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通过吸入的纳米颗粒传感器来辅助诊断肺癌

Sean Whooley

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2024/01/26

麻省理工学院的研究人员开发了一种基于纳米传感器的新诊断方法，患者可以通过吸入器或雾化器吸入。

如果传感器在肺部遇到与癌症相关的蛋白质，它们会产生积聚在尿液中的信号。然后，患者可以使用简单的纸质试纸进行尿液测试，并揭示肿瘤的潜在存在。

研究人员表示，这种方法有可能取代或补充目前用作诊断肺癌金标准的低剂量计算机断层扫描（CT）成像。特别是，根据麻省理工学院的说法，它可以帮助缺乏广泛CT扫描仪的低收入和中等收入国家。

桑吉塔·巴蒂亚（Sangeeta Bhatia）是本月发表在《科学进展》（Science Advances）上的一篇论文的资深作者，该论文概述了这种方法。Bhatia 是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 John 和 Dorothy Wilson 教授。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（Edward Tan）是该研究的主要作者。

“在世界范围内，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是，它是由污染和吸烟驱动的，所以我们知道，这些环境可能会产生重大影响，“Bhatia在麻省理工学院网站上的一篇文章中说。

关于可吸入颗粒

根据麻省理工学院的说法，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。她和她的同事利用这项研究来探索这些纳米传感器作为肺癌CT扫描替代品的潜力。

研究人员用涂有报告基因（如DNA条形码）的聚合物纳米颗粒设计了传感器。麻省理工学院说，当传感器遇到称为蛋白酶的酶时，这种报告基因会从颗粒中裂解出来，蛋白酶在肿瘤中通常过度活跃。记者最终积聚在从体内排出的尿液中。

麻省理工学院表示，以前版本的传感器通过静脉注射来靶向癌症部位，如肝脏和上层。不过，在资源较少的环境中，可吸入版本可以帮助治疗肺癌。因此，研究人员创造了两种颗粒配方——一种用于雾化器输送的雾化溶液和一种用于吸入器的干粉选择。

一旦颗粒到达肺部，它们就会被吸收到组织中并遇到任何可能存在的蛋白酶。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，直到通过尿液排出体外。

早期版本使用马斯光谱法来分析尿液样本。但是，在资源匮乏地区可能没有用于该方法的设备。正因为如此，该团队创建了一种侧向层析测定法，允许在纸质试纸上进行检测。他们设计了这种条带来检测多达四种不同的DNA条形码。尿液样本不需要预处理或处理，大约20分钟即可出结果。

Bhatia 说：“我们确实在推动这种检测在资源匮乏的环境中提供即时检测，因此我们的想法是不进行任何样品处理，不进行任何扩增，只是为了能够将样品直接放在纸上并在 20 分钟内读出。

准确性仍然是关键

该团队在经过基因工程改造的小鼠中测试了该系统，以发展类似于人类的肺部肿瘤。他们在肿瘤开始形成后7.5周施用传感器。这可能与人类的 1 期或 2 期癌症有关。

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，用于检测不同的蛋白酶。他们使用机器学习来分析结果，确定了四个传感器的组合，预计可以给出准确的结果。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部肿瘤。

根据麻省理工学院的说法，人类使用可能需要更多的传感器才能进行准确诊断。然而，他们看到了使用多条纸条的潜力，每条纸条检测四种不同的DNA条形码。

现在，该团队计划分析人体活检样本，看看传感器面板是否也能检测人类癌症。再往前走，他们希望进行人体临床试验。该团队表示，一家名为Sunbird Bio的公司已经在Bhatia实验室开发的类似传感器上进行了I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。

Bhatia的团队认为，鉴于结果是在一次访问中获得的，这可以极大地改善世界上CT访问有限的地区的肺癌筛查。

“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，我们可以让早期病变的患者进入系统，这样他们就可以得到治愈性手术或救命药物，”Bhatia说。

通过吸入的纳米颗粒传感器来辅助诊断肺癌

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