虽(sui)然我知道癌症(zheng)(zheng)转移很(hen)厉害(hai),90%的癌症(zheng)(zheng)死亡是转移导致的。

  但(dan)是(shi),当我看(kan)到最新一期《细胞》封(feng)面(mian)展示的肺转移(yi)时,还是(shi)被数不清的转移(yi)灶(zao)震撼到了。

▲ 封面图片(肺转移):黄色是被抗体靶向的转移位点,红色是抗体漏掉的转移位点▲ 封面图片(肺转移):黄色是被抗体靶向的转移位点,红色是抗体漏掉的转移位点

  你没(mei)看错(cuo),上面那些形状(zhuang)不规(gui)则、大小不一的(de)小点(dian)点(dian),就(jiu)是小鼠(shu)肺里(li)面的(de)癌症转移灶。其中黄色的(de)是被(bei)抗体药物结合的(de)肿(zhong)瘤,红色的(de)是被(bei)抗体药物漏掉的(de)肿(zhong)瘤。

  是的,即使是被寄予厚望(wang)的抗体药物(wu),也(ye)不(bu)能打入所有的转(zhuan)移灶。也(ye)就(jiu)是说,治疗总会有漏网之鱼。

  我们(men)今天能清晰地看清楚癌症在(zai)肺部形成(cheng)的转移灶,甚至是(shi)单个(ge)癌细胞形成(cheng)的转移位(wei)点(dian),这得(de)感(gan)谢德国组织工程和再生医(yi)学研究(jiu)所的科学家(jia)们(men)。

▲ 肺癌转移动图(红色的是小肿瘤)▲ 肺癌转移动图(红色的是小肿瘤)

  在Ali Ertürk教授的带(dai)领下(xia),中国青年科(ke)学(xue)家潘晨琛(chen)博(bo)士在一个(ge)叫vDISCO的成(cheng)像(xiang)黑科(ke)技的基础上(shang),开(kai)发了一个(ge)能处理3D影像(xiang)的DeepMACT的人工智能算(suan)法[1]。

  有了这两套技(ji)术(shu)(shu),科(ke)(ke)学(xue)家就可以在小鼠体内(nei)找(zhao)到(dao)转(zhuan)移(yi)到(dao)全身各处的转(zhuan)移(yi)位点(dian)。与之(zhi)前的技(ji)术(shu)(shu)相比,这个(ge)(ge)技(ji)术(shu)(shu)平台首次(ci)让科(ke)(ke)学(xue)家得(de)以看到(dao)单个(ge)(ge)癌细(xi)胞形成的转(zhuan)移(yi)位点(dian)。

  更(geng)厉害的是,这个技术平(ping)台还能(neng)显示(shi)出(chu)哪些转(zhuan)移位(wei)点(dian)已经被(bei)抗体(ti)药物(wu)结合了(le),哪些被(bei)漏(lou)掉了(le)。让研究人员(yuan)吃惊的是,竟然(ran)有23%的转(zhuan)移位(wei)点(dian)被(bei)抗体(ti)药物(wu)漏(lou)掉,这或许也(ye)是癌症容易复(fu)发(fa)的原(yuan)因之一。

  这项开创性的研究(jiu)成果,以《细胞》封面文(wen)章的形式发(fa)表,共(gong)同第一(yi)作(zuo)者是潘晨(chen)琛、Oliver Schoppe和(he)Arnaldo Parra-Damas。

▲ 潘晨琛(右三)和Ali Ertürk教授(右四)▲ 潘晨琛(右三)和Ali Ertürk教授(右四)

  在(zai)介绍研(yan)究(jiu)内容之前(qian),我们还是有必要一(yi)起来(lai)了解一(yi)下研(yan)究(jiu)背景。

  研究背景——现有技术不行

  我(wo)们都知道,癌(ai)(ai)症是数一数二的杀手。而(er)癌(ai)(ai)症导致(zhi)的死亡(wang),90%与转移有关。因此,全(quan)面(mian)了解癌(ai)(ai)症在全(quan)身转移的状况,对(dui)于(yu)抗癌(ai)(ai)药(yao)物研发的重要(yao)性(xing)可想而(er)知[2]。

