用有机合成反应改进乳腺癌手术,有望成为世界标准

生命科学 2018年12月05日
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日本的理化学研究所(简称“理研”)和大阪大学、俄罗斯喀山联邦大学组成的国际联合研发小组新开发出了乳腺癌诊断技术(概念图),通过利用乳腺癌手术中切除的组织进行有机合成反应,不仅可以检测是否有乳腺癌细胞,与原来相比还能在非常短的时间内轻松识别癌症的类型。

能迅速辨别手术中切除的乳腺癌类型新诊断技术

概念图 能迅速辨别手术中切除的乳腺癌类型新诊断技术

此次的研究成果有望取代以往的手术中使用的病理诊断法,今后或将作为快速、简便、低成本判断乳腺癌切除范围的全球标准诊断技术使用。

理研的田中主任研究员等人以前曾发现,在氧化应激条件下,细胞中产生的“丙烯醛”会与拥有荧光基团的“叠氮化物探针”发生有机合成反应,能对细胞进行荧光标记。此次,国际联合研发小组利用这种有机合成反应确认,各种癌细胞中大量产生了丙烯醛。另外,研发小组将该方法应用于乳腺癌手术中切除的组织,只用了几分钟就以97%的高灵敏度成功判断出是否存在癌细胞,并且识别了不同类型的乳腺癌。

相关研究成果已于2018年11月27日发布在德国科学杂志《Advanced Science》的网络版上。

目前,乳腺癌手术过程中的断端检查采用名为苏木精-伊红染色法(HE染色法)的病理诊断方法。HE染色法首先对切除的断端进行冷冻切片,并使用HE试剂染色,然后用显微镜检测癌细胞,不过检查一次需要40分钟左右的时间。在此期间,处于全身麻醉状态的患者和执刀医生需要耐心等待结果。另外还存在做病理诊断的医生数量少的问题(图1)。因此,亟需开发一种能减轻乳腺癌患者的术中负担,实现无论是城市里的大医院还是地方医院都能在短时间内轻松为更多患者做手术的新型术中快速诊断技术。

用于乳腺癌术中诊断的病理诊断(HE染色法)

图1:用于乳腺癌术中诊断的病理诊断(HE染色法)

2016年,理研的田中主任研究员等人发现,在氧化应激条件下细胞内产生的有毒物质“丙烯醛”与拥有四甲基若丹明(TAMRA)荧光基团的“叠氮化物探针”会选择性地发生反应,并迅速生成1,2,3-三嗪化合物。随着这种1,2,3-三嗪化合物在细胞内进一步经历多种有机合成反应,荧光基团会留在细胞中。利用该荧光基团,能以单个细胞为单位对产生丙烯醛的细胞进行荧光标记(图2)。

利用叠氮化物探针对产生丙烯醛的细胞进行荧光标记

图2:利用叠氮化物探针对产生丙烯醛的细胞进行荧光标记

另外,在此前的研究中已经知道癌细胞是氧化应激细胞。因此,国际联合研发小组认为,利用丙烯醛和叠氮化物探针,有望只对癌细胞进行荧光标记。

国际联合研发小组首先调查了癌细胞中是否会大量产生丙烯醛。使叠氮化物探针分别作用于3种正常细胞和包括乳腺癌细胞在内的8种癌细胞的培养液后,用显微镜进行了荧光观察,发现与正常细胞相比,癌细胞的荧光强度明显增加,各细胞显示的荧光强度与细胞产生的丙烯醛的量成正比,因此确认,丙烯醛会选择性地在癌细胞中大量产生(图3)。

检测正常细胞和癌细胞内产生的丙烯醛

图3:检测正常细胞和癌细胞内产生的丙烯醛

国际联合研发小组对利用这种方法进行荧光标记的癌细胞做更加详细的调查发现,癌细胞中选择性地发生了多种有机合成反应。由此,首次通过实验确认各种癌细胞中会大量产生丙烯醛。

通过使叠氮化物探针和丙烯醛在手术中切除的乳腺癌组织上发生反应,利用乳腺癌组织及其周边的正常组织,调查了能否选择性地对癌细胞进行荧光标记(合计60例)。调查发现,只需将手术中从患者身上切除的乳腺癌断端浸在叠氮化物探针溶液中5分钟,就能以97%的高概率判断癌细胞(图4)。

利用叠氮化物探针对从乳腺癌患者身上切除的癌细胞进行判断的结果

图4:利用叠氮化物探针对从乳腺癌患者身上切除的癌细胞进行判断的结果

各个癌细胞以不同的方式聚集,形成不同类型(形态)的癌症。如图2所示,使用叠氮化物探针能以单个细胞为单位对癌细胞进行荧光标记,因此有望使各种“癌症的形状”实现可视化。国际联合研发小组将7种类型的乳腺癌(浸润癌、非浸润癌、增殖病变、小叶癌、乳头状瘤[良性肿瘤]、微小浸润癌、微小非浸润癌)组织分别浸入叠氮化物探针溶液中5分钟后,用显微镜进行了观察,确认能够判断各种“癌症的类型(形态)”。这个结果与利用HE染色法获得的图像基本相同,采用叠氮化物探针染色法只需5分钟即可获得与以前采用HE染色法获得的图像相同的图像(图5)。

利用叠氮化物探针染色法和HE染色法检测的乳腺癌类型的比较结果

图5:利用叠氮化物探针染色法和HE染色法检测的乳腺癌类型的比较结果

国际联合研发小组着眼于丙烯醛这种有毒化学物质,从“在大量产生丙烯醛的癌细胞内选择性地进行有机合成反应”这一突破性的视点出发推进了研究,最终成功开发出能取代此前长期使用的术中病理诊断法的新型诊断技术。今后,经过乳腺癌诊断检查的临床实验后,有望在各类乳腺癌手术中应用该技术。

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