納米傳感器：檢測早期癌癥

如果你屬于潛在患癌人群，你的身體會在醫(yī)生診斷出癌癥前發(fā)出警告信號。如果能盡早檢測出潛藏在細胞和血液中的癌癥微信號，你的生存幾率會大大提高。

問題是早期癌癥的變異信號相當復雜，而且通常很細微，甚至變異剛處于分子水平，因而，檢測起來比較困難。

不過，美國加州理工學院（California Institute of Technology）的物理化學家詹姆斯·希斯（James Heath）認為，納米技術最終能提供解開癌癥分子謎團的方法。

他斷言，超微硅線組（每根硅線都能用來檢測一種與癌癥相關的特異蛋白質）能檢測到我們體內化學反應中的最微弱變化。希斯及其加州理工學院的同事正在研發(fā)的納米傳感器，將能同時在一滴血中，搜尋幾百甚至數千種不同的生物分子。

如果這些納米傳感器研發(fā)成功了，它們能成為檢測癌癥的基礎設備，其不僅能使檢測結果更準確，而且會比現在的檢測方法更便宜、更方便（因為納米檢測不涉及組織采樣和實驗室分析）。

當然，這還不能說明什么。

大多數篩查癌癥的方法依然很初級，其常常通過簡單的體檢或X射線來尋找腫瘤生長的證據。少數癌癥檢測則采用血檢的方法，例如前列腺癌和卵巢癌，但其表現令人失望：不僅效率低、費用高，而且檢測結果準確率低。

例如，要想確診前列腺癌，醫(yī)生要在血液中尋找名為前列腺特異性抗原（PSA）的蛋白質。然而，那些因血液中PSA含量高而接受令人神經高度緊張的活檢的人中，僅有25%至30%的人確實患有前列腺癌。

希斯指出，“前列腺中始終有前列腺特異性抗原蛋白質，總是會有少量滲入血液。前列腺在受到某種創(chuàng)傷時——有可能是癌癥，也可能是其他疾病——前列腺特異性抗原蛋白質的滲入量會加大。但是對早期前列腺癌而言，這是非常微弱的標志，因為在（前列腺癌）早期階段，癌癥對前列腺的損傷的確不大。”

更準確的癌癥檢測能更好的反映出生物分子活動的復雜性。希斯期望設計出的設備，不僅能即時對一滴血或特定組織中的少量細胞進行綜合測定，而且能夠檢測出極微量的生物分子。他解釋說，“我們正在開發(fā)基于指血檢查的測試，也希望這種測試最終能類似糖尿病檢測?，F在，糖尿病患者能夠監(jiān)測自己的血糖水平，而且由于他們定期做檢測，因而控制了糖尿病的發(fā)展。我們想為癌癥患者開發(fā)出可行的類似檢測方案?！?/p>

癌癥研究似乎不是詹姆斯？希斯的終結職位。20世紀80年代初期，希斯還在休斯頓萊斯大學（Rice University）讀研究生時，就開始研究微塊狀材料的性能。1985年，他所在的團隊發(fā)現了足球形的碳分子C60。11年后，這一發(fā)現幫助理查德·斯莫利（Richard Smalley，希斯的教授）贏得了諾貝爾獎，并激發(fā)了人們如今對納米技術的興趣。后來，希斯將注意力轉向微電子工業(yè)使用的半導體（例如硅），尋找將它們設計為更小器件的方法。最近，他與加州大學圣巴巴拉分校的合作者設計出一種方法，其能制造出僅幾納米寬的硅線，比今天最小型的集成電路約小10倍。

這一進展成為電子產品持續(xù)小型化的里程碑。希斯還說，“我們希望隨著這一難題的解決，其他機遇能自己浮出水面?！笔聦嵉拇_如此：希斯意識到，這些納米線也能充當超靈敏生物傳感器。

然而，他也意識到把納米線整合到有效的診斷工具中并非易事。隨著不同基因的開關，生物分子濃度的劇烈波動能反映出一個人健康狀況的變化。不過，在過去幾年里，遺傳學家和分子生物學家逐漸認識到，基因通常不會獨立行動，它們傾向于成群結隊或者組合成基因網絡運轉，而且可以調節(jié)彼此的表達方式。因此，弄清楚疾病分子的“指紋”需要系統(tǒng)了解基因與蛋白質的合作方式。

