Nature Sustainability | 亿纳谱团队开发用于多种癌症诊断的新工具

近日，亿纳谱联合上海交通大学、上海交通大学医学院附属胸科医院、华东师范大学在Nature Sustainability（IF=27.6）上发表了题为“A sustainable approach to universal metabolic cancer diagnosis”的研究论文。该研究报告了一种准确、经济、环境及用户友好的诊断工具，旨在解决全球超过十亿人面临的错过疾病诊断高发的问题。该方法结合了干血清斑技术（DSS，dried serum spot）和纳米颗粒增强激光解吸电离质谱（NPELDI MS），可以在几分钟内以可负担的成本诊断多种癌症，包括胰腺癌、胃癌和结直肠癌，同时具有环境友好、与血清等效的精度和用户友好的优势，有助于满足人们对易获取诊断工具的需求，特别是在偏远地区。

在全球范围内，错过疾病诊断的现象已经成为一个严重的挑战，影响着超过十亿人的健康。这一问题的根源在于现有的诊断工具在准确性和价格上存在着不足，尤其是在对环境脆弱和能源有限的地区，更加凸显了这一挑战。在这些地区，人们往往面临诊断手段不足、成本高昂和资源紧缺等问题，因此急需开发出能够在有限资源条件下最大程度提高健康收益的解决方案。

与在专门设施进行的体内诊断不同，体外诊断，特别是使用血清的诊断，可通过初级保健机构的中心实验室综合网络进行。值得注意的是，血清检测所需的大容量样本载体（通常为2毫升真空采血管）、必要的储存条件（-80°C或-20°C）和冷链运输既昂贵又费力，限制了在中低收入国家扩大血清学诊断的范围和可持续性。为了解决这个问题，近年来出现了干血斑技术（DBS，dried blood spot），它使用可运输的底物在区域或中央实验室进行集中检测，其样本装载方便，易于采样且存储简单。

目前，利用干血斑进行的体外诊断已在代谢研究中取得了大规模成功，可用于筛查新生儿的先天代谢紊乱。然而，体外癌症诊断主要依靠血液检测蛋白质、miRNA、循环肿瘤细胞或细胞外囊泡，这些成分在血斑的干燥过程中容易失活和降解。此外，干血斑中的少量血液（通常<50 µl）远不足以检测上述癌症标志物。

相比之下，大多数代谢物在干血斑上保持稳定，可获得的代谢诊断可帮助卫生系统识别癌症代谢异常的个体。因此，使用干血斑检测癌症诱导的代谢变化对于分级医疗的可持续性非常重要，特别是在欠发达地区。基于干血斑的代谢诊断在临床实验室的可持续性面临分析工具的鲁棒性方面的挑战。质谱（MS）是使用干血斑进行代谢诊断的主流工具，仅消耗微升级血液。然而，由于临床样本的混合物成分复杂，代谢物丰度低，普遍需要在质谱前进行繁琐的色谱分离。除了与质谱的耦合色谱，有机基质在激光解吸电离（LDI）质谱代谢分析中至关重要，但利用有机基质进行代谢分析存在灵敏度、选择性和重复性不理想的限制。因此，迫切需要定制无机纳米颗粒（NP）作为代谢诊断的基质。特别是纳米颗粒增强的激光解吸电离质谱（NPELDI MS）应用于体外代谢诊断，使用无机纳米颗粒作为色谱替代品，选择性富集代谢物，并产生具有增强灵敏度的可重复数据。但NPELDI MS对干血斑分析的适应性尚未得到验证。此外，这一应用还存在着缺乏用于诊断的标准化操作程序的限制。

在这项研究中，研究团队开发了一种基于代谢物检测的癌症诊断方法，将干血清斑（DSS）与纳米颗粒增强的激光解吸电离质谱（NPELDI MS）相结合，构建了一种完整的方法，具有从采样、运输、检测到诊断的标准化流程。该方法结合了基于代谢信息的个体化治疗的高效率和低经济成本，有望在欠发达地区推广使用，提高癌症患者的生存率。

纳米颗粒增强的LDI MS平台

首先，研究者成功构建了一个NPELDI MS平台，通过在不锈钢靶板上分布铁系纳米颗粒，构建了一个能够并行检测多个样品的微阵列。相较于使用传统的有机基质，铁系纳米颗粒展示出更高的检测灵敏度。

图1. NPELDI MS 平台

与传统的生化检测方法相比，NPELDI MS具有更高的灵敏度和选择性，且实验时间更短。此外，NPELDI MS数据的可重复性较高，且与血清样本的代谢物水平具有很好的相关性，并且DSS提取的代谢物可以用于疾病诊断中的分类任务。

图2. 可行性分析

利用DSS进行代谢物检测和分析的实际应用性

DSS样本在各种储存条件下都能保持代谢物的稳定性，在同一DSS中不同取样位置的代谢物检测结果基本一致。与之相比，使用相同方法制备的DBS在不同取样位置之间存在明显的变化。DSS的稳定性和可靠性较高，可以替代血清或DBS用于代谢物的定量分析和未定向代谢物检测。

图3. 适用于实际案例

利用NPELDI MS进行癌症诊断

 通过分析180个DSS样本，证实了这种方法对癌症和健康人群的区分能力，可以在几分钟内诊断多种癌症，包括胰腺癌、胃癌和结直肠癌。建立的化学模型在训练集和测试集中显示出良好的性能，并在外部验证集中得到进一步验证。进一步评估表明，在欠发达地区实施这一工具，通过与人口癌症筛查计划合作，可以将结直肠癌、胃癌和胰腺癌的未诊断病例比例从84.30%、77.57%和34.56%分别降低到降低到29.20%、57.22%和9.30%，总体降低幅度为20.35%-55.10%。此外，研究还发现DSS样本中保存了重要的疾病生物标志物，使得癌症诊断更加便捷可行。

图4. 通过癌症诊断验证

使用DSS进行癌症诊断的可持续性和经济性优势

首先，DSS中的独特底物避免了昂贵的冷链运输，减少了存储空间，降低了运输和存储成本，并将生物库的样本容量提高了10倍。其次，NPELDI MS平台本身具有成本效益，每套试剂盒中最重要的试剂——来自单次合成的铁系纳米颗粒成本为2.15美元，足以进行40万次质谱测试。此外，使用DSS进行诊断有助于生态脆弱和能源有限地区实现可持续的诊断解决方案，降低了资源消耗和碳排放，促进了低碳和气候积极的医疗。同时，DSS的制备过程可以被视为一种灭活过程，减少了感染风险，具有较低的生物安全隐患。最后，DSS衍生的模型在癌症诊断方面的性能优于临床上批准的生物标志物，具有与血清等价的准确性。

图5. 经济评估

总之，该论文提供了使用基于DSS结合NPELDI MS进行可持续代谢诊断的方法。作者提出了一个标准化的工作流程，该方法实用且能够在资源有限的临床环境中实现高水平的诊断准确性，即使是由当地的卫生工作者进行。