实现快速癌症诊断，甚至不会遗漏几个细胞

2024/05/22

不要错过任何一个单元格实现快速癌症诊断

随着我们迈向百岁寿命时代，我们希望实现一个健康长寿的社会。作为这项努力的一部分，人们正在采取各种预防和医疗措施来预防癌症，但癌症仍然是威胁我们生命和健康的疾病。 AIST 开发了一种使用新型生物芯片的癌症诊断技术。一项仅通过血液检测就能准确检查癌症转移和抗癌药物有效性的技术正在走向实际应用。

检测参与癌症转移的细胞，也用于确定抗癌药物的有效性

　40多年来，癌症一直是日本人的第一大死因，而且随着人口老龄化，癌症患者和死亡人数不断增加。二分之一的日本人一生中会患上癌症，四分之一的人会死于癌症，这一事实对任何人来说都不是问题。

　癌症控制之所以重要，一个原因是大多数死亡是由于转移造成的，另一个原因是抗癌药物具有很强的副作用。到目前为止，通常需要一到两个月才能确定抗癌药物是否正常发挥作用。在此期间，患者在接受适合其症状的抗癌药物的同时，还要忍受痛苦的副作用，但其有效性尚未得到证实。因此，出现了一种期待已久的技术，可以快速确定抗癌药物的有效性和癌症转移情况。

　AIST 专注于循环癌细胞 (CTC)。从原发性癌症肿瘤释放并进入血管的 CTC 在血流中传播并在远处器官中产生转移。这样，CTC 就与癌症转移密切相关，通过追踪血液中的 CTC，有望将其用作生物标志物，例如“如果数量多，生存期就会缩短”、“如果数量少，则抗癌药物有效。”

一种允许细胞排列在扁平生物芯片上并进行高灵敏度检测的过程

　CTC测量的难点在于其数量极少。 10毫升血液中含有数千万至1亿个白细胞，但仅含有几个至几十个CTC。

目前在美国批准的使用CTC测量的癌症诊断方法是有用的，但其缺点是由于浓缩细胞的过程，CTC很容易被忽视。该诊断方法还存在根据癌症类型灵敏度不足的问题，例如胰腺癌中的 CTC 几乎不可能检测到。

　为了克服这些问题，Kazuaki Kajimoto 开发了一种技术，通过将细胞排列在适合手掌大小的扁平塑料芯片上，以高灵敏度检测 CTC。

　当将血液来源的细胞悬浮液滴到经过表面处理的扁平生物芯片上并静置时，细胞会扩散到整个生物芯片并形成单层。为了检测该芯片上的癌细胞，需要进行免疫多重染色并使用荧光显微镜进行观察。一块载玻片大小的生物芯片可吸附大约 1000 万个细胞，即使其中有一个 CTC，也有可能找到它们。''

　当我们与医疗机构合作检查胰腺癌患者的血液时，我们在75毫升血液中检测到了25个CTC。我们还证实它可以有效地检测任何类型的癌症。此外，在开始服用抗癌药物一周后，证实CTC数量减少至9个。预计该技术将能够快速确定抗癌药物的有效性。

拉近实际应用的三项技术：表面处理、人工智能、自动化

为了将开发的生物芯片投入实际应用，梶本解决了三个问题。一是芯片的表面处理。 CTC检测过程包括清洗装载有细胞的生物芯片的步骤，但关键是表面处理，以去除多余的细胞并保持细胞在单层。然而，原来的氧等离子体治疗只能持续一到两周。在这种情况下，它就无法作为实际可以使用的工具进行分发。因此，我们着手开发一种具有持久效果的表面处理方法。

　化学合成完全超出了我的专业领域，但我合成了300多种不同的材料，经过反复试验，在两年的时间里，我开发出了一种独特的聚合物材料。通过用这种材料进行涂层，与氧等离子体处理相比，我能够在极短的时间内吸附细胞，并且能够在单层中长时间保持稳定的状态。''

　第二个挑战是如何准确检测极其罕见的CTC。为此，我们正在开发一种利用深度学习进行图像识别的自动辨别方法。

　　我们正在与我们研究所擅长图像识别的研究人员合作，建立一个识别癌细胞的AI模型。目前，在培养细胞模型中，我们已经成功地在芯片上自动选择癌细胞，准确率几乎是100%。如果没有现场融合项目，这个系统的开发可能会进一步推迟。''

　第三个挑战是检测过程的自动化。我们的目标是实现彻底的自动化，以快速产生准确的结果。其想法是抽取血液，将芯片和样本放入检测设备中，然后只需按一下按钮即可自动执行清洁、染色和检测。目的是使测试尽可能在没有人为干预的情况下进行，这样无论谁操作，测试结果都是正确的。

旨在利用生物芯片实现定制医疗

　梶本还在使用纳米镊子进行研究，这种镊子只能抓住单个细胞。 “除了检测和计数CTC之外，我们还尝试使用纳米镊子收集我们发现的一种CTC，以便在基因水平上更详细地分析癌细胞。除了研究癌细胞来自哪个器官以及它们具有什么特征之外，我们还可以在开始治疗之前预测哪些药物会有效。未来，我们希望将生物芯片和纳米镊子技术结合起来，为实现真正的定制医疗做出贡献。”

　通过他的研究，梶本有很多机会与正在与疾病作斗争的癌症患者以及接受癌症治疗后回归社会的癌症患者进行互动。他有强烈的使命感：“我要不惜一切代价将这项技术投入实际应用，因为它将真正对很多人有用。”最终目标是将CTC检测纳入癌症筛查，让人们更容易接受检测。我们将继续稳步推进，实现人人无论身在何处都能获得所需医疗服务的社会。

下一代治疗和诊断技术研究实验室
癌症与病毒诊断技术研究团队
研究组组长

梶本和明