卵巢癌是女性生殖系統常見的三大惡性腫瘤之一， 其中的一種分型——卵巢上皮癌的死亡率更是居於婦科腫瘤的首位。 卵巢癌根據不同的發展階段共分為四期， 而由於早期症狀不明顯， 往往難以發現和治療， 等到晚期時， 患者的5年生存率就會大打折扣。 根據美國癌症協會（ACS）的官方資料， 如果能在一期的時候就進行及時的診斷和治療， 那麼患者的5年生存率能夠達到92%[1]！
卵巢癌患者的病理切片染色
為了這個目標， 來自MIT的研究人員開發出了一種比以往更加靈敏的檢測方法來檢測早期卵巢癌， 他們的研究成果發表在了4月10日的《自然 生物醫學工程》雜誌上[2]。 目前的臨床檢查中， 無論是成像技術， 如MRI， 還是血液中生物標誌物的檢測， 都只能檢測到直徑為1cm或者更大的腫瘤。
然而新方法的進步性已經在小鼠體內得到了證實， 它可以檢查出直徑小於2mm的腫瘤，
新方法有兩個重要的組成部分， 一個是合成生物標誌物；另一個是納米探針。 合成生物標誌物的想法是由研究的通訊作者Sangeeta Bhatia教授提出的， 早在2012年， 她就已經在《自然 生物技術》雜誌上發表了研究， 尋找由腫瘤分泌的特定蛋白質作為生物標誌物， 這種蛋白就是基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase ， MMP）。 MMP由腫瘤分泌， 能夠幫助新生血管並且“延伸”到周圍組織中， 使癌細胞能生長和擴散[3]。
Sangeeta Bhatia教授
當時， Bhatia教授的團隊也設計了一種納米粒子， 粒子表面包被有多肽， 這種多肽可以被MMP家族的成員所切割。 多肽中設計有螢光序列， 在被切斷之後， 能夠發出螢光， 這些“螢光多肽”會隨著尿液排出， 研究人員只要分析尿液中的螢光量， 就能對癌症作出診斷。
然而實際總比理論要殘酷一些， 隨著研究的推進， 在2015年， 研究人員構建出了用於評估這種檢測手段靈敏度的數學模型。 與以往基於生物標誌物豐度的檢測方法不同，
所以另一個關鍵組成部分——納米探針的改進就交給了新研究的兩位共同第一作者， Ester Kwon博士和 Jaideep Dudani， 他們都對納米材料如何與人體的患病組織進行“交流”、如何提高診斷方法的靈敏度特別感興趣[5]。
研究人員對Oncomine和The Cancer Genome Atlas（TCGA）資料庫中多種癌症類型的組織樣本進行了測序， 發現MMP家族中MMP9的表達都出現了明顯上調， 利用MMP9能夠將癌變組織與正常組織區分開來。
MMP9在不同癌變組織中的表達， 依次為頭頸癌、肺癌、黑色素瘤、卵巢癌、乳腺癌、膠質母細胞瘤、結直腸癌、胰腺癌、肝癌和前列腺癌
接下來在納米顆粒的設計中， 研究人員採用氧化鐵為核心，通過聚乙二醇（PEG）做成的“繩子”把腫瘤穿透性肽（Tumor-penetrating peptides）和切斷後可以發出螢光信號的多肽“栓”到了氧化鐵的表面。
腫瘤穿透性肽在過去的研究中被用於腫瘤藥物的遞送 ，它能夠通過與癌細胞表面的受體結合，引發胞吞作用，使納米顆粒順利進入癌細胞[6]。在新的研究中，研究人員發現，添加了腫瘤穿透性肽的納米顆粒可以更多地積聚在腫瘤中，最終使得分泌到尿液中的被切割的螢光多肽的數量也有相應的增長。
受體介導的胞吞作用示意圖，藍色區域為胞外，橘色區域為胞內，紅色為細胞膜表面受體
此外，研究人員還驚奇的發現，“PEG繩”的長度與MMP切割多肽的速度有關，而且MMP家族中不同的蛋白酶所對應的“PEG繩”的最適長度也不同。通過對比，他們最終確定了一個固定的長度，在“PEG繩”保持這個長度時，MMP9切割多肽的速度是最快的。但是研究人員沒能探究出“PEG繩”的長度究竟為何會影響切割速度。
納米顆粒模型示意圖。核心為氧化鐵（棕色），外麵包被有多肽（藍色），連接有腫瘤穿透性肽（綠色），當納米顆粒遇到蛋白酶（紅色）時，多肽被切割
在實驗中，研究人員對小鼠移植了來自人類的高級別漿液性卵巢癌（HGSOC）細胞，分別用新的納米顆粒和傳統的血液中生物標誌物檢測進行了對比。移植兩周後，小鼠體內已經出現了多個直徑在2mm及以下的小腫瘤，而此時納米顆粒組小鼠排出的尿液中就已經可以檢測到明顯的“螢光多肽”了。這在臨床上有很重要的意義，根據臨床回顧性分析，如果能在腫瘤直徑小於5mm時檢測到的話，患者的死亡率能減少50%[7]！
圖c：移植兩周後，小鼠體內腫瘤的個數與直徑統計圖
圖f：納米顆粒組（綠色）小鼠從尿液測試中已經檢測到了腫瘤的存在
Bhatia教授說，這個新的納米顆粒比他們以前的版本的靈敏度提高了15倍，足以檢測到直徑小於2mm的卵巢腫瘤[8]。除了卵巢癌小鼠模型，研究人員還利用冷凍的結直腸癌患者的組織進行了實驗，也看到了類似的結果，而且在來自同一位元患者的肝臟組織中還發現了腫瘤細胞的轉移。結直腸癌與卵巢癌類似，也是屬於早期沒有明顯症狀，較難檢測到的一種腫瘤。
研究人員表示，在未來的研究中，他們將繼續完善，確定不同的多肽和蛋白酶與不同類型癌症的匹配度，力求做出更加個性化的癌症早期篩查工具。
參考資料：
[1] https://www.cancer.org/cancer/ovarian-cancer/detection-diagnosis-staging/survival-rates.html
[2] Kwon, E. J., Dudani, J. S. & Bhatia, S. N. Ultrasensitive tumour-penetrating nanosensors of protease activity. Nat. Biomed. Eng. 1, 0054 (2017).
