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，然后进行尿检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是由污染和吸造成的，所以我们知道，在这些环境中，获得这种技术可能会产生重大影响。”麻省理工学院的技术和电气工程和计算机科学博士，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。

巴蒂亚是这篇论文的资深作者，该论文发表在今天的《科学进展》杂志上。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，”Bhatia 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 Sunbird Bio 的公司已经对 Bhatia 实验室开发的类似传感器进行了第一阶段试验，用于诊断肝癌和一种称为非酒精性脂肪性肝炎 (NASH) 的肝炎。