导读


美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科研团队发明一种强有力的工具,它可以在手术期间快速精准地识别癌变组织,大约10秒钟之内出结果,比现有技术快150倍。


关键字


癌症医疗


背景


癌症号称人类健康的头号杀手,其发病率和死亡率不断攀升。


然而,各种前沿科技成果为人类预防和治疗癌症带来了新的希望。笔者曾经介绍过一些相关案例,例如:二维材料石墨烯帮助诊断癌症检测癌症的智能手机光谱仪使用光纤和流体系统检测肿瘤细胞的专利移动设备;通过呼气检测癌症的呼吸检测仪等等。


总结一下,这些前沿技术成果不仅涉及到医学领域,而且更跨越了材料、软件、芯片实验室等多个领域。另外,这些设备也呈现出低成本、便携式、易操作、快速出结果等创新趋势。


创新


以往介绍的前沿技术成果大多与癌症的早期诊断相关,而今天我要介绍一款与癌症手术相关的设备。


美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家与工程师组成的团队发明一种强有力的工具,它可以在手术期间快速精准地识别癌变组织,大约10秒钟之内出结果,比现有技术快150倍


MasSpec Pen 是一种创新型的手持设备,它为外科医生提供精准的诊断信息:哪部分组织需要切除,哪部分组织需要保留,帮助改善治疗并且降低癌症复发的可能性。

(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校


这项研究发表于9月6日版的《科学转化医学》( Science Translational Medicine)期刊。这项研究由跨学科的团队完成,融合了化学、工程和医学这几个领域。研究团队和德克萨斯大学奥斯汀分校为这项技术申请了美国专利,并且正在致力于得到全球范围内的专利保障。


技术


  • 为什么需要这项技术?

德克萨斯大学奥斯汀分校化学工程专业的助理教授、这项研究的设计者、团队的领头人 Livia Schiavinato Eberlin 表示:


“如果你在手术以后与癌症病人交谈,许多人要说的第一件事就是,‘我希望手术将所有的癌症都弄出来’。如果不是这样,那样会令人心碎。但是,我们的技术将在手术期间,极大地提高外科医生真正去除癌症最后一丝痕迹的可能性。”


从Eberlin的话中,我们不难发现,手术中彻底切除癌变组织,对于癌症换证病患来说非常关键。目前,诊断癌症以及在手术期间判断癌变组织与正常组织边界的最先进的方法,称为“冰冻切片分析”( Frozen Section Analysis)。然而,这种方法较为缓慢,有时并不准确。每个样本需要病理学家花费30分钟甚至更多的时间来准备和解释,这样会增加病患感染和麻醉副作用的风险。对于某些类型的癌症来说,冰冻切边的解释很有难度,在多达10%到20%的案例中,输出的结果并不可靠。


虽然最大化癌症切除对于提高癌症患者的存活率非常关键,但是切除过多健康组织也会对于病患产生深远的负面影响:例如,乳腺癌患者经历到痛苦的副作用和神经损伤,以及身体美观受到影响的风险都会更高。甲状腺癌患者将会失去语言能力,或者失去调节身体钙水平的能力,这种能力对于肌肉和神经功能来说都十分重要。


因此,美国贝勒医学院内分泌外科的领头人、这个项目的合作者之一 James
Suliburk 表示:


“任何时候,我们都可以为病患提供更加精准、快速、安全的手术,这就是我们想要做的。这项技术能做到这三点。它让我们更加精准地知道哪些组织应该移除,哪些应该留下。”


  • 设备的原理和工作方式?

活的细胞,无论健康还是癌变,都会产生称为“代谢分子”(metabolites)的小分子。这些分子参与了生命所有重要的过程,例如产生能量、生长、繁殖,以及其他有用的功能例如排除毒素。每种癌症都会产生一种独特的代谢产物和其他生物标记物,作为“指纹”。Eberlin 表示:


“随着它们逐渐失控,癌细胞的新陈代谢会失调。因为癌细胞和正常细胞的代谢分子大不相同,我们通过 MasSpec Pen 提取和分析它们,获取组织的分子指纹。令人难以置信的是,通过这种简单温和的化学过程, MasSpec Pen 迅速地提供分子诊断信息,而不会引起组织损伤。”


MasSpec Pen 从一个无特征的组织样本提取分子指纹。Eberlin 及其同事们从253个人体组织样本中,搜集分子指纹并组成数据库,训练一个称为“统计分类器”(statistical classifier)的软件,该软件会对分子指纹数据进行及时评估。这些样本包括乳房、肺、甲状腺和卵巢的正常组织和癌变组织。

(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校


当 MasSpec Pen 完成分析时,计算机屏幕上将自动出现“正常”或“癌症”的单词。对于特定的癌症,例如肺癌,子类型的名字也会出现。在对于人类样本进行的测试中,设备诊断癌症的准确率超过96%。同时团队也展示了,在手术期间,MasSpec Pen 能够精准地诊断移植有肿瘤的活小鼠身上的癌症,而不会给动物带来任何可见的组织损害或者压力。

(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校

(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校


内科医生可以很容易地操作这种一次性的首次设备。只需要简单地握住笔,对准病人的组织,使用脚踏开关(foot pedal)触发自动分析,然后等上几秒钟就可以得到结果。同时,这种笔会在组织上释放出一滴水,小分子就会进入水中。然后,设备会驱动水样进入一个称为“质谱仪”(mass spectrometer)的设备,它能检测到成千上万个分子的分子指纹。

(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校

(图片来源:德克萨斯大学奥斯汀分校


价值

整个诊断过程对于病人的影响程度很低。在对于253个癌症病人切除的组织的测试中,MasSpec Pen 只需花费10秒左右的时间,就能提供一次诊断,准确率达96%。这项技术也能检测正常组织和癌变组织边缘地区的癌症,这些区域具有混合细胞成分。


团队希望在2018年的肿瘤手术中开始测试这项技术。

参考资料


【1】https://news.utexas.edu/2017/09/06/new-device-accurately-identifies-cancer-in-seconds

【2】Jialing Zhang, John Rector, John Q. Lin, Jonathan H. Young, Marta Sans,
Nitesh Katta, Noah Giese, Wendong Yu, Chandandeep Nagi, James Suliburk,
Jinsong Liu, Alena Bensussan, Rachel J. DeHoog, Kyana Y. Garza, Benjamin
Ludolph, Anna G. Sorace, Anum Syed, Aydin Zahedivash, Thomas E. Milner,
Livia S. Eberlin. Nondestructive tissue analysis for ex vivo and in vivo cancer diagnosis using a handheld mass spectrometry system. Science Translational Medicine, 2017; 9 (406): eaan3968 DOI: 10.1126/scitranslmed.aan3968



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十秒内识别癌变组织,这支“笔”让手术更精准!
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