可吸入传感器可实现早期肺癌检测

使用麻省理工学院开发的一项新技术，诊断肺癌可以变得像吸入纳米颗粒传感器一样简单，然后进行尿液检查以揭示是否存在肿瘤。

新的诊断基于纳米传感器，可以通过吸入器或雾化器提供。如果传感器在肺部遇到与癌症相关的蛋白质，它们会产生一个信号，该信号会积聚在尿液中，在那里可以用简单的纸试纸检测到。

这种方法可能会取代或补充目前诊断肺癌的黄金标准，即低剂量计算机断层扫描（CT）。研究人员说，这可能会对没有广泛使用CT扫描仪的低收入和中等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，“麻省理工学院健康科学与技术以及电气工程和计算机科学的约翰和多萝西威尔逊教授Sangeeta Bhatia说。 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。

Bhatia是该论文的资深作者，该论文今天发表在 《科学进展》上。麻省理工学院研究科学家钟倩和前麻省理工学院博士后爱德华·谭是该研究的主要作者。

可吸入颗粒物

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接受这些扫描，并且扫描的高假阳性率可能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将它们用作肺癌CT筛查的更易于替代的可能性。

这些传感器由涂有报告基因（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，该颗粒会从颗粒上裂解，蛋白酶通常在肿瘤中过度活跃。这些报告者最终积聚在尿液中并从体内排出体外。

以前版本的传感器针对其他癌症部位，如肝脏和卵巢，被设计为静脉注射。对于肺癌诊断，研究人员希望创建一种可以吸入的版本，这可以使其更容易在资源较少的环境中部署。

“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灵敏度检测癌症的方法，并降低可及性的门槛，从而希望我们能够改善肺癌早期检测中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：一种可以雾化并用雾化器输送的溶液，以及一种可以使用吸入器输送的干粉。

一旦颗粒到达肺部，它们就会被吸收到组织中，在那里它们会遇到可能存在的任何蛋白酶。人体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，直到它们通过尿液排出体外。

在这项技术的早期版本中，研究人员使用质谱法来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不可用，因此对于这个版本，研究人员创建了一种侧向层析测定法，它允许使用纸质试纸检测条形码。

研究人员设计了该条带来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。无需对尿液样本进行预处理或处理，在获得样本后约 20 分钟即可读取结果。

“我们确实在推动这种检测成为在资源匮乏的环境中可用的即时护理，所以我们的想法是不做任何样品处理，不做任何扩增，只是为了能够将样品放在纸上并在 20 分钟内读出，”Bhatia 说。

准确诊断

研究人员在经过基因工程改造的小鼠身上测试了他们的诊断系统，这些小鼠可以发展出与人类相似的肺部肿瘤。传感器在肿瘤开始形成后7.5周给药，这个时间点可能与人类的1期或2期癌症相关。

在小鼠的第一组实验中，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来分析这些结果，确定了仅四个传感器的组合，这些传感器预计可以给出准确的诊断结果。然后，他们在小鼠模型中测试了这种组合，发现它可以准确检测早期肺部肿瘤。

研究人员说，为了在人类中使用，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条来实现，每个纸条检测四种不同的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1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，这项技术可以极大地改善肺癌筛查，特别是因为可以在单次就诊期间获得结果。

“我们的想法是你进来，然后你得到一个关于你是否需要后续测试的答案，我们可以让有早期病变的患者进入系统，这样他们就可以得到根治性手术或救命药物，”Bhatia说。

该研究由强生肺癌倡议，霍华德休斯医学研究所，美国国家癌症研究所的科赫研究所支持（核心）赠款和国家环境健康科学研究所资助。