工程化免疫细胞，将其注入静脉后通过检测血浆种的荧光素酶，可更灵敏地检测出早期癌症，而且这一方法有其他疾病的早期检测也有效。
这项研究于2019年3月18日发表在最新一期的 Nature Biotechnology 杂志（影响因子：35.720）。
论文题目：Engineered immune cells as highly sensitive cancer diagnostics。工程化免疫细胞用于高灵敏度癌症检测。
通讯作者：Sanjiv S. Gambhir（斯坦福大学医学院）
巨噬细胞（Macrophages）是一种位于组织内的白血球，在脊椎动物体内参与非特异性防卫（先天性免疫）和特异性防卫（细胞免疫）。它们的主要功能是以固定细胞或游离细胞的形式对细胞残片及病原体进行吞噬以及消化，并激活淋巴球或其他免疫细胞，令其对病原体作出反应。
巨噬细胞有多种类型，主要有M1巨噬细胞和M2巨噬细胞。M1巨噬细胞产生促炎细胞因子，被称为经典型巨噬细胞，具有很强的杀死微生物特性。M2巨噬细胞又称替代性活化巨噬细胞，对寄生虫、组织重塑、血管生成和过敏性疾病的反应中起着核心作用。
巨噬细胞吞噬细菌示意图
免疫亚群存在于一系列人类癌症中。分析来自iPRECOG数据库的5782个肿瘤中白细胞的分布，显示M2巨噬细胞是大多数实体瘤中的主要免疫细胞。因此，选择巨噬细胞作为泛癌诊断传感器的候选者。
在小鼠中，肿瘤相关的M2巨噬细胞极化的特征在于参与支持免疫抑制微环境的基因的表达上调。肿瘤微环境（TME）的特征在于酸中毒、缺氧、升高的IL-4和IL-13浓度以及肿瘤来源的细胞因子。BMDM（小鼠骨髓来源巨噬细胞）和RAW264.7（小鼠单核巨噬细胞）在用IL-4和IL-13刺激时均表现出M2标志物Chil3、Retnla、Mrc1和Arg1的表达的时间依赖性增加。
BMDM和RAW264.7巨噬细胞在暴露于来自CT26结肠癌细胞系的TCM时也将Arg1上调至600倍。IL-4、IL-3和TCM对Arg1的作用也是剂量依赖性的，这对最终诊断的动态范围很重要。
分泌型荧光素酶（Gluc）是一种主要分泌（95%分泌）的荧光素酶，其还允许细胞内可利用的Gluc的生物发光成像。
为了在体内非侵入性地测定巨噬细胞极化，该研究改造了了巨噬细胞，将Arg1启动子和增强子区域克隆在Gluc基因的上游，并改造了稳定表达Arg1-Gluc报告基因的RAW264.7细胞系（小鼠单核巨噬细胞）。使得Arg1的活化与分泌的生物标志物产生偶联。
为了确定工程化巨噬细胞传感器是否可以检测体内肿瘤，研究人员将其通过静脉注射引入到携带肿瘤的小鼠体内，随后测定血浆中的Gluc含量。
首先采用转移性乳腺癌的同系模型，其中静脉注射4T1细胞在肺中形成局部微肿瘤，然后出现弥漫性转移性疾病。
实验结果显示，工程化巨噬细胞传感器通过血浆Gluc测量以100％灵敏度和特异性区分来自患肿瘤小鼠和健康对照。此外，活化的巨噬细胞（细胞内Gluc）和转移瘤（Fluc）的成像显示活化的巨噬细胞和转移部位的共定位。
为了确定可用工程化巨噬细胞传感器检测到的最小肿瘤体积，研究人员接将工程化巨噬细胞传感器应用于肿瘤体积为0-250立方毫米的皮下肿瘤模型。
在传感器注射当天用卡尺测量肿瘤大小，并在随后的几天通过血浆将测。在工程化巨噬细胞传感器注射后24小时，可以检测到体积为50-250立方毫米的肿瘤，而且具有100％的灵敏度和特异性。并且能够将25-50立方毫米的肿瘤与健康对照组成功区分开。
也就是说，通过工程化的巨噬细胞传感器，能有高灵敏度地检测出50立方毫米以下体积的早期肿瘤。
构建工程化巨噬细胞传感器以及检测肿瘤的流程图
虽然，工程化巨噬细胞传感器在检测早期癌症具有高灵敏度的优势，然而，改造工程化巨噬细胞的成本还是太高了，因此很难成为一个常规的筛查工具。
但是，体内基因递送技术可以通过病毒载体等方式让人体原位产生工程化巨噬细胞传感器，而不需要细胞分离并在体外改造。或者，可以设计具有诊断功能的低成本同种异体的成品通用性传感器，然后由宿主免疫系统识别并消除为外来传感器。
因此研究人员乐观地认为，这种工程化传感器将成为早期诊断的有力工具，并最终改善患者在各种病症中的治疗效果。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41587-019-0064-8
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