在抗击癌症的斗争中，这种疾病每年在全球夺去近800万人的生命。医生拥有许多强有力的武器，包括各种形式的化疗和放射治疗。然而，他们缺少的是良好的“侦察”手段——一种可靠的方法，能够实时获取特定疗法对任何一位患者的疗效数据。
磁共振成像和其他扫描技术可以显示肿瘤的大小，而有关治疗效果最详细的信息，则来自病理学家对活检组织的检查。然而，这些方法只能提供肿瘤反应的瞬时图景；活检具有侵入性，因此属于有风险的操作，临床医生会尽量减少其实施次数。
如今，麻省理工学院科赫综合癌症研究所的研究人员正在弥合这一信息鸿沟，他们研发了一种微型生化传感器，可在初次活检时植入癌变组织。随后，传感器会以无线方式将有关特征性生物标志物的数据发送到外部“读取器”设备，使医生能够更好地监测患者的病情进展，并据此调整剂量或更换疗法。让癌症治疗更有针对性、更精准，有望提高疗效，同时减少患者受到严重副作用影响的程度。
“我们想制造一种设备，能够通过化学信号告诉我们肿瘤内正在发生什么，”负责监督传感器研发的研究人员迈克尔·奇马说。他是材料科学与工程系大卫·H·科赫（1962届）工程学教授，也是科赫研究所的研究员。“与其等上几个月才看肿瘤是否缩小，不如尽早了解治疗是否朝着正确方向进行。”
奇马实验室的两名麻省理工学院博士生与他共同参与了传感器项目：文森特·刘（现为麻省理工学院博士后）和克里斯托福罗斯·瓦西利乌（现为加州大学伯克利分校博士后）。他们的研究刊载于一篇 论文 ，该论文已在线发表于期刊 《芯片实验室》 。
无需核磁共振成像的测量
奇马团队研发的传感器可按需实时提供与肿瘤治疗反应相关的两种生物标志物数据：pH值和溶解氧。
奇马解释说，癌变组织受到化疗药物攻击时，酸性会增强。奇马说：“很多时候，在肿瘤真正缩小之前，你就能从化学变化中看到治疗反应。”事实上，有些疗法会引发免疫系统反应，炎症会让肿瘤看起来正在增大，即便疗法实际上有效也是如此。
与此同时，氧气水平可以帮助医生判断放射治疗等疗法的适当剂量，因为肿瘤在低氧（缺氧）环境中容易生长。奇马说：“事实证明，肿瘤缺氧程度越高，所需的放射剂量就越大。因此，随着时间推移读取这些传感器的数据，就能观察肿瘤缺氧状况如何变化，从而相应调整放射治疗。”
传感器外壳由生物相容性塑料制成，小到足以装进活检针的针尖中。它内含10微升通常用于磁共振成像（MRI）的化学造影剂，以及一个可与外部读取器设备通信的内置电路。
奇马解释说，为这些传感器设计电源至关重要。四年前，他的团队制造了一种类似的可植入传感器，可通过MRI扫描仪读取数据。他说：“MRI扫描费用高昂，也不容易纳入常规护理。我们想更进一步，在设备上加入一些电子元件，这样无需MRI就能进行这些测量。”
这些新型传感器依靠读取器供电。具体而言，读取器内部有一个金属线圈，传感器本身则有一个小得多的线圈。电流使读取器内的线圈磁化；当两个线圈靠近时，该磁场会在传感器线圈中产生电压，这一过程称为互感。读取器发出一系列脉冲，正如奇马所说，传感器会“回响”。计算机会解读这一返回信号随时间发生的变化；读取器通过线路与计算机相连，解读结果可揭示目标生物标志物的变化。
“使用这些设备，就像测量血压一样。这是一项简单的测量。读出结果，然后继续下一步，”马萨诸塞州总医院系统生物学中心实验室主任、放射科医生拉尔夫·魏斯莱德说。他了解这项研究。“凡是能够当场完成、无需复杂检测的事情，效果就越好。”
其他应用
奇马团队在实验室实验中成功测试了这些传感器，其中包括将传感器植入啮齿动物体内。尽管传感器只植入了几周，奇马认为它们可以用于多年监测人的健康状况。
他说：“如今有数千人得以存活，是因为他们体内装有心脏起搏器和除颤器等可植入电子设备。我们用这类长期植入物所用的材料制造这些传感器，而且它们非常小，我认为不会有问题。”
这些初步实验表明，传感器能够快速、可靠且准确地检测组织中的pH值和氧浓度。研究人员接下来希望了解，这些传感器在较长时间内测量pH值变化的表现如何。
奇马说：“我想进一步完善这些探针，让我们能够用它们监测肿瘤反应。这些实验中我们做了一些这方面的尝试，但还需要让它真正可靠。”
尽管这些传感器的主要用途是癌症护理，奇马也很希望与环境科学等其他领域的研究人员合作。奇马说：“例如，你可以用它们在池塘或湖泊的许多不同地点测量溶解氧或pH值。我很期待利用这些传感器，为环境监测带来大数据。”
本文由 麻省理工学院合作发布。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：克里斯·伯迪克是一名自由科学记者，也是《心智胜于心智：期望的惊人力量》一书的作者。
图片：展示可在初次活检期间植入癌变组织的微型生化传感器的示意图。图片/麻省理工学院科赫综合癌症研究所
