吸入式传感器可以实现早期肺癌检测

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一样简单，然后进行尿液测试以揭示是否存在肿瘤。

新的诊断基于可以通过吸入器或雾化器提供的纳米传感器。如果传感器在肺部遇到与癌症相关的蛋白质，它们就会产生信号，并在尿液中积累，可以用简单的纸质测试条检测到。

这种方法有可能取代或补充目前诊断肺癌的黄金标准——低剂量计算机断层扫描(CT)。研究人员表示，这可能会对CT扫描仪尚未普及的低收入和中等收入国家产生特别重大的影响。

“在世界各地，癌症在低收入和中等收入国家将变得越来越普遍。全球肺癌的流行病学表明，它是由污染和吸烟驱动的，所以我们知道，在这些环境中，这种类型的癌症很容易发生。麻省理工学院健康科学与技术、电气工程和计算机科学约翰和多萝西·威尔逊教授、麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学研究所成员桑吉塔·巴蒂亚(SangeetaBhatia)说：“技术的进步可能会产生巨大影响。”工程与科学。

巴蒂亚是这篇发表在《科学进展》杂志上的论文的资深作者。麻省理工学院研究科学家钱忠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

为了帮助尽早诊断肺癌，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，并非该目标群体中的每个人都会接受这些扫描，并且扫描的高假阳性率可能会导致不必要的侵入性测试。

Bhatia在过去十年中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使用它们作为肺癌CT筛查更容易替代的可能性。

这些传感器由涂有报告基因(例如DNA条形码)的聚合物纳米颗粒组成，当传感器遇到称为蛋白酶的酶时，报告基因就会从颗粒上裂解下来，而蛋白酶在肿瘤中通常过于活跃。这些记者最终会积聚在尿液中并排出体外。

以前版本的传感器针对的是肝脏和卵巢等其他癌症部位，设计用于静脉注射。对于肺癌诊断，研究人员希望创建一种可以吸入的版本，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高特异性和高灵敏度检测癌症的方法，同时降低可及性的门槛，从而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，研究人员创建了两种颗粒配方：一种可以雾化并用喷雾器输送的溶液，以及一种可以使用吸入器输送的干粉。

一旦颗粒到达肺部，它们就会被吸收到组织中，并在那里遇到可能存在的任何蛋白酶。人类细胞可以表达数百种不同的蛋白酶，其中一些在肿瘤中过度活跃，它们通过切割细胞外基质的蛋白质帮助癌细胞逃离其原始位置。

这些癌性蛋白酶从传感器上切割DNA条形码，使条形码在血液中循环，直到从尿液中排出。

在该技术的早期版本中，研究人员使用质谱分析尿液样本并检测DNA条形码。然而，质谱分析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，研究人员创建了一种侧流分析方法，可以使用纸质测试条检测条形码。

研究人员设计的试纸可以检测多达四个不同的DNA条形码，每个条形码都表明存在不同的蛋白酶。尿液样本无需预处理或处理，获得样本后约20分钟即可读取结果。

“我们确实在推动这种检测在资源匮乏的情况下进行现场护理，所以我们的想法是不进行任何样本处理，不进行任何扩增，只是为了能够将样本正确地放在纸上并在20分钟内读出它，”巴蒂亚说。

精准诊断

研究人员在小鼠身上测试了他们的诊断系统，这些小鼠经过基因工程改造，可以产生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周后施用的，这个时间点可能与人类1期或2期癌症相关。

在第一组小鼠实验中，研究人员测量了20种不同传感器的水平，这些传感器旨在检测不同的蛋白酶。研究人员使用机器学习算法分析这些结果，确定了仅四个传感器的组合，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早期肺部肿瘤。

研究人员表示，对于人类来说，可能需要更多的传感器来做出准确的诊断，但这可以通过使用多个纸带来实现，每个纸带可检测四种不同的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SunbirdBio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扫描机会有限的地区，这项技术可以显着改善肺癌筛查，特别是因为单次就诊即可获得结果。

“我们的想法是，你进来，然后你会得到关于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，以便他们可以获得治愈性手术或救生药物，”巴蒂亚说。

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