新型传感器技术是如何检测肺癌早期的

研究表明，简单的尿液检查即可揭示小鼠中肺癌的存在。

肺癌高危人群（如“老烟枪”）通常需要接受计算机断层扫描（computed tomography， CT）筛查，以检测肺部肿瘤。但是，这种检测有极高的假阳性率，因为它也能检测出肺部的良性结节。

据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出了一种新的肺癌早期诊断方法：一种尿液检测，可以检测出与该疾病相关的蛋白质的存在。这种非侵入性测试可以减少假阳性的数量，并有助于在疾病早期检测出更多的肿瘤。

麻省理工学院的工程师开发出可以递送到肺部的纳米颗粒，其中与肿瘤相关的蛋白酶会在颗粒表面切断肽，释放出报告分子，这些分子可以通过尿液测试被发现

早期发现对肺癌非常重要，因为能够在肿瘤扩散到体内较远位置之前被发现的患者，其五年存活率至少会高出六倍。

麻省理工学院健康科学与技术、电子工程与计算机科学系John and Dorothy Wilson教授 Sangeeta Bhatia表示，“如果您关注癌症诊断和治疗，就会重新认识到癌症早期检测和预防的重要性。我们迫切需要能够及早发现癌症并进行干预的新技术。”她同时也是科赫综合癌症研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）和医学工程与科学研究所的成员。

Bhatia和她的同事发现，这项新测试基于可以注射或吸入的纳米颗粒，可以在小鼠身上检测到小至2.8立方毫米的肿瘤。

Bhatia是该研究的通讯作者，该项研究成果发表于《科学转化医学》（ Science Translational Medicine ）杂志。该论文的第一作者是分别来自麻省理工学院和哈佛大学的研究生Jesse Kirkpatrick和Ava Soleimany，以及前麻省理工学院研究生Andrew Warren，现在是三石风险投资公司（Third Rock Ventures）的合伙人。

靶向肺肿瘤

数年来，Bhatia的实验室一直在研发可以通过蛋白酶相互作用来检测癌症的纳米颗粒。这些酶通过切断细胞外基质的蛋白质，帮助肿瘤细胞逃脱其原始位置。

为了找到这些蛋白质，Bhatia创建了纳米颗粒，该纳米颗粒表面涂有与癌症相关的蛋白酶靶向肽（蛋白质短片段）。颗粒聚集在肿瘤部位，在那里肽被裂解，释放出生物标志物，然后在尿液样本中被检测到。

此前，Bhatia的实验室已经开发出针对结肠癌和卵巢癌的传感器，在他们的新研究中，研究人员希望将该技术应用于肺癌，该疾病每年会导致美国约15万人死亡。接受CT扫描并获得阳性结果的人通常要接受活检或其他侵入性检查以寻找肺部肿瘤。Bhatia表示，在某些情况下，此过程可能会导致并发症，因此，无创性随访测试将有助于确定哪些患者真正需要进行活检。

她指出，“CT扫描固然是很好的医学工具，可以看到很多东西。问题在于，它发现的95％不是癌症，为此必须对大量检测呈阳性的患者进行活检。”

为了定制用于肺癌的传感器，研究人员分析了一个名为“癌症基因组图谱”（Cancer Genome Atlas）的癌症相关基因数据库，并确定了肺癌中富含的蛋白酶。他们创建了一组由14个肽包裹的纳米颗粒，可以与这些酶相互作用。

研究人员随后用两种不同的癌症模型在小鼠身上测试了这些传感器，这两种癌症模型都经过了基因突变处理，导致小鼠们自然发展成肺癌。为了防止来自其他器官或血液的背景噪音，研究人员将这些纳米颗粒直接注入气道。

研究人员利用这些传感器在3个时间点进行了诊断测试：肿瘤开始生长后的5周、7.5周和10.5周。为了使诊断更加准确，他们使用机器学习来训练算法，以区分肿瘤小鼠和健康小鼠的数据。

通过这种方法，研究人员发现他们可以早在7.5周的时候准确检测出其中一种小鼠模型中的肿瘤，这些肿瘤平均只有2.8立方毫米。在另一种小鼠模型中，可以在5周的时候检测到肿瘤。传感器的成功率也与在相同时间点执行的CT扫描的成功率相当，甚至更好。

减少假阳性

研究人员还发现了传感器的另一项重要功能，它可以区分早期肺癌和非癌性肺炎。吸烟人群中常见的肺炎是CT扫描产生大量假阳性的原因之一。

Bhatia设想针对筛查测试结果呈阳性的人，将纳米颗粒传感器用作非侵入性诊断方法，从而有可能无需进行活检。她的团队正在研究一种可以作为干粉或通过雾化器吸入的微粒以用于人体。另一大潜在应用是使用这些传感器来监测肺部肿瘤对治疗的反应，如药物或免疫疗法。

Bhatia补充道，“下一步的重点是将该技术用于已患癌症并正在接受治疗的患者，监测他们是否使用了正确的药物。”

她还在研究一种可用于区分病毒性和细菌性肺炎的传感器，有助于医生确定哪些患者需要抗生素，甚至可以为核酸测试（例如针对Covid-19开发的核酸测试）提供补充信息。由Bhatia联合创办的Glympse Bio公司也在致力于开发这种方法，以取代依靠活检来评估肝脏疾病。

该研究受到了美国国家癌症研究所（National Cancer Institute）授予的科赫研究所支持（核心支持）、美国环境卫生科学研究所（National Institute of Environmental Health Sciences）、国家科学基金会（National Science Foundation）、麻省理工学院分子肿瘤学路德维格中心（Ludwig Center for Molecular Oncology）、科赫研究所癌症纳米医学大理石中心（Marble Center for Cancer Nanomedicine）、科赫研究所肺癌晚期前沿研究项目（Frontier Research Program）以及强生公司（Johnson and Johnson）的资助。

责任编辑：ct