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10分钟验癌技术刷屏 或可改写癌症早筛技术

2018年12月08日 09:49 次阅读 稿源:奇点网 条评论

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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