頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》今天上線了一項(xiàng)有關(guān)癌癥診斷的重要研究。來自加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的科學(xué)家，訓(xùn)練人工智能從血液中鑒定來自微生物的線索，不僅可以識(shí)別出癌癥，還能對不同類型的癌癥做出區(qū)分。研究機(jī)構(gòu)評價(jià)說，這項(xiàng)新的診斷工具，“可能會(huì)改變?nèi)藗冇^察和診斷癌癥的方式”。
我們知道，目前大多數(shù)癌癥在診斷時(shí)需要進(jìn)行手術(shù)活檢，從可疑的腫瘤部位取出樣本，并由富有經(jīng)驗(yàn)的專家尋找某些與癌癥相關(guān)的分子標(biāo)記物。這樣的方法耗時(shí)、昂貴，還因?yàn)槭侨肭质降模赡芙o患者帶來痛苦。
正因?yàn)槿绱?，很多科研人員正在努力開發(fā)液體活檢技術(shù)，希望通過簡單的驗(yàn)血，快速識(shí)別出特定的疾病。
現(xiàn)有的各種液體活檢技術(shù)，檢測目標(biāo)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(zhì)等。而在今天要介紹的這項(xiàng)新技術(shù)中，研究人員另辟蹊徑，讓我們體內(nèi)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）
世界上幾乎各個(gè)角落都有細(xì)菌、病毒等微生物的存在，人體內(nèi)也不例外。事實(shí)上，常駐人體的微生物數(shù)量遠(yuǎn)超我們自己的細(xì)胞數(shù)量，它們的核酸片段（DNA或RNA）經(jīng)血液游蕩在我們?nèi)怼?/div>
▲抽一管血，檢測是否患癌以及什么癌癥，實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)或許并不遙遠(yuǎn)（圖片來源：MacDill Air Force Base）
▲《自然》同時(shí)發(fā)表了評論，對這項(xiàng)研究給出積極評價(jià)（圖片來源：Nature.com）
近年越來越多的研究證據(jù)開始顯示，人體微生物對多種類型的腫瘤有“貢獻(xiàn)”。就以微生物最豐富的部位腸道為例，學(xué)術(shù)經(jīng)緯在過去也和讀者朋友們介紹過多項(xiàng)研究，有些腸道細(xì)菌可能引發(fā)結(jié)直腸癌，還可能通過免疫系統(tǒng)影響肝癌的發(fā)生、誘發(fā)白血病，等等。
正在UCSD醫(yī)學(xué)院攻讀博士的Gregory Poore和他的導(dǎo)師Rob Knight教授也注意到了細(xì)菌、病毒和癌癥的關(guān)系，并且猜想，這些微生物在癌癥中起的作用或許比現(xiàn)在所知的更大。“以前的癌癥研究工作大多假設(shè)腫瘤是在無菌環(huán)境，而忽略了人的癌細(xì)胞與細(xì)菌、病毒以及其他生活在人體的微生物可能有復(fù)雜的相互作用。”Knight教授說。
▲抽一管血，檢測是否患癌以及什么癌癥，實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)或許并不遙遠(yuǎn)（圖片來源：MacDill Air Force Base）
于是，他們有了一個(gè)全新而大膽的思路：分析血液中來自微生物的遺傳物質(zhì)，可以根據(jù)其特征模式來識(shí)別體內(nèi)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(rèn)癌癥相關(guān)的微生物核酸特征。他們從美國國家癌癥所“癌癥基因組圖集”數(shù)據(jù)庫（TCGA）獲得了大約18000份樣本，對其全基因組數(shù)據(jù)（DNA序列）和全轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)（RNA序列）重新檢查。這些樣本涵蓋了33種癌癥、10000多個(gè)病例，包括原發(fā)性和復(fù)發(fā)性腫瘤以及轉(zhuǎn)移擴(kuò)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(dú)特的微生物特征后，研究人員把工作交給了人工智能，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來挖掘大量數(shù)據(jù)，把特定的微生物序列特征與特定的癌癥相匹配。
為了盡量避免在樣本采集、測序等各個(gè)步驟中可能存在的微生物污染問題，研究人員對數(shù)據(jù)集做了嚴(yán)格的生物信息學(xué)過濾。而且，在癌癥3期、4期的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)集中去除后，發(fā)現(xiàn)模型依然可以對許多癌癥做出區(qū)分，這意味著，癌癥的早期階段就能從血液中讀取出特定的微生物核酸特征。
▲在各種組織和腫瘤中都可以發(fā)現(xiàn)微生物的核酸片段，利用人工智能對血液中核酸片段的特征進(jìn)行識(shí)別（參考資料[2]）
接下來，要讓這套AI模型在真實(shí)世界中接收檢驗(yàn)。來自UCSD Moores癌癥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征進(jìn)行鑒定，并與69名健康無癌個(gè)體的血樣進(jìn)行比較。
分析取得了令人欣喜的結(jié)果，機(jī)器學(xué)習(xí)模型不僅可以區(qū)分患癌和無癌的樣本，還相當(dāng)擅長區(qū)分不同類型的癌癥：以86%的敏感性識(shí)別出肺癌患者，對于無肺部疾病的個(gè)體沒有出現(xiàn)假陽性報(bào)告，并且以81%的準(zhǔn)確率區(qū)分出前列腺癌和肺癌。
“只要一管血，就能夠全面了解腫瘤細(xì)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，來更好地理解癌癥中宿主-環(huán)境的相互作用。”這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人、腫瘤學(xué)家Sandip Pravin Patel博士說。他相信，如果這項(xiàng)研究結(jié)果能經(jīng)過未來的檢驗(yàn)，“可能會(huì)對癌癥患者的診療和癌癥早診有重要影響”。
▲《自然》同時(shí)發(fā)表了評論，對這項(xiàng)研究給出積極評價(jià)（圖片來源：Nature.com）
當(dāng)然，作為一項(xiàng)早期的概念驗(yàn)證研究，這種檢測方法要應(yīng)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(huán)境中的作用也還有許多需要回答的問題。正如研究者所言，“這只是研究血液微生物群和癌癥相互作用的開始”。但隨著新認(rèn)識(shí)的積累，我們期待一條全新的治療途徑在腳下展開。
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