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利用纳米技术加速早期癌症的检测
如果你处于有可能患癌症的三分之一人口之列，你的身体会在医生诊断这种疾病之前发出警告信号。如果能尽快检测出潜藏在细胞和血流中的这些微弱信号，你就会获得更大的生存机会。问题是早期癌症的标志性变异相当复杂，而且常常很微弱，甚至处于分子水平。
但是，加州理工学院(California Institute of Technology)的物理化学家詹姆斯•希斯(James Heath)认为，纳米技术有可能最终提供解决这个分子谜团的方法。希斯断言，超微硅线组(每根用来检测一种有关特定癌症的蛋白质)有可能检测到我们身体中最微弱的化学变化。希斯及其加州理工学院的同事正在开发的纳米传感器将同时在一滴血中搜寻数百乃至数千种不同的生物分子。如果这些纳米传感器有效，它们有可能成为检测癌症的基础，不仅能更精确，而且会比现在使用的检测方法更便宜，也更方便，因为它们不涉及组织采样和实验室分析。
当然，这并不能说明什么。大多数筛查癌症的方法依然很原始，常常通过简单的物理检测或者采用粗糙的乳房摄影术和X射线之类的成像方法，寻找肿瘤生长的证据。检测前列腺癌和卵巢癌采用的依然是血检，但是效果很糟糕。这种方法速度慢、价格昂贵，而且出了名的不可靠。例如，要想确诊前列腺癌，医生要在血液中寻找被称为前列腺特异性抗原(PSA)的蛋白质。然而，经受了极有压力的活检过程的人中只有25%至30%的人因为身体里PSA水平高而确实患有前列腺癌。希斯指出，“PSA 始终存在于前列腺，时常少量渗漏，进入血液。当前列腺受到某种创伤――有可能是癌症，也可能是其他类型创伤――它渗漏的量就会更大。然而，对早期前列腺癌而言，这是非常微弱的标志，因为在那个阶段，它对前列腺的损伤实际上并不太大。”
更精确的癌症检测最好能反映生物分子活动的复杂性。希斯的目标是构造不仅能够同时对一滴血或取自特定组织的几个细胞进行多种测量，而且能够检测极小量生物分子的设备。他解释说，“我们正在开发以指尖穿刺为基础的测试。我们希望这种测试最终能类似糖尿病的检测。现在，糖尿病患者能够监测自己的血糖水平。他们可以定期检测，因而控制了这种病。我们想为癌症患者开发类似的简易平台。”
拼出谜底
看起来，詹姆斯•希斯似乎不可能最终进行癌症研究。二十世纪八十年代初期，作为休斯顿莱斯大学(Rice University)研究生，他开始研究微块状材料的性能。1985年，他所在团队发现了足球形碳分子C60。11年后，这个发现为希斯的教授理查德• 斯莫利(Richard Smalley)赢得诺贝尔奖，并帮助激发了人们如今对纳米的兴趣。后来，希斯将注意力转移到微电子工业使用的半导体(例如：硅)，寻找将它们设计为更小器件的方法。最近，他与圣巴巴拉的加州大学合作者发明了一种方法，能够制造仅几纳米宽的硅线，比今天最小型集成电路小约十倍。
这个进展成为电子产品持续小型化的里程碑。希斯说，“我们希望随着如此困难问题的解决，其他机遇将自己呈现。”确实如此：希斯意识到，这些纳米线也可以充当超灵敏生物传感器。
然而，他也意识到，把纳米线整合到有效的诊断工具中并不容易。随着不同基因的开与关，生物分子浓度疯狂波动，反映出一个人健康状态的变化。不过，在过去几年里，遗传学家和分子生物学家逐渐认识到，基因通常不会独立行动。它们倾向于成群或成网络运转，而且可以调节彼此的表达方式。因此，要弄清疾病的分子“指纹”需要对基因与蛋白质合作的方式有系统性理解。
这正是希斯的合作者勒罗伊•胡德(Leroy Hood)――西雅图系统生物研究所创始人――承担的任务。系统生物学家看待细胞就像电子工程师看待复杂的电路：它们是通过互相开关接通信号的高度互连系统的组件。希斯的传感器有可能提供有关一个人健康状态的数千个线索，而将所有这些信息单位拼合起来形成连贯的画面需要胡德的系统生物法。
举例来说，胡德及其团队已经观察到为在受前列腺癌影响的细胞和组织内产生蛋白质，基因的表达方式。胡德说，“我们的看法是：正常细胞和病变细胞的区别是疾病细胞中蛋白质和基因的控制网络遭到扰乱，受网络控制的蛋白质表达模式的改变反映了这些疾病扰乱。受扰乱蛋白质中有一小部分会设法进入血液，构成分子指纹，我们不仅能通过它诊断健康与疾病，而且能诊断是什么病，或者是特定疾病的哪种类型。”(例如，前列腺癌至少有三种不同类型。)
“我们已经确定惟有前列腺表现出的300个癌症标志性基因。”胡德说，“我们预计，其中约62个有可能分泌进入血液。通过制造针对它的抗体，我们测出其中一种，并证明它只出现在患有前列腺癌的患者血液中。”胡德团队现在正在测试另外五种前列腺肿瘤分泌的蛋白质。该团队还发现了将应用于卵巢癌诊断的类似系列基因。
液体环境
检测这种蛋白质的纳米传感器到底应该是什么样?为了将一根纳米线转变为晶体管，研究人员用金属线将其两端连接起来，使电流能够通过。接着，他们在纳米线附近设置一个电极。为这个电极充电以改变纳米线的导电性，把它“打开”或者“关闭”，这是任何电子工程师都熟悉的东西。
然后，希斯把他的纳米线晶体管变换为微型生物传感器。例如，用一根纳米线充当特定蛋白质的一个传感器。研究人员使用将依附于靶蛋白而不是其他分子的抗体包裹纳米线表面。当蛋白质附着于抗体时，它们与在纳米线表层内移动的电子相互作用，改变其导电性。如果纳米线只有几纳米粗，其总体导电率就会有可测量的重大改变。希斯说，“如果纳米线真的非常小，我们可以在上面放置分子而不是电压，而化学活动是促使晶体管开关的原因。”
纳米线的小尺寸也使这些器件非常敏感。基本上，产生读数所需的分子数将取决于它们附着于传感器表面的密集程度，而它也有可能检测单个分子。希斯表示，虽然他的团队尚未实现那个水平的敏感度，但是已经成功地检测了几个分子。(与此同时，哈佛大学的查尔斯•利伯(Charles Lieber)演示了能够检测单个病毒粒子的纳米传感器。)
然而，希斯轻松检测早期疾病所依赖的并不只是高灵敏度。他说，“我们可以在非常小的区域制造数千个这样的传感器。”这说明了筛查单个细胞不同分子内容的能力。希斯与斯坦福大学微流体专家史蒂芬•奎克(Stephen Quake)合作，在一个纳米传感器阵列上装配芯片――液体把穿梭于微通道的单个细胞输送到位，在那里，可以每次研究一个细胞。
最终，所有技术都必需整合进一个可以用于临床的器件中，这意味着要解决更多的技术和实用问题。2003年，为确保这种新工具能够反映癌症生物学和免疫学中的最新进展，加州理工学院系统生物研究所建立了纳米系统生物联盟(NanoSystems Biology Alliance)。奎克表示，癌症和其他疾病的诊断将“在几秒钟或几分钟之内，仅依靠几个细胞或它们的内容自动完成。”他预言，该推测“将在十年内变为现实。”
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