向大自然學習:動物輔助癌症診斷


文/洪晨瑋 圖/胡睿珊


在先前的《白老鼠》系列中,我們談了不少和癌症相關的治療方法與機制。誠然,治療方法非常重要,但是疾病的診斷也是醫學研究關注的焦點。大部分醫師都認為癌症是「及早發現就能及早治療,增加存活率或年限」的一種疾病,但醫師們以現有的技術,想在癌症早期偵測到病患罹癌的證據依然非常具有挑戰性,沒有診斷出癌症,治療再進步都沒有用。近十年來,有許多非侵入性的檢測方法正在發展,本期文章就要帶大家了解其中一類檢測方法:高揮發性有機化合物(Volatile organic compounds,縮寫VOC)檢測。

癌症獨特的「氣味」?

  人體內的生化代謝途徑繁複至極,身體代謝營養後的高揮發性產物可能因為進入血液,再透過血液經肺泡而擴散進入我們呼出的氣體中。也就是說,我們可以透過分析一個人呼出的氣體組成比例和差異反推這個人的某些生理狀態。例如,有研究針對女性乳癌病患進行量測,並利用氣相色層分析儀、質譜儀等高精密度化學儀器分析,發現這些病患呼出的氣體中脂質代謝產物:環烷類分子濃度偏高,和健康人有明顯的差異。作者們因此推測此現象或許和乳癌患者體內固醇代謝酵素活性較高有關 [1]。另也有文獻指出肺癌與慢性肺阻塞(Chronic obstructive pulmonary disease,縮寫COPD)患者尿液中VOC的組成也和健康人有所差異[2]。雖然不同癌症患者的氣味標記不甚相同,但就理論而言,這些氣味分子確實是癌症非侵入性偵測的良好指標之一。 然而,現有偵測微量氣體分子儀器的臨床操作不易,且化學分析方法還有樣品前處理要求嚴格、耗時長等不便之處,所以科學家們為了達成較快速及方便的檢測,將目光轉移到了我們身邊嗅覺良好的動物,其中之一就是狗的身上。曾有研究訓練狗辨認試管內黑色素瘤組織的氣味,並發現7名受測病患的樣本大多可以引發犬隻的辨認反應[3]。但是就該研究而言,狗對癌症侵襲程度較輕的組織,辨認反應也可能較不明顯。作者們認為這套方式雖然沒有辦法區分患者所罹患皮膚癌的種類,但確實有繼續發展量化以及更嚴謹實驗證明「狗能聞到癌症的氣味」的可能性。

偵測的好幫手:線蟲

  運用狗來進行癌症早期檢測在臨床上相較儀器分析簡便,但仍因訓練期長、檢驗精準度受犬隻情緒影響等特性而有所侷限。由於不同文獻呈現的結果不盡相同,科學界目前也還在爭論犬隻檢測癌症的可信度。因此,科學家試圖採用其他生物作為材料,測試它們對於癌症氣味分子偵測的能力,以克服精準度和不便性的缺點。秀麗隱桿線蟲(C. elegans)大約只有1 mm大,而且是生物醫學研究領域重要的模式生物之一,許多生理機制和結構都已被研究透徹,因此是個適當的操作材料。在2015年有日本科學家發表以它作為檢測方法的論文[4]。這份研究發現:相較於新鮮的細胞培養基,曾經培養過癌細胞的培養基能夠吸引線蟲靠近,而且就算培養基被稀釋了1百萬倍依然能夠誘發線蟲明顯的趨化反應。若用以檢測直接從癌症患者身上抽取的尿液,則稀釋10倍的尿液依然能有效診斷,且準確率達95%。作者們後續進行神經活性相關的分析,並確認線蟲的AWA、AWC兩個嗅覺神經元的活化會讓線蟲趨向癌症患者的尿液,ASH、AWB兩個嗅覺神經元的活化則會使線蟲避開健康的尿液,未來或許直接觀察線蟲的神經元會成為更直接和精確的量測技術。總結而言,經歷將近十年的研究和發展,藉由動物檢測癌症,相關VOC的技術已經顯示出不少優於傳統化學檢測法之處,而且相關機制也越來越明朗。讓我們一起期待未來身邊可愛的動物為你正確檢測癌症的那一天吧。



讀完本期懶人包,你應該要知道:

  1. 高揮發性分子檢測癌症的原理基礎

  2. 利用狗進行癌症氣味檢測的研究成果與優缺點

  3. 以線蟲為材料的癌症氣味檢測實驗方法與其優缺點

參考資料 [1] Phillips, M., Cataneo, R. N., Saunders, C., Hope, P., Schmitt, P., & Wai, J. (2010). Volatile biomarkers in the breath of women with breast cancer. Journal of breath research, 4(2), 026003. [2] Hanai, Y., Shimono, K., Matsumura, K., Vachani, A., Albelda, S., Yamazaki, K., ... & Oka, H. (2012). Urinary volatile compounds as biomarkers for lung cancer.Bioscience, biotechnology, and biochemistry, 76(4), 679-684. [3] Pickel, D., Manucy, G. P., Walker, D. B., Hall, S. B., & Walker, J. C. (2004). Evidence for canine olfactory detection of melanoma. Applied Animal Behaviour Science, 89(1-2), 107-116. [4] Hirotsu, T, Sonoda, H, Uozumi, T, Shinden, Y, Mimori, K, Maehara, Y. & Hamakawa, M. (2015) A highly accurate inclusive cancer screening test using Caenorhabditis elegans scent detection. PloS one, 10(3).

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