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质谱流式描绘出手术后病人康复的指纹图谱

放大字体  缩小字体 发布日期:2015-03-31  来源:转化医学网
核心提示:每年有数以百万计的人接受各种大手术,但是没有人知道他们多久可以恢复。有些人几天会感觉明显好转,而对于

每年有数以百万计的人接受各种大手术,但是没有人知道他们多久可以恢复。有些人几天会感觉明显好转,而对于其他人则可能需要一个月或更长的时间。对于具体某一个病人,医生也无法告诉他究竟属于那种类型。

就在最近,斯坦福大学医学院的研究人员发现,在手术后的第一个24小时内,一小群免疫细胞的活性水平变化可以为预测病人的康复期提供有力的线索。基于此,他们可以预测病人何时将从手术引起的疲劳和疼痛中恢复,并重新站立起来。

在这项研究是基于对32个经过髋关节置换手术的中老年患者血样进行深入分析后得出的结论,该成果发表在今年9月24日发表的Science Translational Medicine.杂志上。这可能是迄今为止最全面的对于创伤后免疫系统反应特征的研究。

斯坦福大学的研究者能有这一发现是因为他们使用了一个高度灵敏的技术--“单细胞质谱流式技术”。这是一种在Garry Nolan(斯坦福大学的微生物学和免疫学教授)的实验室中发展起来的新技术,它利用金属元素做为抗体的标签,质谱装置做为检测手段,可以同时检测免疫细胞表面以及内部的几十个生化特征,不但可以告诉我们这些细胞属于什么种类,还可以告诉我们他们的活性如何。

第一个24小时的重要线索

“我们了解到,在手术后的第一个24小时,你会在血液中发现一些重要线索,这些线索为我们揭示了决定一个病人术后两周时状态的因素。”Martin Angst说,他是麻醉学教授、疼痛和手术期用药方面的专家,同时也是这项研究的共同通讯作者。

这一发现可能会开创一个新型的个性化诊断方法--只需在术后检查病人少量血液样本,就可以预测他的恢复时间(斯坦福拥有相关方面的临时专利)。这种诊断可以帮助医生及早决定应该对哪位病人采用更优化的恢复方案,帮助病人告诉自己的亲人和老板大概的出院时间。充分理解研究中所发现的分子机制,可能会指导临床医生操纵免疫系统,从而让病人更快的恢复。

“虽然每年超过2亿例的外科手术中绝大多数是小手术,”Angst说,“但是,仅在美国,就有数以百万计的像髋关节置换术这样的大创伤手术,这些手术会引发患者显著的炎症反应。

愈合与阻碍

“炎症最初的爆发阶段对愈合过程非常关键,”Angst表示,“你需要释放这条‘猛龙’,但是你需要能够驾驭它。太多的炎症会导致恢复的延迟。”免疫系统的组件必须不断动态的调整自己的功能,以便加速而不是阻碍伤口的愈合。

几年前,Angst参加了Nolan的一个讲座,讲座中介绍了质谱流式技术。它可以在单细胞上实现超过50种不同的表面和内部蛋白的同时测量,而标准的细胞分选流式通常最多能进行12-15个参数的测量。这个讲座促成了Angst和Nolan之间的合作,博后Brice Gaudilliere成为了他们合作的桥梁,他和Nolan的研究生Gabriela Fragiadakis一起成为本项研究的共同第一作者。

“质谱流式一次可以检测如此多的参数,这项特殊能力为研究人员提供了一个通向‘细胞灵魂’的窗口,”Nolan说,“我们不仅能识别免疫细胞的身份,还可以观察它的精神状态。”Nolan本人拥有Fluidigm公司的股权,这家公司生产了本研究中所用的质谱流式仪和相关试剂。

该研究招募了32个没有其他疾病的患者,年龄大多是在50岁到80岁之间。他们都在斯坦福大学整形外科接受了初次全髋关节置换手术。研究组采集了他们的术前1小时、术后1小时、24小时、72小时以及术后4~6周的血液样本。这些样品在采集后被迅速送到Nolan的实验室进行质谱流式分析。在每个样本中大概分析了有近50万个细胞,这些细胞内外的35个蛋白的表达量都被精确检测。这些数据不但揭示了每个细胞的身份,还记录了隐藏在各个细胞内部的关键活动。

在术后的六周内,患者每三天填写一次问卷调查,说明自己疼痛和疲劳的程度以及他们新髋关节功能恢复情况。

瞄准关键指标

斯坦福研究小组观察到手术后有一个 “被精确协调的、细胞类型和时间特异的免疫反应模式”(Angst语)。该模式包括多种免疫细胞一连串协同的上升和下降过程,同时伴随着每种细胞内部的各种变化。

“令人惊讶的是,这种手术后的表型出现在每一例病人中,” Angst说,“只是各类型细胞的数量和活性变化倍数各有不同。”

有一个因素比较特别,手术后24小时与术后1小时之间,几个关键作用蛋白在一小群 “首先反应”的免疫细胞中的激活状态变化非常关键。这一因素关系到病人恢复过程中40%~60%的差异。这些“前线细胞”在手术后不久会显著增多,但和细胞内活动变化不同,其数量的增加与病人恢复时间的相关度并不强。

在一个典型健康人血样中,这群细胞大约只占其白细胞总数的1~2 %,所以,使用低通量的检测技术时,它们内部的变化很容易被忽略掉。

这项研究中观察到的相关性远强于以往所有关于炎症反应和临床康复关系方面的报道。这些研究一般只是监测了手术后不同时间点血液中各种分泌物的水平的变化或者不同细胞的转运情况。但是,这些研究缺乏同时观察众多参数的能力,因此无法知道在特定时间点是哪些免疫细胞正在向血液中分泌这些物质,或者此时其他类型的细胞都在干什么。

预测恢复的可能途径

“如果一个相关性只能解释恢复过程中百分之二甚至百分之十的差异,在临床上是可能不完全的相关,”Angst说,“而我们确凿的相关性则可能产生一个预测术后恢复的方法,这在临床中是非常有用的。”

虽然尚未证实,研究人员相信,这群活动模式与病人恢复过程最为相关的细胞群,是一个被称为“髓系抑制性细胞”的亚群,其他的研究显示它们对炎症具有抑制作用。这些细胞在癌症中起到负面作用,它们过度的活动似乎会抑制身体的免疫系统攻击肿瘤。但在手术后的背景下,他们的活动可能就是医生所希望的。

现在,斯坦福的研究团队正打算看看他们是否能找出一个可以预测恢复速度的术前免疫特征。“如果我们能在术前预测病人恢复时间,”Gaudilliere说,“我们也许会看到病人受益于免疫系统的预先激活或者术前的各种干预措施,如物理治疗的等。它甚至可以帮助我们决定何时或是否应该对病人进行手术。”

 
 
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