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可用于筛查肺癌的新型呼吸分析仪

中国重庆大学的研究者们研发出了一种基于荧光效应的高敏感呼吸分析仪,它可以迅速地从人体呼吸气体中识别出与癌症相关的挥发性有机化合物—这种生物标记只有在罹患肺癌的病人呼出气体中才能存在。


研究者们的这项工作于本周发表在由美国物理联合会出版的《科学仪器评论》中,研究证明了该仪器可用于肺癌早期筛查的潜力,并有望成为一种安全有效的方法挽救更多人的生命。


据研究者们所说,实验结果是很令人振奋的, 但该仪器要被推广成为诊断工具,仍需经过临床实验证实其有效性。


"结果表明该仪器可以用来分辨与癌症有关的挥发性有机化合物的种类和浓度,准确率近100%,"雷靳灿说,他是重庆大学光电工程学院的一名博士后,同时也是该研究的主要研究者。"这也是一种非常快捷的方法,实验表明整个检测过程只需20分钟。"


该仪器是由一种小巧的圆盘状荧光交叉响应探测器阵列,一个特殊设计的旋转式反应气室和一套数据搜集处理系统组成,它可以在很低浓度的状态(低于50ppb)下探测到与肺癌相关的气体, 由此显示出其具有早期诊断癌症的能力,雷博士说。ppb是一个用来描述超低浓度污染物的科学单位,1ppb可以想象成将一小撮盐放入10吨薯片中的浓度。


“如果有了与肺癌相关联的所有气体的荧光谱图数据库,那么通过对比,该仪器可以用来识别和量化人体呼出气体中的肺癌标志性气体成分。”该研究组的带头人侯长军说,他同时也是重庆大学生物工程学院的教授。“这样就可能制作出一个简单,快捷的呼气分析器用来进行肺癌的早期诊断。”


一种普遍的癌症


根据世界卫生组织的报道,肺癌是全世界最普遍的癌症之一,2012年世界范围内有180万新增病例和160万死亡率。据美国疾病预防控制中心的数据表明,在过去的15年内美国每年的肺癌死亡人数已稳定上升到2014年的159,260人,并且女性的死亡率还在持续上升。部分原因是因为肺癌是一种致死的癌症,因此即使每年有更多的美国人被诊断出乳腺癌或者前列腺癌,但肺癌的死亡率要远高于其他两类。


避免癌症死亡的重要的方法是癌症筛查,在病情还可治疗的时候及早发现及早就医。目前已经有一些癌症筛查技术,但仍然需要更安全有效的方法来挽救更多人的生命。


目前医生用CT扫描来早期诊断肺癌,该方法的确降低了有长期吸烟史的肺癌病人的死亡率。但对于还处于早期萌芽状态的肺癌,并没有一种简单,有效且安全的方法进行癌症筛查,雷博士说。


据雷博士所述,大量的研究表明罹患肺癌的病人的呼出气体中存在一些具挥发性的有机化合物,这些化合物源于不饱和脂肪酸在癌症发生过程中的氧化,因此可以被用来当作生物标记来识别癌症。


据此,侯教授的研究团队设计和制造了这种探测癌症气体的仪器,其核心部分是一个直径约50毫米的圆盘,被称为荧光交叉响应传感器阵列。这种圆盘是由一次性材料制成,上有35个化学反应点均匀地分布在圆盘的边沿。这些反应点内放置了七种实验室合成的敏感物质(卟啉及其衍生物)作为传感元素。


当传感器接触到被分析物或挥发性有机化合物时,传感元素会与它们发生化学反应,其荧光效应也会发生变化。通过收集和对比反应前后传感器的荧光光谱,研究者们最终可获得每种分析物的特征响应光谱。


侯教授说该系统的工作原理是基于荧光交叉响应机制,也就是说实验得到的荧光光谱所反映的不是某一个传感元素和被分析物的相互作用,而是整个传感盘与被分析物综合的相互作用,这样的综合荧光光谱就像是被分析物的特征“指纹”,能够对被分析物起到很好的识别作用。


在研究人员的实验中, 雷博士和他的同事选择了四种和肺癌有关的有机挥发物,包括对二甲苯,苯乙烯,异戊二烯和己醛, 并将它们通入特制的旋转式气体反应室以均匀地和传感元素接触。然后再用包含三种不同激光波长的光源照射传感器激发荧光效应,最后数据处理器生成每种气体的特征响应谱图。通过提取谱图中的特征矩阵并和已有的荧光谱数据库对比,研究者们便可识别并量化特定的气体。


“实验表明荧光交错反应传感器能精确地分辨出与癌症相关的气体,可分辨的气体浓度范围从50ppb到500ppb。”雷博士说,这也意味着该方法或可用来分期癌症。


研究人员接下来打算对该技术做进一步的改善,并计划建立一套完整的与肺癌相关的气体荧光谱库。


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