密西根州立大學最新研究表明，蝗蟲不僅能「嗅出」癌細胞和健康細胞之間的差異，還能區分不同的癌細胞系。研究人員說，這項工作可以為使用昆蟲感覺神經元的設備提供基礎，從而使患者僅通過呼吸就可以實現癌症的早期檢測。
日前，作者在預印本平台BioRxiv上分享了這項研究。
人們已經習慣了使用增強或超越自然感官的技術。例如，望遠鏡和顯微鏡可以揭示肉眼不可見的世界。但「鼻子仍然是最先進的」，密西根州立大學生物醫學工程助理教授Debajit Saha說，「在氣體傳感方面，真的沒有什麼能比得上它們。」?這就是為什麼狗和它們的「超級嗅探器」能夠檢測出毒品、爆炸物的氣味。
科學家們正在研究一種可以模仿嗅覺的技術，但他們設計的任何技術都無法與生物嗅覺的速度、靈敏度和特異性相媲美。
氣體傳感裝置為疾病早期檢測創造了機會，特別是癌症等疾病，早期干預可以挽救更多生命。當癌症處於第一階段時，患者有80%到90%的生存機會。但如果直到第四階段才被發現，這一比例將暴跌至10%至20%。
癌細胞的工作方式與健康細胞不同，它們在工作和生長過程中會產生不同的化合物。如果這些化學物質進入患者的肺部或呼吸道，則可以在呼出的氣體中檢測到這些化合物。
「從理論上講，你可以對著設備進行呼吸，它將能夠檢測和區分多種癌症類型，甚至疾病處於哪個階段。然而，這種設備還沒有用於臨床。」Saha說。
因此，Saha團隊正在開發一種新方法。他們想：為什麼不從生物學經過無數代進化後已經構建的解決方案開始設計呢？Saha說，該小組基本上是在「入侵」昆蟲的大腦，以便將其用於疾病診斷。「這是一個幾乎無人探索的新領域。」他說。
Saha和他的團隊之所以選擇蝗蟲作為其生物成分，是因為幾十年來蝗蟲同果蠅一樣，一直是科學界的模式生物。研究人員十分了解它們的嗅覺傳感器和相應的神經迴路。而且，與果蠅相比，蝗蟲更大、更堅固。
這些特徵的結合使得研究人員能夠相對容易地將電極連接到蝗蟲的大腦上。然後，他們記錄了昆蟲對健康細胞和癌細胞產生的氣體樣本作出的反應，然後再利用這些信號創建不同細胞的化學圖譜。
密西根州立大學生物醫學工程系及微生物學和分子遺傳學系教授Christopher Contag的研究重點之一是，了解為什麼口腔癌細胞在顯微鏡和光學工具下具有獨特的外觀。他的實驗室在不同的細胞系中發現了不同的代謝物，這有助於解釋光學差異。結果表明，其中一些代謝物是揮發性的，這意味著它們可以通過空氣傳播並被嗅出。
「這些細胞在代謝上看起來非常不同，在光學上也不同。」Contag說，「我們認為從揮發物的角度來看它們很有意義。」
Saha的蝗蟲傳感器則提供了完美的測試平台。這兩個研究小組正在合作研究蝗蟲如何利用三種不同的口腔癌細胞系將健康細胞與癌細胞區分開來。
「我們預計癌細胞的外觀將不同於正常細胞。」Contag說，「若這些蟲子能夠區分三種不同的癌症時，那真是太神奇了。」
儘管研究結果集中在口腔癌上，但研究人員相信，他們的系統還可以檢測大多數癌症類型。不過，人們不必擔心在醫生的辦公室里看到成群結隊的昆蟲。研究人員的目標是開發一種沒有昆蟲的封閉式可攜式傳感器，只需檢測和分析揮發性化合物所需的生物成分。
來源：中國科學報
編排：戴衛 夏冰冰