人工智能驗血 全新角度檢測癌症
2020年03月13日09:33

  頂尖學術期刊《自然》今天上線了一項有關癌症診斷的重要研究。來自加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的科學家,訓練人工智能從血液中鑒定來自微生物的線索,不僅可以識別出癌症,還能對不同類型的癌症做出區分。研究機構評價說,這項新的診斷工具,“可能會改變人們觀察和診斷癌症的方式”。

  我們知道,目前大多數癌症在診斷時需要進行手術活檢,從可疑的腫瘤部位取出樣本,並由富有經驗的專家尋找某些與癌症相關的分子標記物。這樣的方法耗時、昂貴,還因為是入侵式的,可能給患者帶來痛苦。

  正因為如此,很多科研人員正在努力開發液體活檢技術,希望通過簡單的驗血,快速識別出特定的疾病

  現有的各種液體活檢技術,檢測目標大多針對我們自身的基因組,例如血液中從腫瘤脫落的DNA,或是特定的蛋白質等。而在今天要介紹的這項新技術中,研究人員另闢蹊徑,讓我們體內的“外來者”透露腫瘤的信息。

▲血液中既有我們自身的基因信息,也有“外來者”的基因信息(圖片來源:Pixabay)
▲血液中既有我們自身的基因信息,也有“外來者”的基因信息(圖片來源:Pixabay)

  世界上幾乎各個角落都有細菌、病毒等微生物的存在,人體內也不例外。事實上,常駐人體的微生物數量遠超我們自己的細胞數量,它們的核酸片段(DNA或RNA)經血液遊蕩在我們全身。

  近年越來越多的研究證據開始顯示,人體微生物對多種類型的腫瘤有“貢獻”。就以微生物最豐富的部位腸道為例,學術經緯在過去也和讀者朋友們介紹過多項研究,有些腸道細菌可能引髮結直腸癌,還可能通過免疫系統影響肝癌的發生、誘發白血病,等等。

  正在UCSD醫學院攻讀博士的Gregory Poore和他的導師Rob Knight教授也注意到了細菌、病毒和癌症的關係,並且猜想,這些微生物在癌症中起的作用或許比現在所知的更大。“以前的癌症研究工作大多假設腫瘤是在無菌環境,而忽略了人的癌細胞與細菌、病毒以及其他生活在人體的微生物可能有複雜的相互作用。”Knight教授說。

▲抽一管血,檢測是否患癌以及什麼癌症,實現這樣的目標或許並不遙遠(圖片來源:MacDill Air Force Base,https://www.macdill.af.mil/News/Photos/igphoto/2000056194/)
▲抽一管血,檢測是否患癌以及什麼癌症,實現這樣的目標或許並不遙遠(圖片來源:MacDill Air Force Base,https://www.macdill.af.mil/News/Photos/igphoto/2000056194/)

  於是,他們有了一個全新而大膽的思路:分析血液中來自微生物的遺傳物質,可以根據其特徵模式來識別體內的腫瘤嗎

  研究人員第一步通過已有的人類腫瘤樣本,來確認癌症相關的微生物核酸特徵。他們從美國國家癌症所“癌症基因組圖集”數據庫(TCGA)獲得了大約18000份樣本,對其全基因組數據(DNA序列)和全轉錄組數據(RNA序列)重新檢查。這些樣本涵蓋了33種癌症、10000多個病例,包括原發性和複發性腫瘤以及轉移擴散的腫瘤,既有腫瘤組織也有相鄰組織和血液樣本。

  從幾千份樣本中找到獨特的微生物特徵後,研究人員把工作交給了人工智能,訓練機器學習模型來挖掘大量數據,把特定的微生物序列特徵與特定的癌症相匹配

  為了儘量避免在樣本採集、測序等各個步驟中可能存在的微生物汙染問題,研究人員對數據集做了嚴格的生物信息學過濾。而且,在癌症3期、4期的數據從數據集中去除後,發現模型依然可以對許多癌症做出區分,這意味著,癌症的早期階段就能從血液中讀取出特定的微生物核酸特徵

▲在各種組織和腫瘤中都可以發現微生物的核酸片段,利用人工智能對血液中核酸片段的特徵進行識別(參考資料[2])
▲在各種組織和腫瘤中都可以發現微生物的核酸片段,利用人工智能對血液中核酸片段的特徵進行識別(參考資料[2])

  接下來,要讓這套AI模型在真實世界中接收檢驗。來自UCSD Moores癌症中心的合作者提供了包括前列腺癌、肺癌和黑色素瘤等100名患者的樣本,讓AI對每份血漿中的微生物核酸特徵進行鑒定,並與69名健康無癌個體的血樣進行比較。

  分析取得了令人欣喜的結果,機器學習模型不僅可以區分患癌和無癌的樣本,還相當擅長區分不同類型的癌症:以86%的敏感性識別出肺癌患者,對於無肺部疾病的個體沒有出現假陽性報告,並且以81%的準確率區分出前列腺癌和肺癌

  “只要一管血,就能夠全面瞭解腫瘤細胞的DNA和患者微生物群的DNA,可以說,我們邁出了重要的一步,來更好地理解癌症中宿主-環境的相互作用。”這項研究的共同負責人、腫瘤學家Sandip Pravin Patel博士說。他相信,如果這項研究結果能經過未來的檢驗,“可能會對癌症患者的診療和癌症早診有重要影響”。

▲《自然》同時發表了評論,對這項研究給出積極評價(圖片來源:Nature.com)
▲《自然》同時發表了評論,對這項研究給出積極評價(圖片來源:Nature.com)

  當然,作為一項早期的概念驗證研究,這種檢測方法要應用到臨床還需要做大量工作,而我們對微生物在人體中的作用、在腫瘤微環境中的作用也還有許多需要回答的問題。正如研究者所言,“這隻是研究血液微生物群和癌症相互作用的開始”。但隨著新認識的積累,我們期待一條全新的治療途徑在腳下展開。

  來源:學術經緯

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