利用纳米生物技术加速早期疾病检测

IBM Research 的 2cmx2cm nanoDLD 芯片安装在微流体夹具中

在过去的几年里，由研究科学家和主要发明家 Joshua Smith 博士和 IBM 转化系统生物学和纳米生物技术项目主管 Gustavo Stolovitzky 博士领导的 IBM Research 跨学科团队一直在探索这个想法重组硅技术，并用它分离纳米级粒子，如病毒和癌症元素。

答案在于人类生物学和纳米技术的交叉点。首先，您需要“液体活检”，它可以从尿液或唾液样本中获得。然后需要分离纳米级的生物分子，以便下游检测疾病，即使它的存在在物理上是无法检测到的。今天的分离技术需要昂贵的设备、生化实验室和训练有素的技术人员，这使得定期筛查变得不切实际。但是基于芯片的纳米技术方法可以提供一种简单且负担得起的选择，使医生能够潜在地检测和监测疾病，即使是在疾病的最早阶段，早在身体症状出现之前以及治疗方案的预后最积极的时候。这是医疗专业人员的圣杯：之前治疗人 他们得了慢性病。

该团队的一大优势是将最先进的纳米技术和制造技术与计算生物学专业知识相结合。这种强大的协同作用是其他研究实验室难以获得的。

了解您的生物颗粒

分离生物颗粒绝不是一个新概念，但在他们最新的实验中，Smith 和 Stolovitzky 的团队是第一个成功分离纳米级生物分子的人——特别是外泌体（在含有从母细胞释放的遗传物质的体液中发现的细胞衍生囊泡）直径只有 20 纳米，大约是人类头发的 1/5,000。在这种规模下，可以分离大量重要的生物颗粒，包括上述外泌体、DNA、病毒和蛋白质复合物，它们可能预示疾病状态的早期发作、暴露后不久病毒的存在，或用于监测疾病进展。

使用一种称为纳米级确定性横向位移或 nanoDLD 的技术，液体样品可以连续流动通过一个硅芯片，该芯片特别设计有不对称的柱阵列。该阵列允许系统对微粒的微观瀑布进行分类，按分辨率低至数十纳米的尺寸分离微粒。当较小的颗粒沿流体方向以锯齿形运动移动时发生分离，而较大的颗粒沿柱不对称方向穿过阵列，就像卡车司机被迫在高速公路上驶入卡车车道，允许不同尺寸的材料隔离用于下游检测或分析。

“这项研究的社会影响在于，它可以让医生及早发现癌症……当治愈的可能性更大时，”斯托洛维茨基说。 “我们希望这项研究在癌症领域以及检测 DNA 和寨卡病毒等领域。一切都归结为同一件事：能够拥有一个小型且负担得起的诊断工具，该工具可以检测微量的生物标志物颗粒，这些颗粒可以告诉医生关于一个人的健康状况。”

从人类到原子的生物学规模以及 IBM Research 的 nanoDLD 设备能够达到的新纳米级范围[完整信息图]

史密斯补充说：“医生能够以负担得起的、非侵入性的方式定期筛查个人的生物学特征，有可能开创一个预防新时代。 并进一步了解导致疾病进展的因素。”

使用外泌体开创预防医学

作为该技术持续开发的一部分，IBM Research 正在与西奈山卫生系统的一个团队合作，该团队由医学博士、西奈山卫生系统病理学系主任和教授 Carlos Cordon-Cardo 领导伊坎医学院病理学、遗传学和基因组科学以及肿瘤科学学士。此次合作汇集了西奈山在癌症和病理学领域的专业知识，而 IBM 研究院则带来了其生物信息学经验和最新的纳米级分离技术。

在与癌症的战争中，外泌体越来越被视为诊断和预后恶性肿瘤的有用生物标志物。外泌体在血液和尿液等容易获得的体液中释放，是一种宝贵的生物医学工具，因为它们可以揭示癌症的起源。

“我们已经意识到细胞通过发送信使与自己对话。其中一些信使储存并转移到各种小囊泡或外泌体中。我们了解到，在这些信封中可以找到许多关键信息，包括由蛋白质编码的信息，甚至是我们自己细胞以 DNA 基因片段和 RNA 分子形式存在的信使，”Cordon-Cardo 说。

Cordon-Cardo 的动机是利用外泌体中携带的信息来预防疾病。

“今天，我们不会在其彻底定义的背景下追求‘医疗保健’。今天，我们基本上进行我们可以定义为“疾病护理”的工作。健康的个人、医疗专业人员和整个社会都需要接受教育才能接受和实施“医疗保健”。我们有时间带我们的车进行年检，但不是我们自己。很多时候是因为我们害怕会出错。外泌体可以帮助早期发现疾病。质疑和询问器官之间开始发送哪些信息以预测可能发生的事情，这将是看待医疗保健的最有趣的新方法之一。”

Cordon-Cardo 认为，借助 IBM nanoDLD 技术，专家可以更有效地以非侵入性方式窃听细胞和器官之间发送的信息。更定期地监测这种细胞间对话将使专家能够充当虚拟伴侣，仔细观察直到病情逆转并且患者恢复健康状态的时间到来，或者允许医生决定有必要采取更具侵入性的措施.

表面外泌体的电子显微照片。

“当我们领先于疾病时，我们通常可以很好地解决它；但如果疾病就在我们面前，那么旅程通常会困难得多。我们在这次合作中尝试的重要进展之一是拥有识别分子特征的基本依据，这些特征可能很早就存在，”他说。

前列腺癌检测

IBM Research 和 Mount Sinai 计划在前列腺癌上测试 nanoDLD 技术，前列腺癌是美国男性最常见的癌症。对于前列腺癌，医生建议 50 岁以上的男性每年对血液样本中的前列腺特异性抗原 (PSA) 进行一次检测。然而，PSA 水平升高并不一定意味着一个人患有或将患前列腺癌。相反，PSA检测不呈阳性也不排除个体患前列腺癌。

人们希望寻找特异性、敏感的生物标志物，而今天的外泌体代表了一个新的前沿领域，提供了可能为一个人是否患有癌症提供答案的线索。

“通过外泌体，您可以一瞥癌细胞正在处理的内容。细胞一直在脱落外泌体。如果我们检测到它们，我们就可以在不接触癌细胞的情况下看到里面的东西，”Stolovitzky 说。

目前，这项研究仍处于早期阶段。 IBM 研究团队的最新科学成果今天发表在 Nature Nanotechnology* 上。 作为后续步骤的一部分，该团队希望增加设备可以处理的体积和吞吐量，并对设备进行设计，使其能够分离小于 20 纳米的生物颗粒，从而将它们带入单个蛋白质的领域。

他们还计划确认他们的设备能够获取他们希望在前列腺癌患者的外泌体中看到的生物标志物种类，并将继续致力于构建临床级原型设备。在设备进入市场之前，需要进行临床试验。但就像妊娠试验改变了孕妇的游戏一样，在我们未来的某一天，我们可能能够使用一种简单的即时护理设备，在我们注意到任何症状之前就可以告诉我们健康的迹象。

脚注：

*自然纳米技术： 用于分离低至 20n 的外泌体和胶体的纳米级横向位移阵列， DOI：10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch（IBM 研究院）、Joshua T. Smith（IBM 研究院）、Stacey M. Gifford（IBM 研究院）、Chao Wang（现隶属：亚利桑那州立大学）、Markus Brink（IBM 研究院）、Robert Bruce （IBM 研究院）、Robert H. Austin（普林斯顿大学）、Gustavo Stolovitzky（IBM 研究院）和 Yann Astier（现隶属机构：Roche Molecular Systems）