膀胱癌是美國主要的死亡原因之一雖然早期診斷對提高生存率至關(guān)重要，但目前的診斷和監(jiān)測方法，包括膀胱鏡檢查、活檢和腫瘤切除，都是侵入性的和昂貴的。由塔夫茨大學(xué)(Tufts university)領(lǐng)導(dǎo)的一個科學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在開發(fā)了一種非侵入性方法，通過在納米尺度上繪制細(xì)胞表面特征和地形，利用原子力顯微鏡(AFM)和機(jī)器學(xué)習(xí)來識別患者尿液中的癌細(xì)胞。研究人員說他們的技術(shù)代表了AFM首次被用于幫助診斷疾病,和建議以及更準(zhǔn)確的與膀胱鏡檢查相比,下有可能應(yīng)用于檢測方法收集的其他形式的癌癥或非癌變細(xì)胞內(nèi)異常體液,以及監(jiān)控細(xì)胞對藥物的反應(yīng)。

塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院(Tufts University School of engineering)機(jī)械工程和生物醫(yī)學(xué)工程教授伊戈?duì)?middot;索科洛夫(Igor Sokolov)博士說，“通過引入一種比侵入性目視檢查更準(zhǔn)確的非侵入性診斷方法，我們可以顯著降低患者的成本和不便。”“我們所需要的只是尿液樣本，這樣我們不僅可以在治療后更有效地監(jiān)測患者，還可以更容易地篩查可能有癌癥家族史的健康人，并有可能檢測出癌癥的發(fā)展程度。”確定早期篩選和分級檢測的效率是我們未來研究的一項(xiàng)單獨(dú)而重要的任務(wù)。”

Sokolov博士是研究人員發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的一篇論文的第一作者，這篇論文的標(biāo)題是“使用機(jī)器學(xué)習(xí)分析細(xì)胞表面納米洗脫圖像的無創(chuàng)診斷成像:膀胱癌的檢測”。

膀胱癌是世界上最常見的癌癥之一，2018年美國估計(jì)有81190例膀胱癌，17240人死亡。早期診斷的患者5年生存率高達(dá)95%，但轉(zhuǎn)移性疾病患者5年生存率下降到10%。目前診斷的黃金標(biāo)準(zhǔn)方法包括膀胱鏡檢查(通過尿道將攝像機(jī)送入膀胱)、活檢以便檢查細(xì)胞，以及隨后的腫瘤切除。接受治療的患者復(fù)發(fā)率為50-80%，因此仍需每3-6個月進(jìn)行侵入性、昂貴的膀胱鏡檢查以監(jiān)測患者。

“對頻繁膀胱鏡檢查的要求使得膀胱癌成為每位患者診斷、監(jiān)測和治療費(fèi)用最高的癌癥，”作者說。他們指出，膀胱鏡檢查在某些膀胱腫瘤的分級和位置上也顯示出有限的準(zhǔn)確性。我們需要的是一種成本更低、更準(zhǔn)確、對患者友好的方法。“一種低成本、準(zhǔn)確、有效和無創(chuàng)的檢測方法將極大地?cái)U(kuò)大患者對篩查和早期檢測評估項(xiàng)目的參與，因?yàn)樗鼘p少患者的不適和潛在的術(shù)后并發(fā)癥，同時它可以幫助改善診斷、監(jiān)測和監(jiān)視，作為膀胱鏡檢查的輔助手段和/或消除不必要的膀胱鏡檢查。”

塔夫茨大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家們現(xiàn)在開發(fā)出一種診斷方法，利用AFM和機(jī)器學(xué)習(xí)方法對從患者尿液中提取的細(xì)胞進(jìn)行成像和分析。AFM包括用懸臂梁掃描表面，懸臂梁在經(jīng)過表面輪廓時發(fā)生偏轉(zhuǎn)。每一次偏轉(zhuǎn)都被記錄下來，形成一張分辨率只有納米幾分之一的地形圖。懸臂梁的撓度也可以反映試樣的物理性質(zhì)，如AFM探頭與試樣表面之間的附著力。

科學(xué)家們利用這項(xiàng)技術(shù)分析了43名對照組和25名病理確診的膀胱癌患者的尿液樣本。從每張圖像中分析的表面參數(shù)集，包括粗糙度、方向性和分形屬性。使用機(jī)器學(xué)習(xí)能夠更準(zhǔn)確地識別這些參數(shù)。

結(jié)果證實(shí)膀胱癌患者尿液中提取的細(xì)胞與對照細(xì)胞具有不同的特征，可以通過AFM和機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行識別。令人鼓舞的是，當(dāng)這項(xiàng)新技術(shù)僅用于檢測每個尿液樣本的5個細(xì)胞時，其靈敏度超過了90%，而目前使用尿液樣本的非侵入性診斷方法的靈敏度為20-80%。現(xiàn)有的無創(chuàng)檢測包括生物標(biāo)志物NMP22的生物化學(xué)評價、熒光原位雜交的遺傳分析或免疫細(xì)胞化學(xué)。基于afm的方法的特異性也與其他測試的特異性相當(dāng)，為82-98%。

作者說，雖然他們的方法需要對更多病人的樣本進(jìn)行評估，但它可以被無縫地整合到當(dāng)前的臨床實(shí)踐中。另一個好處是AFM技術(shù)只需要少量隨機(jī)選擇的細(xì)胞。“正如我們所展示的，我們的AFM方法的準(zhǔn)確性高于目前使用的臨床標(biāo)準(zhǔn)，膀胱鏡檢查，以及目前使用的非侵入性方法，如VUC(排尿細(xì)胞學(xué))和生化評估，”他們寫道。“引入時,它將幫助促進(jìn)篩查,減少過度診斷(目前實(shí)質(zhì)性的問題),因此,不必要的和昂貴的醫(yī)療程序…的數(shù)量描述方法可以擴(kuò)展到檢測其他癌癥和其他非惡性的細(xì)胞異常的檢測以及細(xì)胞對各種藥物(nanopharmacology)的反應(yīng)。因此，我們希望所描述的方法可能是生物醫(yī)學(xué)成像的一個新方向。

Sokolov博士說:“AFM已經(jīng)存在了30多年，但這是它第一次在臨床診斷方面顯示出希望。”“這種診斷方法的準(zhǔn)確性似乎比目前的膀胱癌臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)要好，但我們需要在更大的患者群體中對這種方法進(jìn)行測試，然后才能將其應(yīng)用于臨床實(shí)踐。”我們希望AFM最終可以應(yīng)用于檢測其他類型的腫瘤，如胃腸道、結(jié)腸直腸癌和宮頸癌。