  然而(er),由于(yu)技术本(ben)身的(de)(de)限(xian)制,目前(qian)的(de)(de)检测手段(例如,生物发光(guang)和(he)MRI等)的(de)(de)分(fen)(fen)辨率非(fei)常有(you)(you)限(xian),很难对癌症转移(yi)的(de)(de)情况(kuang)做全(quan)面的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)。尤其是散(san)落在身体各处(chu)只有(you)(you)一个癌细胞的(de)(de)转移(yi)位点,当前(qian)的(de)(de)手段根本(ben)就(jiu)发现不了。还有(you)(you)个限(xian)制是,即(ji)使我们能获取全(quan)身的(de)(de)转移(yi)成像数(shu)据,目前(qian)的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)方法也是非(fei)常慢的(de)(de),没有(you)(you)几个月也下不来。

  在(zai)Ertürk教授的(de)团(tuan)队(dui)看来,基于(yu)当前(qian)的(de)技术平(ping)台,想全面深(shen)入地了解癌症转(zhuan)移的(de)路径和机制,是一件不(bu)可能完成的(de)事情。

  这就是(shi)他们要解(jie)决的(de)问题。

▲ 潘晨琛本尊▲ 潘晨琛本尊

  摆(bai)在他们面(mian)前的第一个问(wen)题是:如何能尽可能地找到所(suo)有的转(zhuan)移位(wei)点,哪怕是只有一个癌细胞的最小转(zhuan)移位(wei)点。

  vDISCO——能看到单个癌细胞形成的转移位(wei)点的黑(hei)科技

  这个(ge)(ge)问题(ti)难不(bu)住他(ta)们(men)。就在去年(nian)年(nian)底,潘晨琛与Ertürk教(jiao)授的(de)第一个(ge)(ge)博(bo)士生蔡瑞瑶联(lian)合(he)发明了一个(ge)(ge)叫做vDISCO的(de)成像黑科技(ji)[3]。

  有了这项技术(shu),他(ta)们可以把已(yi)(yi)经接种肿瘤,且肿瘤已(yi)(yi)经转移的(de)小鼠变(bian)成无色透(tou)明的(de)状态(tai)(具体操(cao)作方法见论文)。

▲ 你没看错,这确实是小鼠,虽然看上去特别爽口▲ 你没看错,这确实是小鼠,虽然看上去特别爽口

  vDISCO还(hai)有个绝招是,可以(yi)把(ba)癌(ai)(ai)细(xi)胞携带的(de)荧(ying)光(guang)(guang)蛋白信(xin)号增强100倍(bei)以(yi)上。这样就(jiu)可以(yi)忽略小(xiao)鼠(shu)身(shen)体的(de)荧(ying)光(guang)(guang)背(bei)景干扰(rao),不仅可以(yi)轻易看到(dao)深埋在几厘米(mi)厚(hou)的(de)组(zu)织中的(de)大型肿瘤转移位点,甚至还(hai)能(neng)看到(dao)只有一个癌(ai)(ai)细(xi)胞构成的(de)转移位点。

  在(zai)本(ben)研(yan)究中,他们采用了已(yi)经转(zhuan)入(ru)荧光基因的(de)乳腺癌细胞系。将这些特殊的(de)癌细胞移植到小鼠身上之(zhi)后,让肿瘤自由生长(zhang)、转(zhuan)移6到10周。然后将小鼠变成透(tou)明(ming)的(de)状态。

  他们首先测试了(le)vDISCO是否可(ke)以检(jian)测到(dao)只(zhi)有(you)一个癌细胞的(de)微(wei)小转移位点,并将(jiang)其与生(sheng)物发光成像(xiang)技术做了(le)个比较。

