作者:李木子 来源:中国科学报 发布时间:2022/8/8 15:47:20
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蝗虫能“嗅出”人类癌症

 

密歇根州立大学最新研究表明,蝗虫不仅能“嗅出”癌细胞和健康细胞之间的差异,还能区分不同的癌细胞系。研究人员说,这项工作可以为使用昆虫感觉神经元的设备提供基础,从而使患者仅通过呼吸就可以实现癌症的早期检测。

日前,作者在预印本平台BioRxiv上分享了这项研究。

人们已经习惯了使用增强或超越自然感官的技术。例如,望远镜和显微镜可以揭示肉眼不可见的世界。但“鼻子仍然是最先进的”,密歇根州立大学生物医学工程助理教授Debajit Saha说,“在气体传感方面,真的没有什么能比得上它们。”?这就是为什么狗和它们的“超级嗅探器”能够检测出毒品、爆炸物的气味。

科学家们正在研究一种可以模仿嗅觉的技术,但他们设计的任何技术都无法与生物嗅觉的速度、灵敏度和特异性相媲美。

气体传感装置为疾病早期检测创造了机会,特别是癌症等疾病,早期干预可以挽救更多生命。当癌症处于第一阶段时,患者有80%到90%的生存机会。但如果直到第四阶段才被发现,这一比例将暴跌至10%至20%。

癌细胞的工作方式与健康细胞不同,它们在工作和生长过程中会产生不同的化合物。如果这些化学物质进入患者的肺部或呼吸道,则可以在呼出的气体中检测到这些化合物。

“从理论上讲,你可以对着设备进行呼吸,它将能够检测和区分多种癌症类型,甚至疾病处于哪个阶段。然而,这种设备还没有用于临床。”Saha说。

因此,Saha团队正在开发一种新方法。他们想:为什么不从生物学经过无数代进化后已经构建的解决方案开始设计呢?Saha说,该小组基本上是在“入侵”昆虫的大脑,以便将其用于疾病诊断。“这是一个几乎无人探索的新领域。”他说。

Saha和他的团队之所以选择蝗虫作为其生物成分,是因为几十年来蝗虫同果蝇一样,一直是科学界的模式生物。研究人员十分了解它们的嗅觉传感器和相应的神经回路。而且,与果蝇相比,蝗虫更大、更坚固。

这些特征的结合使得研究人员能够相对容易地将电极连接到蝗虫的大脑上。然后,他们记录了昆虫对健康细胞和癌细胞产生的气体样本作出的反应,然后再利用这些信号创建不同细胞的化学图谱。

密歇根州立大学生物医学工程系及微生物学和分子遗传学系教授Christopher Contag的研究重点之一是,了解为什么口腔癌细胞在显微镜和光学工具下具有独特的外观。他的实验室在不同的细胞系中发现了不同的代谢物,这有助于解释光学差异。结果表明,其中一些代谢物是挥发性的,这意味着它们可以通过空气传播并被嗅出。

“这些细胞在代谢上看起来非常不同,在光学上也不同。”Contag说,“我们认为从挥发物的角度来看它们很有意义。”

Saha的蝗虫传感器则提供了完美的测试平台。这两个研究小组正在合作研究蝗虫如何利用三种不同的口腔癌细胞系将健康细胞与癌细胞区分开来。

“我们预计癌细胞的外观将不同于正常细胞。”Contag说,“若这些虫子能够区分三种不同的癌症时,那真是太神奇了。”

尽管研究结果集中在口腔癌上,但研究人员相信,他们的系统还可以检测大多数癌症类型。不过,人们不必担心在医生的办公室里看到成群结队的昆虫。研究人员的目标是开发一种没有昆虫的封闭式便携式传感器,只需检测和分析挥发性化合物所需的生物成分。

 
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