“癌细胞像要从屏幕里蹦出来”

澳大利亚拉筹伯大学的科学家研发的纳米玻片。

根据美国癌症研究所的一项统计，近40%的人在一生中的某个时间会被诊断出患有癌症。世界卫生组织2020年的一份报告则指出，全世界2020年有近1000万人死于癌症。这样高的患病率和死亡率不仅给患者和患者的家人带来了无尽的痛苦，也给社会带来了极大的经济负担：癌症每年给全世界带来的经济损失超过了1万亿美元。

但很多癌症并不是不可治愈的，如果能够早发现早治疗，早期乳腺癌、宫颈癌等癌症患者的长期存活率可以很高。因此，精准、灵敏的诊断技术就显得尤为重要。

澳大利亚拉筹伯大学的科学家近日在国际著名学术刊物《自然》上发表了一项新研究，介绍了他们基于纳米技术发明的一种玻片。这种玻片跳脱出了传统病理切片通过染色来辨识癌变组织的窠臼，利用健康组织和癌变组织物理特征上的差异来诊断癌症，不仅操作简单，而且灵敏度高、通用性强，未来还有希望被应用到其他的领域。

鱼与熊掌

在传统的病理检查中，检查人员会把病人的组织切成非常薄的切片（4~5微米，1微米=0.001毫米），然后在显微镜下观察组织是否有异常。但在被切得如此薄的情况下，组织已经几乎完全透明，在显微镜下即使观察组织和细胞都相当困难，更不要说寻找组织可能的异常之处了。因此，为了解决这个问题，切片往往需要被染色。

一类染色方法是把细胞的“轮廓”染出来，检查人员通过观察细胞的形态特征来判断组织是否正常。比如，一种被广泛使用，叫作H &E染色法的方法就是利用了这种原理：染色使用了两种染料，一种把细胞内的核酸染成紫蓝色，另一种把细胞质和细胞外的成分染成红色。接受过训练的专业人员通过观察染色结果，就能判断组织是否正常。但这类方法也有缺点，并非十全十美。一方面，不同的细胞和组织对染料的吸附性有强有弱，并不是所有的细胞和组织使用这种方法染色都能产生足够强的反差。另一方面，把细胞的形态作为判断标准，就意味着带有一定程度的主观性，两个不同的检查人员观察同一张切片，可能得出完全不同的结论。此外，如果组织病变（比如癌变）还处于非常早期，那么细胞的形态异常很可能还不明显，容易错失早发现的良机。

另一类方法利用了免疫学的原理。以癌症的诊断为例，这种方法通过带有荧光基团的抗体来结合癌变组织的标志物，从而让癌变的细胞在显微镜下发出荧光。但这类方法一方面操作起来流程繁琐，另一方面针对不同种类的癌症，有可能需要使用针对不同标志物的试剂。

这些方法都以染色为着眼点，但都有各自的缺陷，简单、快速、灵敏和普遍性等优点很难兼得。

“翻译”色彩的玻片

在这项新的研究中，澳大利亚拉筹伯大学的科学家彻底放弃了化学染色的方法，而是基于纳米技术，把不同组织物理特性上的差异“翻译”成不同的颜色。

这种方法利用了纳米光学中的一个现象：如果一张金属薄膜上周期性地分布有一些纳米孔洞，当光穿过这些孔洞照射到紧贴在金属膜上的电介质标本上时，透射过标本的光的波长会发生一定的变化。根据这个现象，一个合理的猜想是如果正常的组织和病变的组织之间在介电性上有相当程度的差别，那么光穿过它们时波长的变化程度将会有充分的不同，从而在颜色上足以将两者区分开。

基于这种猜想，拉筹伯大学的科学家设计制造了一种纳米玻片。与普通的玻片相比，这种玻片在玻璃上铺了一层150纳米（1纳米=10^-9米）厚的银箔，并且银箔上用一种光刻技术刻出了很多规则分布的纳米孔洞，孔洞的直径约为160纳米，孔洞与孔洞间的距离约为450纳米。银箔上还覆盖了一层生物相容性的涂层，除此之外，这种纳米玻片和普通的玻片没有任何不同。制备标本时只需要像普通玻片一样，把切下的组织贴到玻片上就行了。

为了验证这种纳米玻片是否能够真像猜想的那样无须染色就能区分不同的标本，研究人员把70纳米厚的树脂聚合物切片作为标本，分别贴在纳米玻片和普通玻片上，然后在光学显微镜下观察。在普通玻片上，一片透明，几乎什么也看不到。而在纳米玻片上，没有被染过色的树脂标本变成了蓝紫色，周围的空气则是绿色，两者之间出现了强烈的颜色反差，边界清晰可见。更进一步的概念验证实验发现，标本上非常微小的差异（比如两个区域厚度相差3纳米）都能被这种纳米玻片“翻译”并“放大”成颜色上的反差，在显微镜下用肉眼就能观察到。

