这几天, 美国的各大媒体都被一条科技新闻刷屏了: 科学家发明了一种可以在 10 分钟之内检测几乎所有癌症的新技术.
由于有关的新闻报道铺天盖地, 影响范围太大. 也有不少科学家站出来呼吁,"大家先冷静一下, 目前这个技术还在实验室阶段, 离应用到临床还有很远的距离."
无论如何, 这个研究倒是真的.
北京时间, 12 月 5 日, 澳大利亚昆士兰大学 Laura G. Carrascosa 和 Matt Trau 领导的研究团队在著名学术期刊《自然通讯》上发表论文称[1], 他们开发出了一套简单而廉价的癌症检测方法: 基于肿瘤组织或血液 DNA 的甲基化状况, 在 10 分钟以内就能判断受试者是否患有癌症!
而且, 为了让这项检测更加便捷, 研究人员还对这项技术做了改进: 加入 DNA 之后, 检测人员只需要根据颜色变化, 就能判断受试者是否患癌. 这项极致简单的技术有望帮助我们及早判断自己是否患有癌症, 进而能及时治疗.
左一是 Trau 教授 (感觉他的实验服是临时找人借的) 另两位是文章共同第一作者
DNA 的甲基化大家已经很熟悉了. 甲基化就像 DNA 的音量调节器一样, 可以改变基因的表达模式, 它可以使不需要的基因沉默, 而加强需要的基因的表达. 但是当甲基化出现异常时, 细胞基因的表达就可能乱套, 这正是很多疾病 (包括癌症) 发生的原因之一[2].
DNA 上的甲基化位点繁多, 正常组织与病变组织甲基化位点会展现出不同的模式, 而模式的不同可以用来检测多种疾病. 目前, 甲基化测序已经成为检测癌症的重要手段[3]. 我们今年就报道过多个基于 DNA 的甲基化对癌症进行精确诊断的研究.
不过, 目前的甲基化检测方法都存在一个重要问题 -- 过程太麻烦了, 并且需要技术人员进行专业的操作. 这就使得检测的成本较高, 且耗费的时间较长. 在没有感觉到身体异常时, 人们可能不会选择这种检测方式.
因而, 现在迫切需要一种更加简单, 廉价的癌症筛查手段.
DNA 的结构
甲基化对 DNA 物理化学性质的改变给人们提供了这样的机会.
我们知道, DNA 是一种链状的有机高分子化合物, 时刻发生着聚合或解聚的变化. 而甲基化可以改变 DNA 在溶液中的结构, 柔韧性和三维构象等[4]. 显然, 癌症细胞 DNA 的甲基化状态相比正常细胞有很大不同, 这很可能会反应到 DNA 的这些物理化学性质上. 而对物理化学的检测极有可能会更加简单, 方便.
Trau 博士团队先在体外验证了这种想法. 他们分别提取肿瘤组织和正常组织的 DNA, 纯化后用电镜进行观察, 果然发现肿瘤组织 DNA 聚集的颗粒大小要远小于正常组织. 而这与 DNA 的甲基化状态息息相关.
这表明确实可以通过 DNA 的物理化学性质来区分正常组织和肿瘤组织. 而甲基化起到的作用是增加 DNA 的疏水作用 [5], 以及减弱 DNA 对金属颗粒(如金粉) 的吸附能力[6].
甲基化改变了 DNA 的吸附能力
两者 DNA 吸附能力的差异引起了研究人员的注意.
他们比较了不同肿瘤组织 DNA 的甲基化水平, 发现肿瘤 DNA 的甲基化水平要明显低于正常组织, 而对金纳米颗粒的吸附能力要更强. 而这种吸附能力的不同可以通过电化学信号鉴别出来.
接着, 研究者检验了电化学信号的辨别能力. 他们取了 72 份癌症组织样本和相应的正常组织进行检测(包括 54 份乳腺癌组织, 8 个前列腺癌组织, 10 个淋巴瘤癌组织), 发现对癌症组织检测的特异性相当高, 曲线下面积达到了 0.909!
但是, 有创的组织活检毕竟不太方便, 要是这个方法能用于液体活检那就更完美了.
接着, 他们收集了 100 份乳腺癌和结肠直肠癌患者的血浆游离 DNA (cfDNA), 并将其与 45 例健康人的 cfDNA 进行比较. 实验中仅用了 5pg(浓度 1pg/μl)的 cfDNA, 经过 10 分钟的吸附后, 便通过电化学信号分辨出了肿瘤组织, 曲线下面积也达到了 0.887. 液体活检的特异性也相当高!
通过电化学实验, 可以分别出肿瘤组织和正常组织的 DNA
但是, 毕竟电化学信号检测也不算方便, 是否有更简单的判断指标呢?
初中时做过化学实验的同学们可能还记得, 发生反应时常常会引起颜色变化, 观察颜色变化可是一个非常直观的指标.
于是, Trau 博士团队开发了一种胶体金试剂来指示 DNA 与金纳米颗粒的结合情况, 试剂的原本颜色是红色, 当从癌细胞中提取的 DNA 被加入时, 溶液会保持原来的颜色. 但是如果加入的是健康细胞的 DNA, 由于 DNA 与金纳米颗粒结合方式的不同, 溶液会变成蓝色.
DNA 与金纳米颗粒的结合情况可以通过颜色展现出来
他们用 100 份样品检验这个系统的准确性, 发现只需要用到 1pg cfDNA 就能起作用. 可以说是简单到极致了.
不过, 通过颜色变化判断的特异性稍稍低于电化学信号, 曲线下面积是 0.785. 研究人员后面会继续优化系统.
当然, 这个方法还有一个局限, 那就是它无法准确分辨出癌症的类型. 但是, 它可以作为一种筛查手段, 当用这种方法检测出患者患有癌症后, 可以用其它方法进一步检测, 以确定癌症类型和分期.
而且, 这个简单廉价快速的方法, 不需要很多复杂的仪器和操作, 能消除很多癌症检测上的障碍, 显示了广阔的应用前景.
Trau 教授说道:"这是一个惊人的发现, 这似乎是所有癌症的一个普遍特征". 这项技术展示了广谱的癌症检测能力, 虽然还有更多的癌症类型需要被验证.[7]
参考资料:
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-018-07214-w
[2] Schubeler, D. Function and information content of DNA methylation. Nature517, 321-326 (2015).
[3] Suzuki, M. M. & Bird, A. DNA methylation landscapes: provocative insights from epigenomics. Nat. Rev. Genet. 9, 465-476 (2008).
[4] Lee, J. Y. & Lee, T.-H. Effects of DNA methylation on the structure of nucleosomes. J. Am. Chem. Soc. 134, 173-175 (2011).
[5] Ohno, S., Hasegawa, S., Liu, H., Ishihara, K. & Yusa, S.-i Aggregation behavior in water of amphiphilic diblock copolymers bearing biocompatible phosphorylcholine and cholesteryl groups. Polym. J. 47, 71-76 (2015).
[6] Kimura-Suda, H., Petrovykh, D. Y., Tarlov, M. J. & Whitman, L. J. Basedependent competitive adsorption of single-stranded DNA on gold. J. Am. Chem. Soc. 125, 9014-9015 (2003).
[7]https://www.theguardian.com/science/2018/dec/04/scientists-develop-10-minute-universal-cancer-test
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本文作者 低温艺术家
来源: http://www.open-open.com/news/view/717dbbd4