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TED演讲 | 你知道吗?纳米技术也能用于癌症诊断了

2017/02/20 来源:药明康德
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导读
早期发现癌症,在源头时就进行治疗,是改善治疗的关键,能最大程度上减少其带来的情绪影响和经济负担。最重要的是,早期发现癌症极大地提高了你的生存几率。


本文来源于药明康德微信公众号(ID:WuXiAppTecChina)

演讲实录:

“你有癌症。”可悲的是,大约40%的人会在我们的一生中听到这几个词。这意味着,你最亲密的朋友和亲戚中,有五分之一将被诊断患有某种形式的癌症。除了身体上的困难,在美国大约三分之一的癌症幸存者将举债而治疗。他们至少比没有癌症的人宣布破产的可能性高两倍半。癌症是渗透性的,不仅给人带来巨大的情感损失,同时,也耗费家庭财力。

癌症早期诊断技术,开启早期治疗预警

但是癌症诊断不一定是死刑。早期发现癌症,在源头时就进行治疗,是改善治疗的关键,能最大程度上减少其带来的情绪影响和经济负担。最重要的是,早期发现癌症极大地提高了你的生存几率。例如,如果我们看看乳腺癌的情况,我们发现那些在早期被诊断而采取治疗的患者的五年存活率接近100%——如果在第四阶段接受治疗,存活率便降至22%。而在结肠直肠癌和卵巢癌中,也存在类似的趋势。


▲癌症早期诊断大大降低治疗成本(图片来源:Cancer Research UK)

现在,我们都知道,准确的早期诊断对于生存至关重要。问题是许多癌症诊断工具是侵入性的,昂贵的,通常不准确的,并且他们可能花费大量的时间才能获得结果。更糟的是,当涉及到某些形式的癌症,例如卵巢癌,肝癌或胰腺癌,良好的筛选方法根本不存在,这意味着人们通常等待出现身体症状后,而这时预示着已经到了癌症晚期。这就相当于,在没有预警系统的地区出现龙卷风袭击,由于没有警报警告,所以当危险已经在你的门口,当你的生存机会大大减少。这就说明,一款可负担得起、无创性常规筛查方法倘若既方便又有可及性,将成为我们在对抗癌症中强有力的武器。

早期预警将使我们能够在疾病之前走出来,而不是仅仅在无情的追踪中走下去。这正是我一直在做的。在过去三年中,我一直在开发能够最终帮助临床医生进行快速,早期癌症诊断的技术。我深受强烈的科学好奇心和激情,以致力于改变上述统计数据。

个人经历,激发投身于癌症诊断事业

然而,去年,当我的妻子被诊断患有乳腺癌时,我也参与抗癌斗争中。这方面的经历给我带来了一种强烈和前所未有的情感体验。我知道这种治疗方案的选择是如何影响生存的可能性,我深知癌症可对家庭带来情绪方面的破坏,而在我个人的情况下,我们还有两个小女儿。因为我们很早就发现,常规乳房X线检查能帮助我们集中于局部肿瘤的治疗选择,这一方面又重申早期诊断的重要性。与其他形式的癌症不同,乳房X线照片确实为乳腺癌提供早期筛查选择。然而,并不是每个人都这样做,或者他们可能在中年推荐乳腺X线检查前就患上了乳腺癌。因此,这方面仍然有很大的改进空间,即使对于那些有筛查方法的癌症,当然,这对那些没有筛查方法的癌症有更大的好处。

因此,癌症研究者面临的一个关键挑战是开发对多种类型的癌症进行定期筛查的方法。想象一下,在定期体检期间,您的医生可以采取简单的,无创尿液样本或其他液体活检,并在您离开医生办公室之前向您介绍结果。这种技术可以显著减少通过早期癌症诊断所遗落的人群范围。

肿瘤快速诊断新方向

我的工程师和生物化学家研究团队正在努力解决这个挑战。我们正在努力通过定期筛查的方法来激活早期癌症报警,而定期筛查应该成为健康人群体检中的常规步骤,使在癌症有任何预兆时,就可以采取行动以阻止癌症进展。在这种情况下,有一个极佳的工具是微小的囊泡,通常是由外泌体所分泌的。外泌体是提供癌症发展的早期预警系统的重要生物标志物。由于它们大量存在于每种体液(包括血液,尿液和唾液)中,因此它们对于非侵入性液体活检非常有吸引力。


▲外泌体可成为肿瘤诊断的新生物标记物(图片来源:《Journal of Extracelluar vesicles》)

目前有一个问题:目前尚无用于快速筛选这些重要生物标志物的自动化系统。我们创造了一种我们称为纳米-DLD的技术,能够精确地:自动进行外泌体(exosome)分离,以帮助快速癌症诊断。外泌体是最新的预警武器,出现在液体活检中。他们真的,真的很小。它们的直径仅为30至150纳米。这是如此之小,你可以将大约一百万外泌体塞进单一红细胞。这大概是高尔夫球和细砂粒之间的区别。

何为外泌体?

