MIT：一张简单的试纸条提供早期癌症诊断

新的诊断方法是基于对尿液样本的分析，也可以用来揭示肿瘤是否已经转移。

麻省理工学院的工程师们设计了一种新的纳米粒子传感器，可以通过简单的尿液测试来早期诊断癌症。这种传感器可以检测到许多不同的癌蛋白，也可以用来区分肿瘤的类型或对治疗的反应。

纳米粒子的设计是这样的，当它们遇到肿瘤时，它们会脱落短序列的DNA，并随尿液排出体外。分析这些DNA“条形码”可以揭示特定患者肿瘤的显著特征。研究人员设计了他们的测试，以便可以使用纸条进行测试，类似于家庭Covid测试，他们希望能够使尽可能多的患者负担得起并可以使用。

 在对小鼠的测试中，研究人员表明，他们可以使用传感器检测肿瘤中表达的五种不同酶的活性。他们还表明，他们的方法可以扩大规模，使用微流体装置分析样品，在单个样品中区分至少46种不同的DNA条形码。

Sangeeta Bhatia是麻省理工学院健康科学与技术、电气工程与计算机科学的约翰和多萝西·威尔逊教授，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，他的团队今天在《Nature Nanotechnology》杂志上发表论文：“我们正在努力进行创新，使技术适用于低资源和中等资源环境。把这种诊断方法写在纸上，是我们实现诊断民主化和创造廉价技术的目标的一部分，可以在护理点上给你一个快速的答案。”

DNA条形码

几年来，Bhatia的实验室一直在开发可用于诊断癌症的“合成生物标志物”。这项工作建立在检测癌症生物标志物的概念上，如蛋白质或循环肿瘤细胞，在病人的血液样本中。这些自然产生的生物标记物非常罕见，几乎不可能找到它们，尤其是在早期阶段，但是合成生物标记物可以用来放大小肿瘤内发生的较小规模的变化。

在之前的工作中，Bhatia创造了可以检测蛋白酶活性的纳米粒子，蛋白酶通过切割细胞外基质的蛋白质，帮助癌细胞逃离原来的位置，或者进入新的位置。纳米颗粒表面包裹着被不同蛋白酶裂解的多肽，一旦这些多肽被释放到血液中，它们就可以被浓缩，更容易在尿液样本中检测到。

最初的肽生物标志物被设计为基于其质量的小工程变化，使用质谱仪进行检测。这种设备可能无法在资源匮乏的环境中使用，因此研究人员着手开发可以使用CRISPR技术读取的DNA条形码来更容易和更经济地分析的传感器。

为了使这种方法起作用，研究人员必须使用一种叫做硫代酸的化学修饰物来保护循环中的DNA报告条形码不被血液分解。这种修饰已经被用于提高现代RNA疫苗的稳定性，使它们在体内存活的时间更长。

与肽报告器类似，每个DNA条形码通过连接器连接到纳米颗粒上，该连接器可以被特定的蛋白酶切割。如果这种蛋白酶存在，DNA分子就会被释放出来，自由循环，最终进入尿液。在这项研究中，研究人员使用了两种不同类型的纳米粒子:一种是由聚合物制成的粒子，这种聚合物已经被FDA批准用于人类，另一种是“纳米体”——一种可以在肿瘤部位积聚的抗体片段。

一旦传感器被分泌到尿液中，样本就可以用一种纸条来分析，这种纸条可以识别被一种叫做Cas12a的CRISPR酶激活的报告基因。当样本中存在特定的DNA条形码时，Cas12a会放大信号，这样在纸上测试时就可以看到一个黑色的条带。

这些颗粒可以被设计成携带许多不同的DNA条形码，每一个条形码检测一种不同类型的蛋白酶活性，这允许“多路”感应。使用更多的传感器可以提高灵敏度和特异性，使测试更容易区分肿瘤类型。

疾病签名

在小鼠试验中，研究人员发现，一组5个DNA条形码可以准确区分最初出现在肺部的肿瘤和由转移到肺部的结直肠癌细胞形成的肿瘤。

对于人类来说，研究人员预计他们可能需要使用5个以上的条形码，因为患者的肿瘤之间有太多的差异。为了实现这一目标，他们与麻省理工学院博德研究所和哈佛大学的研究人员合作，由哈佛大学教授Pardis Sabeti领导，创造了一种微流控芯片，可用于从一个样本中读取多达46种不同的DNA条形码。

这种测试不仅可以用于检测癌症，还可以用于测量患者的肿瘤对治疗的反应以及治疗后是否复发。研究人员目前正致力于进一步开发这种粒子，目标是在人体上进行测试。由Bhatia共同创立的Glympse Bio公司已经对早期版本的尿液诊断颗粒进行了一期临床试验，发现它们对患者是安全的。