[3] Kwong G A, Von Maltzahn G, Murugappan G, et al. Mass-encoded synthetic biomarkers for multiplexed urinary monitoring of disease[J]. Nature biotechnology, 2013, 31(1): 63-70.
[4] Kwong G A, Dudani J S, Carrodeguas E, et al. Mathematical framework for activity-based cancer biomarkers[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(41): 12627-12632.
[5] https://nbmecommunity.nature.com/channels/541-behind-the-paper/posts/16041-tumour-specific-nanosensors-with-high-sensitivity
[6] Teesalu, T., Sugahara, K.N. & Ruoslahti, E. Tumor-penetrating peptides. Front. Oncol.3, 216 (2013).
[7] Brown, P. O. & Palmer, C. The preclinical natural history of serous ovarian cancer: defining the target for early detection. PLoS Med. 6, e1000114 (2009).
[8] http://news.mit.edu/2017/new-technology-detect-tiny-ovarian-tumors-0410
研究人員採用氧化鐵為核心，通過聚乙二醇（PEG）做成的“繩子”把腫瘤穿透性肽（Tumor-penetrating peptides）和切斷後可以發出螢光信號的多肽“栓”到了氧化鐵的表面。腫瘤穿透性肽在過去的研究中被用於腫瘤藥物的遞送 ，它能夠通過與癌細胞表面的受體結合，引發胞吞作用，使納米顆粒順利進入癌細胞[6]。在新的研究中，研究人員發現，添加了腫瘤穿透性肽的納米顆粒可以更多地積聚在腫瘤中，最終使得分泌到尿液中的被切割的螢光多肽的數量也有相應的增長。
受體介導的胞吞作用示意圖，藍色區域為胞外，橘色區域為胞內，紅色為細胞膜表面受體
此外，研究人員還驚奇的發現，“PEG繩”的長度與MMP切割多肽的速度有關，而且MMP家族中不同的蛋白酶所對應的“PEG繩”的最適長度也不同。通過對比，他們最終確定了一個固定的長度，在“PEG繩”保持這個長度時，MMP9切割多肽的速度是最快的。但是研究人員沒能探究出“PEG繩”的長度究竟為何會影響切割速度。
納米顆粒模型示意圖。核心為氧化鐵（棕色），外麵包被有多肽（藍色），連接有腫瘤穿透性肽（綠色），當納米顆粒遇到蛋白酶（紅色）時，多肽被切割
在實驗中，研究人員對小鼠移植了來自人類的高級別漿液性卵巢癌（HGSOC）細胞，分別用新的納米顆粒和傳統的血液中生物標誌物檢測進行了對比。移植兩周後，小鼠體內已經出現了多個直徑在2mm及以下的小腫瘤，而此時納米顆粒組小鼠排出的尿液中就已經可以檢測到明顯的“螢光多肽”了。這在臨床上有很重要的意義，根據臨床回顧性分析，如果能在腫瘤直徑小於5mm時檢測到的話，患者的死亡率能減少50%[7]！
圖c：移植兩周後，小鼠體內腫瘤的個數與直徑統計圖
圖f：納米顆粒組（綠色）小鼠從尿液測試中已經檢測到了腫瘤的存在
Bhatia教授說，這個新的納米顆粒比他們以前的版本的靈敏度提高了15倍，足以檢測到直徑小於2mm的卵巢腫瘤[8]。除了卵巢癌小鼠模型，研究人員還利用冷凍的結直腸癌患者的組織進行了實驗，也看到了類似的結果，而且在來自同一位元患者的肝臟組織中還發現了腫瘤細胞的轉移。結直腸癌與卵巢癌類似，也是屬於早期沒有明顯症狀，較難檢測到的一種腫瘤。
研究人員表示，在未來的研究中，他們將繼續完善，確定不同的多肽和蛋白酶與不同類型癌症的匹配度，力求做出更加個性化的癌症早期篩查工具。
參考資料：
[1] https://www.cancer.org/cancer/ovarian-cancer/detection-diagnosis-staging/survival-rates.html
[2] Kwon, E. J., Dudani, J. S. & Bhatia, S. N. Ultrasensitive tumour-penetrating nanosensors of protease activity. Nat. Biomed. Eng. 1, 0054 (2017).
[3] Kwong G A, Von Maltzahn G, Murugappan G, et al. Mass-encoded synthetic biomarkers for multiplexed urinary monitoring of disease[J]. Nature biotechnology, 2013, 31(1): 63-70.
[4] Kwong G A, Dudani J S, Carrodeguas E, et al. Mathematical framework for activity-based cancer biomarkers[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(41): 12627-12632.
[5] https://nbmecommunity.nature.com/channels/541-behind-the-paper/posts/16041-tumour-specific-nanosensors-with-high-sensitivity
[6] Teesalu, T., Sugahara, K.N. & Ruoslahti, E. Tumor-penetrating peptides. Front. Oncol.3, 216 (2013).
[7] Brown, P. O. & Palmer, C. The preclinical natural history of serous ovarian cancer: defining the target for early detection. PLoS Med. 6, e1000114 (2009).
[8] http://news.mit.edu/2017/new-technology-detect-tiny-ovarian-tumors-0410