Science Advances：可吸入式传感器可用于早期肺癌检测

使用麻省理工学院开发的一项新技术，诊断肺癌可能变得像吸入纳米颗粒传感器，然后进行尿液测试一样简单，从而显示是否存在肿瘤。

新的诊断是基于纳米传感器，可以通过吸入器或雾化器输送。如果传感器在肺部遇到与癌症相关的蛋白质，它们就会产生一个在尿液中积累的信号，在尿液中可以用简单的试纸条检测到。

这种方法有可能取代或补充目前诊断肺癌的金标准，即低剂量计算机断层扫描(CT)。研究人员说，这可能对没有广泛使用CT扫描仪的中低收入国家产生特别重大的影响。

“在世界范围内，癌症将在低收入和中等收入国家变得越来越普遍。全球肺癌的流行病学是由污染和吸烟驱动的，所以我们知道，在这些环境中，这种技术的可及性可能会产生重大影响，”桑吉塔·巴蒂亚说，他是麻省理工学院健康科学与技术、电气工程和计算机科学的约翰和多萝西·威尔逊教授，也是麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所的成员。

巴蒂亚是这篇发表在《科学进展》杂志上的论文的资深作者。麻省理工学院的研究科学家钟谦和前麻省理工学院博士后爱德华·谭是这项研究的主要作者。

可吸入颗粒物而遭到谴责

为了尽早诊断肺癌，美国预防服务工作组建议50岁以上的重度吸烟者每年进行一次CT扫描。然而，并不是这个目标群体中的每个人都接受了这些扫描，扫描的高假阳性率可能导致不必要的侵入性测试。

在过去的十年里，Bhatia一直在开发用于诊断癌症和其他疾病的纳米传感器，在这项研究中，她和她的同事探索了将纳米传感器作为肺癌CT筛查更容易获得的替代方法的可能性。

这些传感器由涂有报告材料的聚合物纳米颗粒组成，如DNA条形码，当传感器遇到蛋白酶时，就会从颗粒中分离出来，蛋白酶在肿瘤中经常过度活跃。这些记者最终在尿液中积累，并从体内排出。

先前版本的传感器是针对其他癌症部位，如肝脏和卵巢，被设计为静脉注射。对于肺癌诊断，研究人员希望创造一种可吸入的版本，这可以使其更容易在资源较低的环境中部署。

“当我们开发这项技术时，我们的目标是提供一种能够以高特异性和敏感性检测癌症的方法，同时降低可及性的门槛，因此我们有望改善肺癌早期检测的资源差距和不平等，”钟说。

为了实现这一目标，研究人员创造了两种颗粒配方:一种可以雾化并通过雾化器输送的溶液，以及一种可以使用吸入器输送的干粉。

一旦颗粒到达肺部，它们就会被组织吸收，在那里它们会遇到任何可能存在的蛋白酶。人类细胞可以表达数百种不同的蛋白酶，其中一些蛋白酶在肿瘤中过度活跃，它们通过切割细胞外基质的蛋白质来帮助癌细胞逃离其原始位置。这些癌变的蛋白酶从传感器上切割DNA条形码，使条形码在血液中循环，直到它们随尿液排出体外。

在这项技术的早期版本中，研究人员使用质谱法分析尿液样本并检测DNA条形码。然而，质谱法需要的设备在资源匮乏的地区可能无法获得，因此，对于这个版本，研究人员创建了一个横向流动分析，它允许使用纸测试条检测条形码。

研究人员设计了这种条带来检测多达四种不同的DNA条形码，每一种条形码都表明存在不同的蛋白酶。无需对尿样进行预处理或处理，获得尿样后约20分钟即可读取结果。

Bhatia说:“我们真的在推动这种检测方法在资源匮乏的环境中成为即时可用的，所以我们的想法是不做任何样品处理，不做任何扩增，只是能够将样品直接放在纸上，并在20分钟内读出它。”

准确的诊断

研究人员在老鼠身上测试了他们的诊断系统，这些老鼠经过基因改造，产生了与人类相似的肺部肿瘤。这些传感器是在肿瘤开始形成7.5周后使用的，这个时间点可能与人类的1期或2期癌症有关。

在他们的第一组小鼠实验中，研究人员测量了20种不同传感器的水平，这些传感器被设计用来检测不同的蛋白酶。研究人员使用机器学习算法来分析这些结果，确定了仅由四个传感器组成的组合，预计可以提供准确的诊断结果。然后，他们在小鼠模型中测试了这种组合，发现它可以准确地检测出早期肺肿瘤。

研究人员说，对于人类来说，可能需要更多的传感器才能做出准确的诊断，但这可以通过使用多个纸条来实现，每个纸条可以检测四种不同的DNA条形码。

研究人员现在计划分析人体活检样本，看看他们使用的传感器面板是否也能检测人类癌症。从长远来看，他们希望在人类患者身上进行临床试验。一家名为Sunbird Bio的公司已经对Bhatia实验室开发的类似传感器进行了一期试验，用于诊断肝癌和一种被称为非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的肝炎。

在世界上CT扫描机会有限的部分地区，这项技术可以极大地改善肺癌筛查，特别是因为它可以在一次检查中获得结果。

巴蒂亚说:“我们的想法是，你进来，然后得到一个关于你是否需要后续测试的答案，我们可以让早期病变的患者进入系统，这样他们就可以接受治疗性手术或救命药物。”