使用麻省理工學(xué)院開發(fā)的一項新技術(shù)，診斷肺癌可能變得像吸入納米顆粒傳感器一樣簡單，然后進(jìn)行尿液測試以揭示是否存在腫瘤。
新的診斷基于可以通過吸入器或霧化器提供的納米傳感器。如果傳感器在肺部遇到與癌癥相關(guān)的蛋白質(zhì)，它們就會產(chǎn)生信號，并在尿液中積累，可以用簡單的紙質(zhì)測試條檢測到。
這種方法有可能取代或補(bǔ)充目前診斷肺癌的黃金標(biāo)準(zhǔn)——低劑量計算機(jī)斷層掃描(CT)。研究人員表示，這可能會對CT掃描儀尚未普及的低收入和中等收入國家產(chǎn)生特別重大的影響。
“在世界各地，癌癥在低收入和中等收入國家將變得越來越普遍。全球肺癌的流行病學(xué)表明，它是由污染和吸煙驅(qū)動的，所以我們知道，在這些環(huán)境中，這種類型的癌癥很容易發(fā)生。麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)、電氣工程和計算機(jī)科學(xué)約翰和多蘿西·威爾遜教授、麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)研究所成員桑吉塔·巴蒂亞(SangeetaBhatia)說：“技術(shù)的進(jìn)步可能會產(chǎn)生巨大影響。”工程與科學(xué)。
巴蒂亞是這篇發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的論文的資深作者。麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家錢忠和前麻省理工學(xué)院博士后愛德華·譚是這項研究的主要作者。
可吸入顆粒
為了幫助盡早診斷肺癌，美國預(yù)防服務(wù)工作組建議50歲以上的重度吸煙者每年進(jìn)行一次CT掃描。然而，并非該目標(biāo)群體中的每個人都會接受這些掃描，并且掃描的高假陽性率可能會導(dǎo)致不必要的侵入性測試。
Bhatia在過去十年中一直在開發(fā)用于診斷癌癥和其他疾病的納米傳感器，在這項研究中，她和她的同事探索了使用它們作為肺癌CT篩查更容易替代的可能性。
這些傳感器由涂有報告基因(例如DNA條形碼)的聚合物納米顆粒組成，當(dāng)傳感器遇到稱為蛋白酶的酶時，報告基因就會從顆粒上裂解下來，而蛋白酶在腫瘤中通常過于活躍。這些記者最終會積聚在尿液中并排出體外。
以前版本的傳感器針對的是肝臟和卵巢等其他癌癥部位，設(shè)計用于靜脈注射。對于肺癌診斷，研究人員希望創(chuàng)建一種可以吸入的版本，這可以使其更容易在資源較低的環(huán)境中部署。
“當(dāng)我們開發(fā)這項技術(shù)時，我們的目標(biāo)是提供一種能夠高特異性和高靈敏度檢測癌癥的方法，同時降低可及性的門檻，從而有望改善肺癌早期檢測的資源差距和不平等，”鐘說。
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員創(chuàng)建了兩種顆粒配方：一種可以霧化并用噴霧器輸送的溶液，以及一種可以使用吸入器輸送的干粉。
一旦顆粒到達(dá)肺部，它們就會被吸收到組織中，并在那里遇到可能存在的任何蛋白酶。人類細(xì)胞可以表達(dá)數(shù)百種不同的蛋白酶，其中一些在腫瘤中過度活躍，它們通過切割細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白質(zhì)幫助癌細(xì)胞逃離其原始位置。
這些癌性蛋白酶從傳感器上切割DNA條形碼，使條形碼在血液中循環(huán)，直到從尿液中排出。
在該技術(shù)的早期版本中，研究人員使用質(zhì)譜分析尿液樣本并檢測DNA條形碼。然而，質(zhì)譜分析需要的設(shè)備在資源匱乏的地區(qū)可能無法獲得，因此，對于這個版本，研究人員創(chuàng)建了一種側(cè)流分析方法，可以使用紙質(zhì)測試條檢測條形碼。
研究人員設(shè)計的試紙可以檢測多達(dá)四個不同的DNA條形碼，每個條形碼都表明存在不同的蛋白酶。尿液樣本無需預(yù)處理或處理，獲得樣本后約20分鐘即可讀取結(jié)果。
“我們確實在推動這種檢測在資源匱乏的情況下進(jìn)行現(xiàn)場護(hù)理，所以我們的想法是不進(jìn)行任何樣本處理，不進(jìn)行任何擴(kuò)增，只是為了能夠?qū)颖菊_地放在紙上并在20分鐘內(nèi)讀出它，”巴蒂亞說。
精準(zhǔn)診斷
研究人員在小鼠身上測試了他們的診斷系統(tǒng)，這些小鼠經(jīng)過基因工程改造，可以產(chǎn)生與人類相似的肺部腫瘤。這些傳感器是在腫瘤開始形成7.5周后施用的，這個時間點可能與人類1期或2期癌癥相關(guān)。
在第一組小鼠實驗中，研究人員測量了20種不同傳感器的水平，這些傳感器旨在檢測不同的蛋白酶。研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析這些結(jié)果，確定了僅四個傳感器的組合，預(yù)計可以提供準(zhǔn)確的診斷結(jié)果。然后他們在小鼠模型中測試了這種組合，發(fā)現(xiàn)它可以準(zhǔn)確地檢測早期肺部腫瘤。
研究人員表示，對于人類來說，可能需要更多的傳感器來做出準(zhǔn)確的診斷，但這可以通過使用多個紙帶來實現(xiàn)，每個紙帶可檢測四種不同的DNA條形碼。
研究人員現(xiàn)在計劃分析人體活檢樣本，看看他們使用的傳感器面板是否也能檢測人類癌癥。從長遠(yuǎn)來看，他們希望在人類患者身上進(jìn)行臨床試驗。一家名為SunbirdBio的公司已經(jīng)對Bhatia實驗室開發(fā)的類似傳感器進(jìn)行了一期試驗，用于診斷肝癌和一種稱為非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的肝炎。
在世界上CT掃描機(jī)會有限的地區(qū)，這項技術(shù)可以顯著改善肺癌篩查，特別是因為單次就診即可獲得結(jié)果。
“我們的想法是，你進(jìn)來，然后你會得到關(guān)于是否需要后續(xù)測試的答案，我們可以讓早期病變的患者進(jìn)入系統(tǒng)，以便他們可以獲得治愈性手術(shù)或救生藥物，”巴蒂亞說。
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