识别癌症的色彩

在用非生物标本初步证实这种纳米玻片可能有效后，研究人员把它们投入到了实战检验中。他们首先用这种玻片研究了一种乳腺癌模型小鼠的组织。这种小鼠会在大约50天内经历乳腺增生、乳腺上皮内瘤样病变、侵袭性病变的过程，非常有利于评估纳米玻片在乳腺癌的不同阶段的诊断能力。另一方面，在这些小鼠病变的乳腺组织中，一种叫作Ki-67蛋白的肿瘤分子标记物的量非常高，在正常组织中则很低。因此Ki-67蛋白的水平可以作为一个参考，用于评估基于纳米玻片的诊断是否准确。

以这种纳米玻片为载具，在显微镜下，小鼠癌变组织与健康组织之间在颜色上出现了非常明显的差异，即使是没有接受过专业训练的人，也能看出癌变组织的颜色更蓝更深。识别癌变组织的工作甚至还可以数字化，使用专业的软件，通过显微镜照片上每个像素点的色相、饱和度、亮度值，研究人员用数字化的方法就得出了切片的病理分析结果。当把这些分析结果与专业的病理分析师根据Ki-67蛋白的分析结果得出的结论比较时，研究人员发现两者有很好的相关性，这在一定程度上可以说明这种纳米玻片能够用于诊断乳腺癌。

但疾病模型的复杂程度往往远不如现实中的癌症，这也正是疾病模型被作为研究工具的原因之一：把问题简化，摒除掉一些次要因素，以便研究者更容易找到导致疾病的关键原因和治疗方法。因此，评判这种纳米玻片敏感性和准确性的最高标准，还是直接用人的癌症组织来验证。

研究人员从一项回顾性研究队列中选取了24名病人的组织样本。由于是回顾性研究队列，所以这些病人的组织样本此前都用不止一种方法做了病理检查，确认了病人是否患有癌症。24名病人中有6人完全正常，有6人有乳腺普通型导管增生，有6人有乳腺导管原位癌，另有6人有侵袭性的乳腺癌。这其中乳腺普通型导管增生通常被认为是一种良性的上皮增生，多数情况下认为其并非癌前病变。而乳腺导管原位癌则是乳腺癌的一种早期形式，没有侵袭性，因此这个阶段也常常被称为零期（Stage 0）或者癌前期（pre-cancerous）。

科学家用这24份组织制备了切片标本，分别贴在普通玻片和纳米玻片上。对于贴在普通玻片上的标本，研究人员首先用H&E染色法染色，然后在显微镜下观察。对于贴在纳米玻片上的标本，则直接在显微镜下观察。由于正常组织和侵袭性癌症组织之间在细胞形态上已经有非常大的差异，因此在显微镜下，经过H&E染色的两种组织能够被非常轻松地区分开。同样的，未经染色，直接贴在纳米玻片上的这两种组织即使是没有接受过专业训练的普通人，也能明显看出差别。

真正的考验往往是低级别（很早期）的导管原位癌，这类组织与正常组织之间的差异可能非常小，因此即使是对专业的病理检查人员，H&E染色后的结果也可能拿捏不准。如果单凭这种染色法来诊断就容易发生误诊，错失尽早发现的良机。

在普通玻片上经过H&E染色的标本情况确实如此。在显微镜下，普通型导管增生的组织和导管原位癌的组织之间显得区别并不明显。而在未经染色的纳米玻片上，与普通型导管增生组织相比，导管原位癌组织的颜色明显变深变蓝了，非常易于辨识。进一步用癌症的分子标记物的免疫染色也证实了这一点：这些分子标记物的变化趋势和纳米玻片上观察到的变化趋势是一致的。

纳米玻片以及传统的H&E染色观察到的良性组织和癌变组织对比，可以看到H&E染色模式下的两种组织细胞形态上差别不明显，而在纳米玻片(Nanoslide)上两者的差别清晰可见。其中UDH为普通型导管增生(良性组织)，DCIS为导管原位癌。

早期诊断潜力大

基于这些结果，这项研究的作者认为，这种纳米玻片不仅提供了一种比传统的染色方法更方便、更快速的病理检测手段，而且其辨识早期癌变组织的灵敏度也更高，未来有非常大的早期诊断应用潜力。此外，由于其原理是基于组织的物理特征来“染色”，不依赖于细胞和组织中的某种化学物质，因此其通用性也会更好，不会像基于癌症分子标记物的染色方法那样，可能存在癌症类型的特异性。这一点在用其他组织开展的实验中得到了证实，研究者用血管、肌肉、淋巴结、脂肪组织、神经组织等多种组织测试了纳米玻片，其“染色”效果都非常好。

集中了这样多的优点，难怪论文的作者在论文中自信满满地预计，这种方法未来将会找到非常广阔的应用前景，甚至远远超出组织诊断的领域。另据作者介绍，拉筹伯大学已经为他们提供了更多的资金用于采购关键设备，这将极大地提高这种纳米玻片的生产能力，可以探索更多领域的应用。

在这款纳米玻片被发明之前，对组织样本的染色往往只能使用一两种染料，这导致染色效果的区分度可能有限，这项研究的一位作者在接受媒体采访时将其比作就像在看黑白电视，并说这款纳米玻片大大增强了组织之间的反差，就像一下子进入了彩色电视的时代，让人看到了癌变组织的色彩。对于这种效果，这项研究的另一名作者的评价是：“有史以来第一次，我看到癌细胞像要从屏幕里蹦出来了一样。”

南方周末特约撰稿 陈彬