  生物发光成(cheng)像技术定(ding)位(wei)了一些大的转(zhuan)移位(wei)点(dian),但(dan)是看不到关于这个位(wei)点(dian)的实际大小和(he)形状等细节信息(xi),微小的转(zhuan)移灶根(gen)本就看不到(下图(tu)A-G)。相(xiang)较而言,vDISCO不仅能够(gou)看清(qing)楚大转(zhuan)移位(wei)点(dian)的细节,还能清(qing)晰(xi)地看到由一个癌(ai)细胞(bao)组成(cheng)的转(zhuan)移位(wei)点(dian)(下图(tu)N)。

▲ 生物发光技术与vDISCO的比较▲ 生物发光技术与vDISCO的比较

  这也是科学家首次在小鼠全身3D扫描中看到由一个癌细胞组成的转移位点

 ▲ 快看,那些红色的小点点,就是转移位点▲ 快看,那些红色的小点点,就是转移位点

  DeepMACT——能准确分析单个癌细胞转移位点的人工智能平台

  Ertürk教(jiao)授团队面临的第一个问题(ti),在他们(men)之前(qian)工作的基础上(shang),顺(shun)利地解决了。看完上(shang)面的那张动图(tu),我想你(ni)肯定(ding)已(yi)经看出(chu)来了,vDISCO成(cheng)像的数(shu)据(ju)量非常(chang)复杂(za)、非常(chang)大。

  如(ru)果用传统的方法处(chu)理这(zhei)些数据(ju)的话,据(ju)研究人(ren)员估计,需要(yao)的时间(jian)是(shi)几个(ge)月。而且,即使(shi)花了数月完成(cheng)分析,质量可能也(ye)不高(例如(ru),有可能会(hui)漏掉很(hen)多微小的转移位点)。

  为了解决这(zhei)个(ge)(ge)(ge)问题,潘晨(chen)琛等基于(yu)卷(juan)积神(shen)经网(wang)络(CNN),开发了一个(ge)(ge)(ge)叫做DeepMACT的人工(gong)智能分析平(ping)台。用DeepMACT处理vDISCO的图像数据,只需动(dong)动(dong)鼠标,在几个(ge)(ge)(ge)小时之内就(jiu)能完成(cheng)。

▲ DeepMACT的设计原理▲ DeepMACT的设计原理

  以上就是本研究(jiu)涉(she)及的两个(ge)核(he)心(xin)技术DeepMACT和vDISCO。那么它们两个(ge)“双(shuang)剑合璧”的效果究(jiu)竟如何呢(ni)。让我们接着往下看。

  首先看(kan)(kan)看(kan)(kan)乳腺癌在小(xiao)(xiao)鼠(shu)体内的微小(xiao)(xiao)转移(yi)位点。

  肺里面布满了微小转移位点

  潘晨(chen)琛等发现,除了(le)原发肿瘤灶和腋窝(wo)淋巴结的(de)(de)大(da)转(zhuan)(zhuan)移以外,还检测(ce)到520个(ge)大(da)小(xiao)(xiao)不等的(de)(de)微转(zhuan)(zhuan)移,遍及全身,其(qi)(qi)中(zhong)肺部就(jiu)有306个(ge)。而且,绝(jue)大(da)部分微小(xiao)(xiao)转(zhuan)(zhuan)移位点深埋(mai)体内(nei),距(ju)离(li)体表1厘米左右。这些小(xiao)(xiao)转(zhuan)(zhuan)移位点,其(qi)(qi)他方法基本(ben)是检测(ce)不到的(de)(de)。