外泌体一直被认为是细胞废物的垃圾箱,而目前已发现细胞可通过产生和吸收这些含有表面受体,蛋白质和其他遗传物质的外泌体而进行交流。当被相邻细胞吸收后,上述外泌体会将其内含物释放到细胞中,这将给基因表达带来根本性改变。这些改变有些是好的、坏的,坏的改变便会引起癌症。因为外泌体通常被包裹在母细胞中,并且包含了环境中的一部分,所以外泌体提供了该细胞的健康及其来源的基因方面的信息。所有这些品质使外泌体成为独一无二的信使,可能允许医生在细胞层面了解你的健康。


▲‍外泌体介导肿瘤细胞间的交流(图片来源:Exosome RNA)

然而,为了早期诊断出癌症,你必须经常”拦截“这些信息,以确定你身体内究竟是何因素导致了癌症,以决定何时开始分期治疗,这就是为什么定期筛查是如此重要,为什么我们正在开发技术使这一切成为可能。虽然基于外泌体的诊断今年刚刚在市场上出现,目前它们还不是主流医疗保健的一部分。除了它们最近出现之外,限制这项技术广泛采用的另一个因素是目前尚无自动化的外泌体分离系统存在,以方便经常性筛选活动。当前用于外泌体分离的黄金标准包括超速离心,而这需要昂贵的实验室设备,经过训练的实验室技术的过程,以及约30小时的时间来处理样品。我们已经提出了不同的方法来实现从样品如尿液的进行自动化外泌体分离。我们使用基于芯片的连续流分离技术,称为确定性横向位移。我们已经完成了半导体行业在过去50年成功完成的任务。我们将这种技术的所实现的尺寸从微米尺度缩小到真正的纳米尺度。

外泌体分离技术,肿瘤快速诊断新方法

那么它是如何工作的?简而言之,一组微小柱体由纳米级间隙分隔开,以这样的方式排列,使得系统将流体分成不同的分支。这样的话,其中较大的携带癌症相关信息的纳米颗粒便和较小的、健康细胞分离开来,而这些健康的细胞会在流体流动的方向上以Z字形运动绕柱子移动。最终结果是这两种粒子群体的完全分离。你可以看到这种分离过程,类似于在高速公路上的交通分为两条道路,一条道路进入一个低净空隧道在山下,而另一条道路绕过它。在这里,较小的汽车可以通过隧道,而携带潜在有害物质的较大的卡车被迫采取绕行路线。这样的话,由于颗粒的大小和所携带的信息,便形成了不同的分流,而完全不会影响这个流体进行过程。这正是我们的系统在更小,更小规模上工作的方式。

尿液,血液或唾液样品都可成为样本

这里的想法是,筛选的分离过程可以像处理尿液,血液或唾液样品一样简单,这将在在未来几年内变为可能。最终,它可以用于靶向分离和检测与特定类型的癌症相关的外泌体,并在几分钟内进行检测和制出报告。这将实现无创快速诊断。广泛地说,以自动化方式以纳米级精度分离生物标志物的能力,开启更好地了解诸如癌症的疾病的大门,而这些应用可用于从样品制备到诊断,以及从耐药性监测到治疗方案制备。

甚至在我的妻子发生癌症之前,这是我的一个梦想,促使这个过程的自动化——使定期筛查变为可能,类似于亨利·福特通过开发流水线技术,提高汽车对普通人群的可及性。而自动化是可及性的关键。在胡佛梦想的精神,“每个锅里都有鸡和每个车库里都有车”,而我们正在开发一种技术,最终可以在每个家庭中提供癌症检测预警系统。这将允许每个男人,女人和孩子有机会在他们仍然健康时进行癌症定期测试,在第一时间时进行癌症诊断。

我的希望和梦想是帮助世界各地的人们避免,目前癌症患者所面临的高成本——物力,财务和情感的支出,这也都是我所熟悉的困难。我也很高兴地告诉大学,因为我早期发现了我妻子的癌症,她的治疗是成功的。幸运的是,她现在已消除了癌症。

这是我想看到的每一个癌症诊断后的结果。由于我的团队已经完成了用于早期癌症诊断工作的纳米水平的生物标志物的分离,我很乐观的认为在未来十年内,这种类型的技术将可用帮助保护我们的朋友,我们的家庭和子孙后代。即使我们如此不幸,被诊断患有癌症,早期报警将提供一个强大的希望灯塔!


▲本期讲者Joshua Smith既是IBM的纳米技术研究方面的研究专家,也是一位抗癌战士,致力于结合工程学、生物学技术来更好了解癌症的进展。

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