澳大利亞拉籌伯大學的科學家研發的納米玻片。

根據美國癌症研究所的一項統計，近40%的人在一生中的某個時間會被診斷出患有癌症。世界衛生組織2020年的一份報告則指出，全世界2020年有近1000萬人死于癌症。這樣高的患病率和死亡率不僅給患者和患者的家人帶來了無盡的痛苦，也給社會帶來了極大的經濟負擔：癌症每年給全世界帶來的經濟損失超過了1萬億美元。

但很多癌症并不是不可治愈的，如果能夠早發現早治療，早期乳腺癌、宮頸癌等癌症患者的長期存活率可以很高。因此，精準、靈敏的診斷技術就顯得尤為重要。

澳大利亞拉籌伯大學的科學家近日在國際著名學術刊物《自然》上發表了一項新研究，介紹了他們基于納米技術發明的一種玻片。這種玻片跳脫出了傳統病理切片通過染色來辨識癌變組織的窠臼，利用健康組織和癌變組織物理特征上的差異來診斷癌症，不僅操作簡單，而且靈敏度高、通用性強，未來還有希望被應用到其他的領域。

魚與熊掌

在傳統的病理檢查中，檢查人員會把病人的組織切成非常薄的切片（4~5微米，1微米=0.001毫米），然後在顯微鏡下觀察組織是否有異常。但在被切得如此薄的情況下，組織已經幾乎完全透明，在顯微鏡下即使觀察組織和細胞都相當困難，更不要說尋找組織可能的異常之處了。因此，為了解決這個問題，切片往往需要被染色。

一類染色方法是把細胞的“輪廓”染出來，檢查人員通過觀察細胞的形态特征來判斷組織是否正常。比如，一種被廣泛使用，叫作H &E染色法的方法就是利用了這種原理：染色使用了兩種染料，一種把細胞内的核酸染成紫藍色，另一種把細胞質和細胞外的成分染成紅色。接受過訓練的專業人員通過觀察染色結果，就能判斷組織是否正常。但這類方法也有缺點，并非十全十美。一方面，不同的細胞和組織對染料的吸附性有強有弱，并不是所有的細胞和組織使用這種方法染色都能産生足夠強的反差。另一方面，把細胞的形态作為判斷标準，就意味着帶有一定程度的主觀性，兩個不同的檢查人員觀察同一張切片，可能得出完全不同的結論。此外，如果組織病變（比如癌變）還處于非常早期，那麼細胞的形态異常很可能還不明顯，容易錯失早發現的良機。

另一類方法利用了免疫學的原理。以癌症的診斷為例，這種方法通過帶有熒光基團的抗體來結合癌變組織的标志物，從而讓癌變的細胞在顯微鏡下發出熒光。但這類方法一方面操作起來流程繁瑣，另一方面針對不同種類的癌症，有可能需要使用針對不同标志物的試劑。

這些方法都以染色為着眼點，但都有各自的缺陷，簡單、快速、靈敏和普遍性等優點很難兼得。

“翻譯”色彩的玻片

在這項新的研究中，澳大利亞拉籌伯大學的科學家徹底放棄了化學染色的方法，而是基于納米技術，把不同組織物理特性上的差異“翻譯”成不同的顔色。

這種方法利用了納米光學中的一個現象：如果一張金屬薄膜上周期性地分布有一些納米孔洞，當光穿過這些孔洞照射到緊貼在金屬膜上的電介質标本上時，透射過标本的光的波長會發生一定的變化。根據這個現象，一個合理的猜想是如果正常的組織和病變的組織之間在介電性上有相當程度的差别，那麼光穿過它們時波長的變化程度将會有充分的不同，從而在顔色上足以将兩者區分開。

基于這種猜想，拉籌伯大學的科學家設計制造了一種納米玻片。與普通的玻片相比，這種玻片在玻璃上鋪了一層150納米（1納米=10^-9米）厚的銀箔，并且銀箔上用一種光刻技術刻出了很多規則分布的納米孔洞，孔洞的直徑約為160納米，孔洞與孔洞間的距離約為450納米。銀箔上還覆蓋了一層生物相容性的塗層，除此之外，這種納米玻片和普通的玻片沒有任何不同。制備标本時隻需要像普通玻片一樣，把切下的組織貼到玻片上就行了。

為了驗證這種納米玻片是否能夠真像猜想的那樣無須染色就能區分不同的标本，研究人員把70納米厚的樹脂聚合物切片作為标本，分别貼在納米玻片和普通玻片上，然後在光學顯微鏡下觀察。在普通玻片上，一片透明，幾乎什麼也看不到。而在納米玻片上，沒有被染過色的樹脂标本變成了藍紫色，周圍的空氣則是綠色，兩者之間出現了強烈的顔色反差，邊界清晰可見。更進一步的概念驗證實驗發現，标本上非常微小的差異（比如兩個區域厚度相差3納米）都能被這種納米玻片“翻譯”并“放大”成顔色上的反差，在顯微鏡下用肉眼就能觀察到。