▲ 转移位点的分布图▲ 转移位点的分布图

  具体到肺部的(de)(de)306个(ge)小(xiao)转(zhuan)移(yi)(yi)(yi)位(wei)点(dian)而言,它(ta)们是均匀地分(fen)布在(zai)小(xiao)鼠的(de)(de)肺叶(ye)之中,无(wu)论(lun)大(da)小(xiao),都(dou)是随机分(fen)布的(de)(de)。79%的(de)(de)微小(xiao)转(zhuan)移(yi)(yi)(yi)位(wei)点(dian)与(yu)邻(lin)居之间的(de)(de)距离在(zai)1毫(hao)米(mi)以(yi)(yi)内。也有(you)一些(xie)孤(gu)立的(de)(de)微小(xiao)转(zhuan)移(yi)(yi)(yi)位(wei)点(dian),与(yu)周(zhou)边其(qi)他位(wei)点(dian)的(de)(de)距离在(zai)9.3毫(hao)米(mi)以(yi)(yi)上(shang)。

  更重(zhong)要的(de)(de)(de)是,他们(men)发现了大量直径小于50到100微(wei)米的(de)(de)(de)超小转(zhuan)移(yi)(yi)位(wei)点(dian),它(ta)们(men)大多由几百个(ge),甚至更少的(de)(de)(de)癌细(xi)胞组(zu)成(cheng)。此外肺部微(wei)小转(zhuan)移(yi)(yi)灶(zao)的(de)(de)(de)负荷,较其他部位(wei)高出(chu)100倍(bei),而且(qie)肺部微(wei)小转(zhuan)移(yi)(yi)位(wei)点(dian)的(de)(de)(de)体(ti)积比躯干的(de)(de)(de)微(wei)小转(zhuan)移(yi)(yi)位(wei)点(dian)要大出(chu)30%左右。

  随后,他们还(hai)在(zai)肺癌(ai)和胰(yi)腺癌(ai)等模(mo)型中(zhong),验(yan)证了(le)这项技(ji)术的可(ke)靠性。

 ▲ 肺癌转移动图▲ 肺癌转移动图

  在(zai)研究(jiu)论文的(de)最后一部(bu)分,潘(pan)晨琛等用(yong)vDISCO和DeepMACT,检验了抗(kang)体药物的(de)治疗效果。

  抗体药物可(ke)能会漏掉23%的转移(yi)位点

  我们都知道,抗(kang)体药(yao)物(wu)是(shi)一(yi)种重要的(de)治(zhi)疗手段,尤(you)其是(shi)本世(shi)纪初(chu)兴起的(de)免(mian)疫治(zhi)疗,可以说是(shi)改变了(le)癌症的(de)治(zhi)疗规则。但是(shi),到目前为(wei)止(zhi),还没有(you)(you)人从(cong)全身的(de)层面,分析抗(kang)体药(yao)物(wu)的(de)分布(bu),尤(you)其是(shi)抗(kang)体药(yao)物(wu)有(you)(you)没有(you)(you)“剿灭”散布(bu)于全身各处的(de)癌细胞。

  为了(le)研(yan)究这个(ge)(ge)问(wen)题(ti),潘晨(chen)琛(chen)等选择了(le)癌细胞中的(de)碳酸(suan)酐(gan)酶XII(CA12)为治(zhi)疗(liao)靶点,对应的(de)治(zhi)疗(liao)性抗体药物为6A10[4,5]。之前已经有研(yan)究表明,这个(ge)(ge)6A10抗体可以抑制肿瘤(liu)的(de)生长[6]。只不(bu)过在(zai)本研(yan)究中,研(yan)究人(ren)员给6A10做了(le)一些(xie)修(xiu)饰,加了(le)个(ge)(ge)小尾(wei)巴,便于检测。

  在肿(zhong)瘤移植后的第9周,研究(jiu)人员给小鼠注射(she)6A10,两周后透明(ming)处理。

  总体来看,小鼠全身只有77%的转移位点能检测到6A10的存在。其中肺部的是85%,其他部位只有66%。这意味着,即使像抗体这种有靶向性,且亲和力高的药物,也会漏掉23%的转移位点

