利用納米技術加速早期癌癥的檢測

　　如果你處于有可能患癌癥的三分之一人口之列，你的身體會在醫生診斷這種疾病之前發出警告信號。如果能盡快檢測出潛藏在細胞和血流中的這些微弱信號，你就會獲得更大的生存機會。問題是早期癌癥的標志性變異相當復雜，而且常常很微弱，甚至處于分子水平。

　　但是，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，納米技術有可能最終提供解決這個分子謎團的方法。希斯斷言，超微硅線組(每根用來檢測一種有關特定癌癥的蛋白質)有可能檢測到我們身體中最微弱的化學變化。希斯及其加州理工學院的同事正在開發的納米傳感器將同時在一滴血中搜尋數百乃至數千種不同的生物分子。如果這些納米傳感器有效，它們有可能成為檢測癌癥的基礎，不僅能更精確，而且會比現在使用的檢測方法更便宜，也更方便，因為它們不涉及組織采樣和實驗室分析。

　　當然，這并不能說明什么。大多數篩查癌癥的方法依然很原始，常常通過簡單的物理檢測或者采用粗糙的乳房攝影術和X射線之類的成像方法，尋找腫瘤生長的證據。檢測前列腺癌和卵巢癌采用的依然是血檢，但是效果很糟糕。這種方法速度慢、價格昂貴，而且出了名的不可靠。例如，要想確診前列腺癌，醫生要在血液中尋找被稱為前列腺特異性抗原(PSA)的蛋白質。然而，經受了極有壓力的活檢過程的人中只有25%至30%的人因為身體里PSA水平高而確實患有前列腺癌。希斯指出，“PSA 始終存在于前列腺，時常少量滲漏，進入血液。當前列腺受到某種創傷――有可能是癌癥，也可能是其他類型創傷――它滲漏的量就會更大。然而，對早期前列腺癌而言，這是非常微弱的標志，因為在那個階段，它對前列腺的損傷實際上并不太大。”

　　更精確的癌癥檢測最好能反映生物分子活動的復雜性。希斯的目標是構造不僅能夠同時對一滴血或取自特定組織的幾個細胞進行多種測量，而且能夠檢測極小量生物分子的設備。他解釋說，“我們正在開發以指尖穿刺為基礎的測試。我們希望這種測試最終能類似糖尿病的檢測。現在，糖尿病患者能夠監測自己的血糖水平。他們可以定期檢測，因而控制了這種病。我們想為癌癥患者開發類似的簡易平臺。”

　　拼出謎底

　　看起來，詹姆斯?希斯似乎不可能最終進行癌癥研究。二十世紀八十年代初期，作為休斯頓萊斯大學(Rice University)研究生，他開始研究微塊狀材料的性能。1985年，他所在團隊發現了足球形碳分子C60。11年后，這個發現為希斯的教授理查德? 斯莫利(Richard Smalley)贏得諾貝爾獎，并幫助激發了人們如今對納米的興趣。后來，希斯將注意力轉移到微電子工業使用的半導體(例如：硅)，尋找將它們設計為更小器件的方法。最近，他與圣巴巴拉的加州大學合作者發明了一種方法，能夠制造僅幾納米寬的硅線，比今天最小型集成電路小約十倍。

　　這個進展成為電子產品持續小型化的里程碑。希斯說，“我們希望隨著如此困難問題的解決，其他機遇將自己呈現。”確實如此：希斯意識到，這些納米線也可以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不容易。隨著不同基因的開與關，生物分子濃度瘋狂波動，反映出一個人健康狀態的變化。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。它們傾向于成群或成網絡運轉，而且可以調節彼此的表達方式。因此，要弄清疾病的分子“指紋”需要對基因與蛋白質合作的方式有系統性理解。

　　這正是希斯的合作者勒羅伊?胡德(Leroy Hood)――西雅圖系統生物研究所創始人――承擔的任務。系統生物學家看待細胞就像電子工程師看待復雜的電路：它們是通過互相開關接通信號的高度互連系統的組件。希斯的傳感器有可能提供有關一個人健康狀態的數千個線索，而將所有這些信息單位拼合起來形成連貫的畫面需要胡德的系統生物法。

　　舉例來說，胡德及其團隊已經觀察到為在受前列腺癌影響的細胞和組織內產生蛋白質，基因的表達方式。胡德說，“我們的看法是：正常細胞和病變細胞的區別是疾病細胞中蛋白質和基因的控制網絡遭到擾亂，受網絡控制的蛋白質表達模式的改變反映了這些疾病擾亂。受擾亂蛋白質中有一小部分會設法進入血液，構成分子指紋，我們不僅能通過它診斷健康與疾病，而且能診斷是什么病，或者是特定疾病的哪種類型。”(例如，前列腺癌至少有三種不同類型。)

　　“我們已經確定惟有前列腺表現出的300個癌癥標志性基因。”胡德說，“我們預計，其中約62個有可能分泌進入血液。通過制造針對它的抗體，我們測出其中一種，并證明它只出現在患有前列腺癌的患者血液中。”胡德團隊現在正在測試另外五種前列腺腫瘤分泌的蛋白質。該團隊還發現了將應用于卵巢癌診斷的類似系列基因。

　　液體環境

　　檢測這種蛋白質的納米傳感器到底應該是什么樣?為了將一根納米線轉變為晶體管，研究人員用金屬線將其兩端連接起來，使電流能夠通過。接著，他們在納米線附近設置一個電極。為這個電極充電以改變納米線的導電性，把它“打開”或者“關閉”，這是任何電子工程師都熟悉的東西。

　　然后，希斯把他的納米線晶體管變換為微型生物傳感器。例如，用一根納米線充當特定蛋白質的一個傳感器。研究人員使用將依附于靶蛋白而不是其他分子的抗體包裹納米線表面。當蛋白質附著于抗體時，它們與在納米線表層內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可測量的重大改變。希斯說，“如果納米線真的非常小，我們可以在上面放置分子而不是電壓，而化學活動是促使晶體管開關的原因。”

　　納米線的小尺寸也使這些器件非常敏感。基本上，產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，而它也有可能檢測單個分子。希斯表示，雖然他的團隊尚未實現那個水平的敏感度，但是已經成功地檢測了幾個分子。(與此同時，哈佛大學的查爾斯?利伯(Charles Lieber)演示了能夠檢測單個病毒粒子的納米傳感器。)

　　然而，希斯輕松檢測早期疾病所依賴的并不只是高靈敏度。他說，“我們可以在非常小的區域制造數千個這樣的傳感器。”這說明了篩查單個細胞不同分子內容的能力。希斯與斯坦福大學微流體專家史蒂芬?奎克(Stephen Quake)合作，在一個納米傳感器陣列上裝配芯片――液體把穿梭于微通道的單個細胞輸送到位，在那里，可以每次研究一個細胞。

　　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用問題。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，加州理工學院系統生物研究所建立了納米系統生物聯盟(NanoSystems Biology Alliance)。奎克表示，癌癥和其他疾病的診斷將“在幾秒鐘或幾分鐘之內，僅依靠幾個細胞或它們的內容自動完成。”他預言，該推測“將在十年內變為現實。”