識别癌症的色彩

在用非生物标本初步證實這種納米玻片可能有效後，研究人員把它們投入到了實戰檢驗中。他們首先用這種玻片研究了一種乳腺癌模型小鼠的組織。這種小鼠會在大約50天内經曆乳腺增生、乳腺上皮内瘤樣病變、侵襲性病變的過程，非常有利于評估納米玻片在乳腺癌的不同階段的診斷能力。另一方面，在這些小鼠病變的乳腺組織中，一種叫作Ki-67蛋白的腫瘤分子标記物的量非常高，在正常組織中則很低。因此Ki-67蛋白的水平可以作為一個參考，用于評估基于納米玻片的診斷是否準确。

以這種納米玻片為載具，在顯微鏡下，小鼠癌變組織與健康組織之間在顔色上出現了非常明顯的差異，即使是沒有接受過專業訓練的人，也能看出癌變組織的顔色更藍更深。識别癌變組織的工作甚至還可以數字化，使用專業的軟件，通過顯微鏡照片上每個像素點的色相、飽和度、亮度值，研究人員用數字化的方法就得出了切片的病理分析結果。當把這些分析結果與專業的病理分析師根據Ki-67蛋白的分析結果得出的結論比較時，研究人員發現兩者有很好的相關性，這在一定程度上可以說明這種納米玻片能夠用于診斷乳腺癌。

但疾病模型的複雜程度往往遠不如現實中的癌症，這也正是疾病模型被作為研究工具的原因之一：把問題簡化，摒除掉一些次要因素，以便研究者更容易找到導緻疾病的關鍵原因和治療方法。因此，評判這種納米玻片敏感性和準确性的最高标準，還是直接用人的癌症組織來驗證。

研究人員從一項回顧性研究隊列中選取了24名病人的組織樣本。由于是回顧性研究隊列，所以這些病人的組織樣本此前都用不止一種方法做了病理檢查，确認了病人是否患有癌症。24名病人中有6人完全正常，有6人有乳腺普通型導管增生，有6人有乳腺導管原位癌，另有6人有侵襲性的乳腺癌。這其中乳腺普通型導管增生通常被認為是一種良性的上皮增生，多數情況下認為其并非癌前病變。而乳腺導管原位癌則是乳腺癌的一種早期形式，沒有侵襲性，因此這個階段也常常被稱為零期（Stage 0）或者癌前期（pre-cancerous）。

科學家用這24份組織制備了切片标本，分别貼在普通玻片和納米玻片上。對于貼在普通玻片上的标本，研究人員首先用H&E染色法染色，然後在顯微鏡下觀察。對于貼在納米玻片上的标本，則直接在顯微鏡下觀察。由于正常組織和侵襲性癌症組織之間在細胞形态上已經有非常大的差異，因此在顯微鏡下，經過H&E染色的兩種組織能夠被非常輕松地區分開。同樣的，未經染色，直接貼在納米玻片上的這兩種組織即使是沒有接受過專業訓練的普通人，也能明顯看出差别。

真正的考驗往往是低級别（很早期）的導管原位癌，這類組織與正常組織之間的差異可能非常小，因此即使是對專業的病理檢查人員，H&E染色後的結果也可能拿捏不準。如果單憑這種染色法來診斷就容易發生誤診，錯失盡早發現的良機。

在普通玻片上經過H&E染色的标本情況确實如此。在顯微鏡下，普通型導管增生的組織和導管原位癌的組織之間顯得區别并不明顯。而在未經染色的納米玻片上，與普通型導管增生組織相比，導管原位癌組織的顔色明顯變深變藍了，非常易于辨識。進一步用癌症的分子标記物的免疫染色也證實了這一點：這些分子标記物的變化趨勢和納米玻片上觀察到的變化趨勢是一緻的。

納米玻片以及傳統的H&E染色觀察到的良性組織和癌變組織對比，可以看到H&E染色模式下的兩種組織細胞形态上差别不明顯，而在納米玻片(Nanoslide)上兩者的差别清晰可見。其中UDH為普通型導管增生(良性組織)，DCIS為導管原位癌。

早期診斷潛力大

基于這些結果，這項研究的作者認為，這種納米玻片不僅提供了一種比傳統的染色方法更方便、更快速的病理檢測手段，而且其辨識早期癌變組織的靈敏度也更高，未來有非常大的早期診斷應用潛力。此外，由于其原理是基于組織的物理特征來“染色”，不依賴于細胞和組織中的某種化學物質，因此其通用性也會更好，不會像基于癌症分子标記物的染色方法那樣，可能存在癌症類型的特異性。這一點在用其他組織開展的實驗中得到了證實，研究者用血管、肌肉、淋巴結、脂肪組織、神經組織等多種組織測試了納米玻片，其“染色”效果都非常好。

集中了這樣多的優點，難怪論文的作者在論文中自信滿滿地預計，這種方法未來将會找到非常廣闊的應用前景，甚至遠遠超出組織診斷的領域。另據作者介紹，拉籌伯大學已經為他們提供了更多的資金用于采購關鍵設備，這将極大地提高這種納米玻片的生産能力，可以探索更多領域的應用。

在這款納米玻片被發明之前，對組織樣本的染色往往隻能使用一兩種染料，這導緻染色效果的區分度可能有限，這項研究的一位作者在接受媒體采訪時将其比作就像在看黑白電視，并說這款納米玻片大大增強了組織之間的反差，就像一下子進入了彩色電視的時代，讓人看到了癌變組織的色彩。對于這種效果，這項研究的另一名作者的評價是：“有史以來第一次，我看到癌細胞像要從屏幕裡蹦出來了一樣。”

南方周末特約撰稿 陳彬

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