這正是希斯的合作者——西雅圖系統(tǒng)生物研究所（Institute for Systems Biology）的創(chuàng)始人勒羅伊·胡德（Leroy Hood）要完成的工作。

系統(tǒng)生物學家觀察細胞的方式就如同電子工程師查看復雜的電路：高度互聯系統(tǒng)的組件彼此互相控制開關，轉播信號。希斯的傳感器或許能提供數千條線索表明一個人處于健康狀態(tài)，但是胡德的系統(tǒng)生物法需要將所有的信息組合起來形成連貫的圖示。

例如，胡德及其團隊已經觀察到在受前列腺癌影響的細胞和組織中，基因在制造蛋白質的過程中是如何表達的。胡德說，“我們的觀點是：正常細胞和病變細胞的區(qū)別是疾病細胞中的蛋白質和基因調節(jié)網絡受到擾亂，其表現為受基因網絡控制的蛋白質表達模式發(fā)生改變。一小部分受擾亂的蛋白質會設法進入血液構成分子指紋，我們不僅能通過分子指紋診斷是否患病，還能診斷患的是什么病以及特定疾病的哪種類型（例如，前列腺癌至少有3種不同類型）

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“我們已經識別出前列腺中異常表達的癌癥標志基因有300種，”胡德說，“我們預計其中約62種可能被分泌到血液中。我們制造出針對某種癌癥標志基因的抗體，然后在這個（癌癥標志基因）上面做試驗，并證明它只出現在前列腺癌患者的血液中?！焙碌膱F隊現在正在測試另外5種前列腺腫瘤分泌的蛋白質。該團隊還發(fā)現了診斷卵巢癌的類似基因序列。

檢測這種蛋白質的納米傳感器到底是什么樣？

為了將一根納米線轉變?yōu)榫w管，研究人員用金屬線將納米線的兩端連接起來，使電流能夠通過。接著，他們在納米線附近安裝一個電極，將其充電以改變納米線的導電性，實現“打開”或者“關閉”，這是任何電子工程師都熟悉的東西。

之后，希斯把他的納米線晶體管變換為微型生物傳感器，也即是說，一根納米線對應一種特定蛋白質的傳感器。研究人員將納米線的表面覆上一層抗體，再粘附于靶向蛋白而不是其他蛋白質分子上。當蛋白質與抗體粘合后，就與在納米線表層移動的電子相互作用，改變其導電性。如果納米線只有幾納米粗，其總體導電率就會有明顯且可測量的重大改變。

希斯說，“如果納米線能做到足夠小，我們可以在上面放置分子而不是加電壓，屆時化學變化就是導致晶體管開關的信號?！?/p>

納米線的小尺寸也使得這些器件非常敏感?；旧希a生讀數所需的分子數將取決于它們附著于傳感器表面的密集程度，但它也可能檢測到單個分子。希斯表示，雖然他的團隊研究的傳感器尚未達到這一水平的敏感度，但是已經能成功地檢測到幾個分子。與此同時，哈佛大學的查爾斯？利伯（Charles Lieber）已經演示了能夠檢測到單個病毒粒子的納米傳感器。

然而，希斯依賴的能輕松檢測早期疾病的傳感器并不局限于高度敏感性。他說，“我們可以在非常小的區(qū)域內制造數千個這樣的傳感器?！边@意味著納米傳感器有能力篩查單個細胞的多種分子成分。希斯正與斯坦福大學微流體專家史蒂芬·奎克（Stephen Quake）合作研發(fā)篩查單個細胞的技術，其原理是：單個細胞隨液體經過微通道流至一個納米傳感器陣列上，通過裝配于納米傳感器陣列上的芯片，研究人員可以每次只研究一個細胞。

最終，所有技術都必需整合進一個可以用于臨床的器件中，這意味著要解決更多的技術和實際性問題。2003年，為確保這種新工具能夠反映癌癥生物學和免疫學中的最新進展，加州理工學院系統(tǒng)生物研究所（the Institute for Systems Biology）和加州大學洛杉磯分校共同建立了納米系統(tǒng)生物聯盟（NanoSystems Biology Alliance）。奎克表示，癌癥和其他疾病的診斷將“僅依靠幾個細胞或它們的分子成分，在幾秒鐘或者數分鐘之內自動完成。”他預言，“這將在10年內變?yōu)楝F實?！?lt;/