重磅神器：吹一口气，检测包括癌症在内的17种疾病
发布时间： 2017-01-16 10:09:00 点击量：
奇点网
"我读了很多历史书。从2400年前古希腊人的历史，到20世纪初著名发明家贝尔的历史故事。我发现有一个假设一直贯穿始终，那就是人类呼出的气体与疾病有关。我也时常听人说，狗狗可以闻出癌症。"在素有“以色列的麻省理工”美誉的以色列理工学院任教的Hossam Haick教授在接受《自然》杂志(Gewin 2016)采访时说，「于是我就想看看，通过人呼出的气体是不是可以找到疾病的蛛丝马迹。」
▲Hossam Haick教授
2007年Haick博士从麻省理工毕业，加入以色列理工学院任，开始了通过气体完成疾病无创诊断的研究。10年间，Haick博士攻克了一个又一个难题。终于他带领团队开发了一款叫做Na-Nose「纳米鼻子」的疾病诊断工具，它可以在数分钟之内，通过人体呼出的气体诊断包括肺癌等癌症在内的17种疾病。
Haick博士团队的这一重要研究成果，于2016年12月刊登在纳米技术领域著名期刊《ACS Nano》上(Nakhleh, Amal et al. 2016)。此文一经刊出，在业界立即引起极大轰动，被美国化学协会评为2016年十大论文。值得一提的是，安徽医科大学第一附属医院也参与了该研究。
▲「纳米鼻子」Na-Nose
一直以来，疾病的早发现，早诊断都是各国政府放在首位的医疗目标，尤其是对于癌症等重大疾病。然而，目前被人们推崇的CT和PET/CT，检测费用及其昂贵，而且对身体有一定的损害。近年来，随着二代测序技术的成熟，人们对癌症基因组认识的不断深入，液体活检已经开始显现出疾病早筛的实力。但是目前还处于科学论证阶段，要进入临床阶段，似乎还有很长的路要走。
▲「纳米鼻子」使用方法
人类通过呼出的气体，排除的粪便检测疾病也有超过2000年的历史。近代医学表明，疾病可以改变人体的新陈代谢，这一改变导致某一器官里细胞产生了挥发性有机化合物（volatile organic compounds，VOCs）成分不同。而这些挥发性有机化合物可以通过人体血液循环抵达肺部，在气体交换的过程中，这些挥发性有机化合物可以通过人体肺部排出体外。这就给了研究人员一个无创监身体健康状态的机会。
▲患病组织释放可挥发有机化合物
实际上在Haick教授之前就已经有很多人开始打挥发性有机化合物的主意了，不过他们使用的是大型的气相色谱和质谱检测设备，这些设备造价昂贵，耗时，且不便于携带。Haick教授的目标是研发一款便携、易用、准确、廉价的检测设备，希望它可以实实在在的改变普通人的生活。
▲血液中有多种可挥发有机化合物
然而，人类肺部呼出的气体成分是极其复杂的，有机化合物有数千种之多。如何找到不同疾病对应的化合物就显得极其重要。Haick教授团队从人体呼出的化合物中，选出1000余种主要化合物作为研究对象，为了在挥发有机化合物与疾病之间建立联系，Haick教授团队开发了「纳米鼻子」。
▲可挥发有机化合物随血液进入肺部
这个「纳米鼻子」由纳米金粒子和碳纳米管组成。在纳米金粒子和碳纳米管的表面覆盖了可以抓取挥发性有机化合物的配体。当人呼出的气体进入「纳米鼻子」之后，纳米金粒子和碳纳米管就会各自抓住相应的挥发性有机化合物。被纳米金粒子和碳纳米管抓住的挥发性有机化合物会改变二者之间的电阻，导致电信号发生改变，然后这些信号的变化会直接输入电脑，在电脑里分析处理。Haick教授正是通过这种微弱的电信号改变，知道呼出的气体中含哪些挥发性有机化合物。
▲可挥发有机化合物经气体交换后被排除体外
之后将这些电信号的变化与挥发性有机化合物和人体健康状况结合，经机器学习软件分析之后，研究人员可以找到各种不同疾病对应的「挥发性有机化合物谱」，又叫做疾病的挥发性有机化合物「指纹」，成为识别疾病状态的唯一身份。
▲气体进入检测仪器
目前，Haick教授团队在实验室里已经使用了23种疾病对「纳米鼻子」进行了训练，希望它可以区分这些疾病，并知道健康人与患者之间的差异。接下来，Haick教授又将「纳米鼻子」安置在诊所，希望在温室里研发出来的「纳米鼻子」，接受实战训练。在现实环境中，「纳米鼻子」会经受空气质量，患者年龄、性别，和身体状况不同等考验。
动图
▲可挥发有机化合物被「捕捉」，电信号发生改变，电脑接收信号，根据信号诊断疾病
经过如此一番磨练，「纳米鼻子」终于需要上战场了。Haick教授选取17种疾病类型（肺癌、结直肠癌、头颈癌、卵巢癌、膀胱癌、前列腺癌、肾癌、胃癌、克罗恩病、溃疡性结肠炎、肠易激综合征、帕金森、非典型的巴金森氏症、多发性硬化、肺动脉高压、先兆子痫和慢性肾病），在全球5个国家的9个临床研究中心，用1404个志愿者（591名健康人，813名患者）考验「纳米鼻子」的能力。
Haick教授发现，「纳米鼻子」识别疾病的准确性超过86%，而且可以一次确认患者是不是患有多种疾病。这个临床研究的成功，首次证明不同的疾病的确存在独特的挥发性有机化合物「指纹」。
在Haick教授的预想中，「纳米鼻子」将来要做三件事：一，癌症等疾病的早期筛查；二，癌症治疗过程中的辅助诊断和疗效监测；三，癌症治疗后的复发监测。
然而，Haick教授表示，从他们目前的研究来看，并不是所有的疾病都可以用「纳米鼻子」诊断。前列腺癌，乳腺癌和膀胱癌的诊断数据并不好，目前不清楚是他们的分子特诊不明确，还是其他原因。不过，「纳米鼻子」的数据已经很惊艳了，更重要的是，「纳米鼻子」是个便携设备，应该可以很快布置在门诊医生的办公桌上了。
然而，Haick教授对「纳米鼻子」的期待远远不止如此。他希望「纳米鼻子」将来能成为可以连接到手机上的一个模块，价格在10美元左右，人人皆可配备一个。医生可以通过这个模块远程监控患者的健康状况。这个项目的名字叫SniffPhone，由欧盟「地平线2020计划」资助，目前正在进行中。
据了解，Haick教授已经将这个技术授权给包括Breathtec Biomedical，Alpha Szenszor在内的三家公司。
参考资料
Gewin, V. (2016). Turning point: Nanotech bridge. Nature 534(7605): 143-143.
Nakhleh, M. K., (2016). Diagnosis and Classification of 17 Diseases from 1404 Subjects via Pattern Analysis of Exhaled Molecules. ACS Nano.
