单细胞EB病毒基因检测技术助力鼻咽癌感染机制研究

  鼻咽癌(Nasopharyngeal carcinoma, NPC)是一种发生于鼻咽黏膜柱状上皮的恶性肿瘤,绝大多数为鳞状细胞癌。常见临床症状为鼻塞、涕中带血、耳闷堵感、听力下降、复视及头痛等。全球80%鼻咽癌发生在中国,60%发生在南方特别是广东,故称作“中国癌“又叫“广东癌“。


鼻咽解剖结构

罹患鼻咽癌的名人

罹患鼻咽癌的名人

  香港著名导演陈木胜,以执导警匪片著称,知名的作品包括《双雄》《新警察故事》《保持通话》《扫毒》等。不幸的是,在执导新电影期间,陈木胜导演被查出鼻咽癌晚期,患病之后,陈木胜一直在医院进行治疗,但无奈癌细胞进展太快,2020年8月23日,陈木胜因鼻咽癌去世,享年58岁。
  香港著名反派影星成奎安,绰号“大傻”。2004年,成奎安被证实患上第二期鼻咽癌,而且是晚期。2009年病情再次恶化,无奈去世。
  香港演员张达明,被国内观众所熟悉的周星驰电影《大内密探零零发》(1996.2.16上映)里的皇帝。2011张达明被查出鼻咽癌三期,此后似乎就消失在大众视野,张达明也经历了长达9年的抗癌抗病历程。
最佳男单之一,羽毛球名将李宗伟(马来西亚华人)2018年9月被诊断为患有鼻咽癌III期,前前后后历经了33次治疗,33次手术的费用高达936万元,最终治疗康复。
  以上名人罹患鼻咽癌,让人们惊讶的发现鼻咽癌离我们如此近。医学数据显示,鼻咽癌在我国华南地区广东省广东省广西壮族自治区广西壮族自治区多为地域性特征,发病率较高。

鼻咽癌流行病学

  鼻咽癌是常见的头颈部恶性肿瘤之一,在我国南方尤为高发,年发生率为(30~80)/10 万人。最常见的病理类型为非角化性癌,与 EB 病毒高度相关,腌制食品和遗传等也可能导致鼻咽癌。


中国鼻咽癌分布,2007

  国际癌症研究中心( International Agency for Research on Cancer,IARC)发布的 Globocan2018数据显示,2018年全球鼻咽癌新发病例129079例,死亡病例72987例。约92%的新发病例出现在发展中国家,我国鼻咽癌的发病率和死亡率高于全球平均水平,死亡病例约占全球鼻咽癌全部死亡病例的40%。根据2022年全国肿瘤登记中心数据显示:2016年中国鼻咽新发病例估计为5.2万例,死亡病例2.67万例。
  据IARC的另一组统计数据显示,2020年全球新发鼻咽癌病例数为 12.9万,约70%的病例分布在华南、东南亚以及北非,其发病特点具有明显的地域、种族差异。在我国,2020鼻咽癌新发62444例,发病率为3/10万,男性发病率高于女性,约为2.5:1。鼻咽癌的病因尚不明确,目前较为认可的因素包括 EB病毒感染、遗传、化学致癌因素 等。早期鼻咽癌可无任何症状,部分患者可能出现鼻塞、鼻衄、耳鸣等症状,一般未引起重视,超过70%的患者就诊时已属局部晚期,放疗、化疗、靶向治疗以及免疫治疗等 综合治疗是其治疗的主要模式。
  2019年,来自中国和新加坡的科学家团队在《自然.遗传学》上发表的一篇突破性论文,给这个问题提供了一个新的可能答案:EBV病毒在亚洲发生了突变,成为了一种能导致的鼻咽癌的高危亚型。而这个高危亚型病毒在广东人群中广泛传播!
  为了证明猜想,科学家检测了269例鼻咽癌患者体内的EBV病毒全基因组序列,作为对照,他们也检测了不少来自鼻咽癌高发区健康人群体内的EBV病毒基因。通过对比两组人群的EBV病毒基因,科学家惊奇地发现,鼻咽癌患者感染的EBV和健康人群感染的EBV是不同的!
  广东地区80%的鼻咽癌患者体中都存在一种独特的高危病毒亚型,被称为BALF2_CCT亚型。研究发现,如果一个人感染了这种高危EBV亚型,他的鼻咽癌发病风险将比感染低危亚型的人增加11倍!
  非洲和欧洲极少有感染这个高危亚型的人,中国北方人群感染比例也低于5%,但在华南地区,感染这个高危病毒的人群比例高达40%!

鼻咽癌与EB病毒

  EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV) 又称人类疱疹病毒4型,是一种只感染人类的γ-疱疹病毒,1964年首次由Epstein与Barr团队在伯基特淋巴瘤中发现,因此命名EB病毒。EBV是最早被鉴定和人类肿瘤有关的病毒,除了鼻咽癌外,它和儿童的伯基特淋巴瘤也有密切关系。研究发现,几乎100%的鼻咽癌患者都是EBV感染阳性!