▲ 肺转移,还有很多“漏网之鱼”(红色)▲ 肺转移,还有很多“漏网之鱼”(红色)

  这背后的机制吸(xi)引了潘晨琛(chen)等的思(si)考。

  他们首先想到的(de)是,这可能与血管的(de)分(fen)布有关。毕竟药(yao)物(wu)是随着血液才能抵达(da)肿瘤的(de)。如果某个位(wei)点周(zhou)围(wei)没有血管的(de)话,抗体药(yao)物(wu)抵达(da)不了(le),也可以理(li)解。

  不(bu)过真相并不(bu)是这样。潘(pan)晨(chen)琛等(deng)发现,实际上在每个被抗体药物漏掉的转移位点(dian)附(fu)近1-6微(wei)(wei)米左(zuo)右就存(cun)在血(xue)管。这个距离甚至小于细胞的直径(jing)(10微(wei)(wei)米),这说明血(xue)管不(bu)是这个现象的主(zhu)要原因[7]。

  潘晨琛(chen)等想到的第二个原因(yin)是微环境(jing)。接下(xia)来他们(men)分析了被(bei)抗体识别位点之(zhi)间(jian)(jian),以及(ji)没(mei)有被(bei)靶向的位点之(zhi)间(jian)(jian)的距(ju)离(li)。结果(guo)显示(shi),被(bei)靶向的位点之(zhi)间(jian)(jian)最近距(ju)离(li)约0.8毫米,那些没(mei)有被(bei)靶向的位点之(zhi)间(jian)(jian)最近距(ju)离(li)在1.7-2毫米之(zhi)间(jian)(jian)。

  基于(yu)此,他们认为(wei),是转(zhuan)移位点的微(wei)环境(jing)影响了抗体药物的效率。当然,具体机制还有待进一步研究。

 ▲ 肺转移,有很多“漏网之鱼”(红色)▲ 肺转移,有很多“漏网之鱼”(红色)

  “之前的(de)成像技术是无法检测到转移(yi)位(wei)点的(de)这(zhei)些特征的(de),DeepMACT是第(di)一种(zhong)能(neng)对全(quan)身(shen)转移(yi)位(wei)点做定量(liang)分析的(de)方(fang)法。”潘晨琛说(shuo)[8],“而且,我们(men)开发的(de)这(zhei)种(zhong)方(fang)法还能(neng)让我们(men)更好(hao)的(de)了解抗体药物(wu)的(de)靶向(xiang)性。”

  确实如此,潘晨琛博士等开(kai)发的这项技术,让我们(men)深入地认识了(le)癌症转(zhuan)移(yi)的凶险(xian)。在体积(ji)那么(me)小(xiao)(xiao)的小(xiao)(xiao)鼠体内竟(jing)然(ran)有500多(duo)个微小(xiao)(xiao)转(zhuan)移(yi)位(wei)点,换(huan)做是人类的话,真(zhen)是不敢想象。

  基(ji)于这(zhei)项技术,科(ke)学(xue)家不仅可以更(geng)好的了解(jie)不同癌症的转(zhuan)移特征(zheng),还能筛选出靶向效(xiao)果更(geng)好的抗体(ti)药(yao)(yao)物。这(zhei)无(wu)论是对于癌症转(zhuan)移的基(ji)础研(yan)究,还是抗癌新药(yao)(yao)的研(yan)发,都有非常(chang)大的使(shi)用价值(zhi)。

  目(mu)前,DeepMACT是(shi)对外(wai)开放的(de),所有(you)的(de)科(ke)学家(jia)都可(ke)以使(shi)用(yong)。“现在抗(kang)癌(ai)新药(yao)的(de)研发成功率只有(you)5%左右,DeepMACT或许可(ke)以改善药(yao)物研发过程,帮助科(ke)学家(jia)找到(dao)更强大的(de)抗(kang)癌(ai)药(yao)。挽救更多的(de)生命。”Ertürk教授说[8]。