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人工智能“验血”,全新角度检测癌症

来源:学术经纬 发布时间: 2020-03-13 10:19:55 编辑:Emily

导读:顶尖学术期刊《自然》今天上线了一项有关癌症诊断的重要研究。

顶尖学术期刊《自然》今天上线了一项有关癌症诊断的重要研究。来自加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的科学家,训练人工智能从血液中鉴定来自微生物的线索,不仅可以识别出癌症,还能对不同类型的癌症做出区分。研究机构评价说,这项新的诊断工具,“可能会改变人们观察和诊断癌症的方式”。

人工智能“验血”,全新角度检测癌症

我们知道,目前大多数癌症在诊断时需要进行手术活检,从可疑的肿瘤部位取出样本,并由富有经验的专家寻找某些与癌症相关的分子标记物。这样的方法耗时、昂贵,还因为是入侵式的,可能给患者带来痛苦。

正因为如此,很多科研人员正在努力开发液体活检技术,希望通过简单的验血,快速识别出特定的疾病。

现有的各种液体活检技术,检测目标大多针对我们自身的基因组,例如血液中从肿瘤脱落的DNA,或是特定的蛋白质等。而在今天要介绍的这项新技术中,研究人员另辟蹊径,让我们体内的“外来者”透露肿瘤的信息。

人工智能“验血”,全新角度检测癌症血液中既有我们自身的基因信息,也有“外来者”的基因信息(图片来源:Pixabay)

世界上几乎各个角落都有细菌、病毒等微生物的存在,人体内也不例外。事实上,常驻人体的微生物数量远超我们自己的细胞数量,它们的核酸片段(DNA或RNA)经血液游荡在我们全身。

近年越来越多的研究证据开始显示,人体微生物对多种类型的肿瘤有“贡献”。就以微生物最丰富的部位肠道为例,学术经纬在过去也和读者朋友们介绍过多项研究,有些肠道细菌可能引发结直肠癌,还可能通过免疫系统影响肝癌的发生、诱发白血病,等等。

正在UCSD医学院攻读博士的Gregory Poore和他的导师Rob Knight教授也注意到了细菌、病毒和癌症的关系,并且猜想,这些微生物在癌症中起的作用或许比现在所知的更大。“以前的癌症研究工作大多假设肿瘤是在无菌环境,而忽略了人的癌细胞与细菌、病毒以及其他生活在人体的微生物可能有复杂的相互作用。”Knight教授说。

人工智能“验血”,全新角度检测癌症抽一管血,检测是否患癌以及什么癌症,实现这样的目标或许并不遥远(图片来源:MacDill Air Force Base,https://www.macdill.af.mil/News/Photos/igphoto/2000056194/)

于是,他们有了一个全新而大胆的思路:分析血液中来自微生物的遗传物质,可以根据其特征模式来识别体内的肿瘤吗?

研究人员第一步通过已有的人类肿瘤样本,来确认癌症相关的微生物核酸特征。他们从美国国家癌症所“癌症基因组图集”数据库(TCGA)获得了大约18000份样本,对其全基因组数据(DNA序列)和全转录组数据(RNA序列)重新检查。这些样本涵盖了33种癌症、10000多个病例,包括原发性和复发性肿瘤以及转移扩散的肿瘤,既有肿瘤组织也有相邻组织和血液样本。

从几千份样本中找到独特的微生物特征后,研究人员把工作交给了人工智能,训练机器学习模型来挖掘大量数据,把特定的微生物序列特征与特定的癌症相匹配。

为了尽量避免在样本采集、测序等各个步骤中可能存在的微生物污染问题,研究人员对数据集做了严格的生物信息学过滤。而且,在癌症3期、4期的数据从数据集中去除后,发现模型依然可以对许多癌症做出区分,这意味着,癌症的早期阶段就能从血液中读取出特定的微生物核酸特征。

人工智能“验血”,全新角度检测癌症在各种组织和肿瘤中都可以发现微生物的核酸片段,利用人工智能对血液中核酸片段的特征进行识别(参考资料[2])

接下来,要让这套AI模型在真实世界中接收检验。来自UCSD Moores癌症中心的合作者提供了包括前列腺癌、肺癌和黑色素瘤等100名患者的样本,让AI对每份血浆中的微生物核酸特征进行鉴定,并与69名健康无癌个体的血样进行比较。

分析取得了令人欣喜的结果,机器学习模型不仅可以区分患癌和无癌的样本,还相当擅长区分不同类型的癌症:以86%的敏感性识别出肺癌患者,对于无肺部疾病的个体没有出现假阳性报告,并且以81%的准确率区分出前列腺癌和肺癌。

“只要一管血,就能够全面了解肿瘤细胞的DNA和患者微生物群的DNA,可以说,我们迈出了重要的一步,来更好地理解癌症中宿主-环境的相互作用。”这项研究的共同负责人、肿瘤学家Sandip Pravin Patel博士说。他相信,如果这项研究结果能经过未来的检验,“可能会对癌症患者的诊疗和癌症早诊有重要影响”。

人工智能“验血”,全新角度检测癌症《自然》同时发表了评论,对这项研究给出积极评价(图片来源:Nature.com)

当然,作为一项早期的概念验证研究,这种检测方法要应用到临床还需要做大量工作,而我们对微生物在人体中的作用、在肿瘤微环境中的作用也还有许多需要回答的问题。正如研究者所言,“这只是研究血液微生物群和癌症相互作用的开始”。但随着新认识的积累,我们期待一条全新的治疗途径在脚下展开。