十秒內識別癌變組織，這支「筆」讓手術更精準！

導讀

美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科研團隊發明一種強有力的工具，它可以在手術期間快速精準地識別癌變組織，大約10秒鐘之內出結果，比現有技術快150倍。

關鍵字

癌症、醫療

背景

癌症，號稱人類健康的頭號殺手，其發病率和死亡率不斷攀升。

然而，各種前沿科技成果為人類預防和治療癌症帶來了新的希望。筆者曾經介紹過一些相關案例，例如：二維材料石墨烯幫助診斷癌症；檢測癌症的智能手機光譜儀；使用光纖和流體系統檢測腫瘤細胞的專利移動設備；通過呼氣檢測癌症的呼吸檢測儀等等。

總結一下，這些前沿技術成果不僅涉及到醫學領域，而且更跨越了材料、軟體、晶元實驗室等多個領域。另外，這些設備也呈現出低成本、攜帶型、易操作、快速出結果等創新趨勢。

創新

以往介紹的前沿技術成果大多與癌症的早期診斷相關，而今天我要介紹一款與癌症手術相關的設備。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家與工程師組成的團隊發明一種強有力的工具，它可以在手術期間快速精準地識別癌變組織，大約10秒鐘之內出結果，比現有技術快150倍。

MasSpec Pen 是一種創新型的手持設備，它為外科醫生提供精準的診斷信息：哪部分組織需要切除，哪部分組織需要保留，幫助改善治療並且降低癌症複發的可能性。

（圖片來源：德克薩斯大學奧斯汀分校）

這項研究發表於9月6日版的《科學轉化醫學》（ Science Translational Medicine）期刊。這項研究由跨學科的團隊完成，融合了化學、工程和醫學這幾個領域。研究團隊和德克薩斯大學奧斯汀分校為這項技術申請了美國專利，並且正在致力於得到全球範圍內的專利保障。

技術

為什麼需要這項技術？

德克薩斯大學奧斯汀分校化學工程專業的助理教授、這項研究的設計者、團隊的領頭人 Livia Schiavinato Eberlin 表示：

「如果你在手術以後與癌症病人交談，許多人要說的第一件事就是，『我希望手術將所有的癌症都弄出來』。如果不是這樣，那樣會令人心碎。但是，我們的技術將在手術期間，極大地提高外科醫生真正去除癌症最後一絲痕迹的可能性。」

從Eberlin的話中，我們不難發現，手術中徹底切除癌變組織，對於癌症換證病患來說非常關鍵。目前，診斷癌症以及在手術期間判斷癌變組織與正常組織邊界的最先進的方法，稱為「冰凍切片分析」（ Frozen Section Analysis）。然而，這種方法較為緩慢，有時並不準確。每個樣本需要病理學家花費30分鐘甚至更多的時間來準備和解釋，這樣會增加病患感染和麻醉副作用的風險。對於某些類型的癌症來說，冰凍切邊的解釋很有難度，在多達10%到20%的案例中，輸出的結果並不可靠。

雖然最大化癌症切除對於提高癌症患者的存活率非常關鍵，但是切除過多健康組織也會對於病患產生深遠的負面影響：例如，乳腺癌患者經歷到痛苦的副作用和神經損傷，以及身體美觀受到影響的風險都會更高。甲狀腺癌患者將會失去語言能力，或者失去調節身體鈣水平的能力，這種能力對於肌肉和神經功能來說都十分重要。

因此，美國貝勒醫學院內分泌外科的領頭人、這個項目的合作者之一 James Suliburk 表示：

「任何時候，我們都可以為病患提供更加精準、快速、安全的手術，這就是我們想要做的。這項技術能做到這三點。它讓我們更加精準地知道哪些組織應該移除，哪些應該留下。」

設備的原理和工作方式？

活的細胞，無論健康還是癌變，都會產生稱為「代謝分子」（metabolites）的小分子。這些分子參與了生命所有重要的過程，例如產生能量、生長、繁殖，以及其他有用的功能例如排除毒素。每種癌症都會產生一種獨特的代謝產物和其他生物標記物，作為「指紋」。Eberlin 表示：

「隨著它們逐漸失控，癌細胞的新陳代謝會失調。因為癌細胞和正常細胞的代謝分子大不相同，我們通過 MasSpec Pen 提取和分析它們，獲取組織的分子指紋。令人難以置信的是，通過這種簡單溫和的化學過程， MasSpec Pen 迅速地提供分子診斷信息，而不會引起組織損傷。」

MasSpec Pen 從一個無特徵的組織樣本提取分子指紋。Eberlin 及其同事們從253個人體組織樣本中，搜集分子指紋並組成資料庫，訓練一個稱為「統計分類器」（statistical classifier）的軟體，該軟體會對分子指紋數據進行及時評估。這些樣本包括乳房、肺、甲狀腺和卵巢的正常組織和癌變組織。

（圖片來源：德克薩斯大學奧斯汀分校）

當 MasSpec Pen 完成分析時，計算機屏幕上將自動出現「正常」或「癌症」的單詞。對於特定的癌症，例如肺癌，子類型的名字也會出現。在對於人類樣本進行的測試中，設備診斷癌症的準確率超過96%。同時團隊也展示了，在手術期間，MasSpec Pen 能夠精準地診斷移植有腫瘤的活小鼠身上的癌症，而不會給動物帶來任何可見的組織損害或者壓力。

內科醫生可以很容易地操作這種一次性的首次設備。只需要簡單地握住筆，對準病人的組織，使用腳踏開關（foot pedal）觸發自動分析，然後等上幾秒鐘就可以得到結果。同時，這種筆會在組織上釋放出一滴水，小分子就會進入水中。然後，設備會驅動水樣進入一個稱為「質譜儀」（mass spectrometer）的設備，它能檢測到成千上萬個分子的分子指紋。

價值

整個診斷過程對於病人的影響程度很低。在對於253個癌症病人切除的組織的測試中，MasSpec Pen 只需花費10秒左右的時間，就能提供一次診斷，準確率達96%。這項技術也能檢測正常組織和癌變組織邊緣地區的癌症，這些區域具有混合細胞成分。

團隊希望在2018年的腫瘤手術中開始測試這項技術。

參考資料

【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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