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從癌性腫瘤脫落並在血液中迴圈的細胞對癌症擴散或轉移到全身構成嚴重威脅。然而，找到這些迴圈腫瘤細胞 (CTC) 就好比大海撈針。一毫升血液中包含約 50 億個紅細胞、1000 萬個白細胞，而腫瘤細胞僅有 10 個。
然而，早期癌症檢測和治療是一個人最好的生存機會，而且由於轉移是 導致 90% 癌症死亡的原因，研究人員花費數十年時間試圖開發血液測試，以便在迴圈腫瘤細胞形成新腫瘤之前有效地發現它們。最大的挑戰是在樣本中快速檢查數十億個快速移動的血細胞，並達到足夠高的解析度以識別癌性入侵者。
加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 的研究人員正在開發一種系統，該系統將光學顯微鏡與用於計數和研究細胞的裝置以及高速影像處理器相結合，他們表示該處理器可以拍攝 快速移動細胞的無模糊影像，這是朝著捕捉迴圈腫瘤細胞 (CTC) 現形邁出的重要一步。研究人員上個月在《美國國家科學院院刊》(PNAS) 上描述了該系統。
抓到你了
加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 系統的核心是 研究人員在 2009 年推出 的超高速顯微相機，該相機每秒可捕獲約六百萬幀影像。這種“序列時間編碼放大顯微鏡”(STEAM) 相機使用非常短的雷射脈衝（僅十億分之一秒的光閃爍）建立每個影像。STEAM 相機的快門速度為 27 皮秒，比 當前的數碼相機 快約一百萬倍。（一皮秒是一萬億分之一秒。）
儀器必須滿足兩個主要要求才能檢測血液樣本中的迴圈腫瘤細胞 (CTC)。加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 電氣工程和生物工程專案經理、主要作者 Keisuke Goda 表示：“當然，它必須具有高靈敏度或信噪比才能識別訊號。” “而且它必須是高速的，否則[找到癌細胞]將花費非常長的時間，因為背景細胞計數非常龐大。” 他補充說，STEAM 流式分析儀是一種自動化顯微鏡，比醫院有時用於疾病識別的自動化顯微鏡快 100 倍。
加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 相機將每個雷射脈衝轉換為資料流，從中可以組裝高速影像。該團隊使用這項技術在血液樣本中識別乳腺癌細胞。“我們觀察細胞的形狀、大小和紋理以及其表面生物化學，”Goda 解釋說。“透過高速成像，我們可以分辨出癌細胞往往比白細胞或紅細胞更大。而且我們知道，與紅細胞和白細胞相比，癌細胞的形狀是不規則的。”
研究人員目前正在對乳腺癌、肺癌、胃癌、前列腺癌和腸癌患者的血液樣本進行臨床測試。Goda 說，從長遠來看，他們希望快速診斷出其他型別的癌症，包括 卵巢癌 和 胰腺癌，這些癌症傳播迅速，需要早期檢測才能讓患者生存。Goda 最近被任命為東京大學的化學教授，但他將繼續與加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 進行研究。他補充說，相對無創的血液測試將鼓勵人們經常進行篩查。
首次血液檢測 這種血液測試 可以為乳房 X 光檢查和其他影像學檢查以及痛苦的活組織檢查提供更安全、更準確的替代方案。MRI 和計算機斷層掃描 (CT) 掃描可以有效地發現較大的腫瘤，但 當腫瘤被發現時，患者的預後通常很差。
市場上已經有一種診斷工具用於識別和計數血液樣本中的迴圈腫瘤細胞 (CTC)，但它並未針對早期檢測進行最佳化。美國食品和藥物管理局 (FDA) 於 2004 年批准了強生公司 Veridex 部門生產的 CellSearch 系統，用於識別和計數 轉移性乳腺癌患者 中的迴圈腫瘤細胞 (CTC)。此後，FDA 已批准 CellSearch 用於指導 轉移性前列腺癌和結直腸癌的治療。去年，強生公司表示將 投資 3000 萬美元與馬薩諸塞州總醫院合作，以進一步開發 CellSearch。
美國國家科學基金會 (NSF) 專案主管 Leon Esterowitz 表示，儘管進行了這些計劃中的升級，“加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 的工作有望成為目前可用技術的進步。” CellSearch 主要用於檢查癌症治療的進展，而加州大學洛杉磯分校 (U.C.L.A.) 的成像技術可以在更早的階段（在癌細胞形成新腫瘤之前）發現癌細胞。“他們大大提高了強生等公司正在使用的技術的靈敏度和速度，”Esterowitz 說。
紐約市威爾康奈爾醫學院和伊薩卡康奈爾大學工程學院的研究人員也在開發一種癌症血液測試，儘管他們的測試使用“幾何增強差異免疫捕獲”(GEDI) 矽晶片，該晶片可以識別和收集患者血液樣本中的癌細胞。研究人員在 2012 年 4 月的《公共科學圖書館·綜合》(PLoS ONE) 雜誌 上描述了他們的工作，他們表示，該晶片在一個裝置中工作，該裝置可以確定患者何時因轉移性前列腺癌而出現高濃度的罕見癌細胞。與 CellSearch 一樣，GEDI 將用於確定患者化療的療效，而不是尋找早期癌細胞。
巨大的考驗
Esterowitz 指出，所有這些血液測試僅在細胞癌變後才有效。他指出，西北大學的一個專案旨在 照亮癌前細胞。西北大學的研究人員正在奈米級（而不是微米級）分析組織，以找出細胞核大大擴張或顯示其他可能預示即將發生惡性腫瘤的不規則性的細胞。
西北大學的方法由生物醫學工程師 Vadim Backman 領導，包括將光照射到患者體內或從患者體內取出的組織上。研究人員使用顯微鏡和光譜學的組合來檢查光的反射方式。Backman 說，反射的波動表明取樣組織微分子密度可能存在異常，並可能標記不健康細胞的存在。
“過去的大部分精力都集中在研究癌細胞和腫瘤本身，但我們現在關注的是腫瘤之前發生的事情，”Backman 說。“腫瘤只是冰山一角。我們想看看水線以下的部分。”
Backman 和他的團隊聲稱已經對 2000 名患者進行了技術測試，準確率很高。下一步是開發可商業化的緊湊、易於使用的版本，然後進行更多測試以獲得 FDA 批准，從而成為更有效的癌症早期預警系統。