EB病毒

EB病毒感染机制

  EBV主要感染B淋巴细胞和上皮细胞,感染机制复杂,涉及病毒多个表面糖蛋白及多个细胞受体的多步骤过程。EBV感染B淋巴细胞主要通过受体CD21及HLA II。在EBV感染上皮细胞过程中,EBV糖蛋白gH/gL首先与细胞表面的整合素和NMHC-IIA结合;接着,gH/gL/gB复合物与EphA2、NRP1相互作用,触发gB的构象转变;最后,gB插入细胞膜,完成EBV的融合。


EBV感染细胞的潜在途径

鼻咽癌筛查

  如果鼻咽癌发现得早,通常并不会致命。早期鼻咽癌5年生存率高达90%以上,早诊早治意义重大。
  早期筛查是降低NPC死亡率的关键。EBV相关标志物是NPC早期筛查中重要的指标,其中血清学抗体如VCA/IgA和EA/IgA在人群筛查中应用最广泛。此外,EBV DNA是一个具有很高敏感性和特异性的筛查标志,越来越受到重视。值得注意的是,EBV编码的microRNA,遗传易感性位点和EBV高危亚型也有助于鼻咽癌的综合筛查。


鼻咽癌EBV筛查策略

  对于鼻咽癌患者,外周血EBV 抗体与 EBV DNA 拷贝数若为阳性,可协助鼻咽癌的诊断。最新的一项前瞻性整群随机对照的筛查研究发现,基于 VCA/IgA 和 EBNA1/IgA 两个 EB 病毒抗体的组合可将鼻咽癌的早期诊断率提高 3 倍(21%~79%),并降低死亡风险 88%;另一项前瞻性筛查研究发现,血浆 EBV DNA拷贝数对于鼻咽癌诊断的敏感性和特异性分别高达 97.1% 及 98.6%,与历史对照相比(20%),71%的患者诊断时仅为Ⅰ~ Ⅱ期,降低了死亡风险。需注意:若这些分子指标检测均为阴性,也不能排除鼻咽癌的可能。


EBV检测是鼻咽癌诊断的一级专家推荐,《中国临床肿瘤学会(CSCO)鼻咽癌诊疗指南2020》

  EB病毒阳性实际上是在检验中发现了病毒的抗体,EB验血两项(常包括VCA-IgA与EA-IgA)是临床上应用最多、筛查意义最大的一项检查。EB病毒抗体阳性不代表就患上鼻咽癌。成人95%左右都感染过EB病毒,也仅约3%-10%的EB病毒抗体阳性人群会转化为鼻咽癌患者,说明肿瘤的发生并不是EB病毒单因素的,而是遗传和环境多因素共同引起的。

单细胞转录组技术助力鼻咽癌与EBV相互作用机制研究

  来自北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、生命科学学院白凡研究员团队与中山大学肿瘤防治中心曾木圣/钟茜教授团队的科研人员对19个EBV+ NPC患者的肿瘤样本(其中3例有配对转移位组织),以及7例非肿瘤患者的鼻咽组织样本应用scRNA-seq技术,共捕获到大约104,000个单细胞。并结合结合大样本基因组、转录组和临床数据,以及流式检测、多重免疫组化、免疫荧光、CCK-8、ELISPOT、小鼠移植瘤、细胞共培养等多种实验手段,对鼻咽癌肿瘤微环境进行了全面系统的剖析研究,并鉴别出一类独特的“上皮-免疫”双重特征肿瘤细胞亚群。相关文章2020年9月8日发表于《 Cell Research》杂志。
  对EBV基因表达图谱特征分析表明,EBV潜伏期和裂解期基因可在宿主同一肿瘤细胞内共表达。此外,研究人员在单细胞分辨率下探索了恶性细胞中潜在的宿主病毒串扰,发现EBV基因BNLF2a/2b的表达与免疫反应相关的宿主基因高度相关,包括NPC16中的C3和CFH,NPC17中的OASL和ISG20,以及NPC36中的IFTM1和SERPING1等

助力鼻咽癌EBV感染机制研究的新格元解决方案

  新格元开发了FocuSCOPE Single Cell mRNA×EBV Library Kit,试剂盒针对EB病毒基因转录本进行靶向捕获和单细胞转录组同步检测,主要针对EBNA1、EBNA2、EBER1、EBER2、ZEBRA等设计捕获靶点,主要原理是利用微流控芯片捕获单细胞,并将带有独特细胞标签EBV Cell Barcoding及分子标签(UMI)的磁珠同时含有PolyT和靶向捕获探针,实现宿主mRNA和病毒mRNA的同时捕获。将EBV Barcoding Beads捕获的mRNA反转录为cDNA并扩增构建转录组测序文库,同时进行多重PCR富集EB病毒基因。有效地在单细胞水平上对病毒靶基因进行有效覆盖,对宿主细胞的病毒分布及含量做出精准评估,为在单细胞水平上检测EB病毒基因表达信息;为临床及科研有关EB病毒基因与宿主基因调控研究、EB病毒成瘤机制探究等方面提供参考。


新格元单细胞EBV Barcoding Beads结构

  为验证FocuSCOPE Single Cell mRNA×EBV Library Kit的检测性能,我们测试了Raji和小鼠骨髓混合后检测,其中RAJI含EB病毒感染,小鼠骨髓不含EB病毒感染。使用FocuSCOPE Single Cell mRNA×EBV Library Kit完成试验后对样本进行聚类分析,结果显示能够准确地检测Raji细胞的EBV病毒分布,如下图所示。


新格元EBV基因检测试剂盒展示数据
产品亮点:

  - 磁珠上特异性探针设计,可提高靶向捕获基因效率;
  - 设计的探针覆盖EB病毒的全生命周期,可以探究感染各阶段病毒的细胞分布;
  - 突破polyA限制,对非polyA得转录本实现捕获研究;

产品应用方向:

  - 定位EBV感染的细胞类型和细胞亚型;
  - 分析细胞内的宿主与病毒基因表达情况;
  - 研究疾病进展、治疗用药等在病毒基因表达方面的差异;
  - 研究不同疾病EB病毒基因表达方面的差异,以及病毒的免疫逃逸机制;

参考文献

Zhu QY, Zhao GX, Li Y, et al. Advances in pathogenesis and precision medicine for nasopharyngeal carcinoma. MedComm (2020). 2021;2(2):175-206.
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