害蟲變成抗癌夥伴 人類靠蝗蟲聞出癌細胞

生物圈有許多深藏不露的好鼻師:豬聞得到深埋地下的松露,熊能聞到約20英里外的動物屍體,鯊魚能在1英里以外的地方嗅到一滴血,緝毒犬能嗅到深藏行李中的非法藥物,蝗蟲可以聞到癌細胞。

美國研究團隊發現蝗蟲不僅可以嗅聞到癌細胞,甚至可以辨別出不同癌細胞。若能破解蝗蟲嗅覺神經迴路,便能將此項技術運用於早期、非侵入式癌症檢測。

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蝗蟲有著驚人的繁殖與遷徙能力,所經之處無不造成環境嚴重破壞、農作物損失慘重,甚至引發重大糧食危機。人類對抗蝗蟲的歷史也十分悠久,聖經也將蝗災、蝗害列為十災之一。

但這樣的害蟲,在科學研究上卻是具有重要貢獻的小幫手。

一杯咖啡的香氣、被雨水打濕的土壤、電梯裡有人偷放屁......嗅覺神經是如何傳導,而我們又是如何理解、分辨氣味?在氣味相關研究中,蝗蟲一直是科學家們的研究實驗首選。著名的「帕夫洛夫的蝗蟲」(Pavlov’s Locusts)實驗透過訓練蝗蟲對獨特氣味的反應,觀察其在氣味繁複的空間中,運用了哪些神經元來辨認氣味,這幫助我們了解感官體驗背後的大腦運作過程。此外,也有研究團隊試著利用蝗蟲敏銳的嗅覺,將其打造成遙控爆裂物偵測器。

近期,美國研究團隊發現,嗅覺高度敏銳的蝗蟲不僅可以嗅聞出癌細胞,甚至可以辨別出不同癌細胞的差異。

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密歇根州立大學生物醫學工程助理教授德吉特·薩哈 (Debajit Saha) 與他的團隊正在開發一種新方法,透過破解昆蟲的大腦,將技術運用於疾病診斷「這是一個幾乎未被探索的新領域,」他說。

嗅覺超靈 辨識癌細胞獨特氣味

癌細胞是一群失去控制的細胞,由於已有缺陷、代謝也不正常,所以會產生有別於健康細胞的獨特化學物質。密歇根州立大學生物醫學工程系和微生物學和分子遺傳學系教授康塔格(Contag),觀察到癌細胞在運作和細胞增長、代謝時會釋放出揮發性有機化合物(VOC) ,當這些化學物質進入患者的肺部或氣管,便可以在呼氣中檢測到這些化合物。

倘若能夠利用昆蟲嗅覺神經迴路來進行技術研發,將可達到僅透過患者的呼吸便能早期發現癌症。薩哈說:「理論上,你可以透過一個呼吸設備,檢測並區分多種癌症類型,甚至是癌症處於哪個階段」

圖為顯微鏡下的黑色素瘤癌細胞

考量科學界已對蝗蟲的嗅覺傳感器以及相應的神經迴路已建立系統性的理解,此外,相較於與其他模式生物如果蠅相比,蝗蟲體型更大也更強壯,更加方便研究人員將電極連結到蝗蟲的大腦,蝗蟲成為薩哈團隊測試首選。

透過蝗蟲觸角葉神經網路的生物神經規則,研究團隊記錄、分析了嗅覺神經反應訊號,發現牠們的嗅覺神經對不同細胞的化學特徵,產生了不同的反應訊號,進一步發現蝗蟲不僅能區分健康細胞與癌細胞的差異,甚至能區分三種不同癌細胞。 「我們預想牠們可區分癌細胞與正常細胞的差異,」康塔格說。「但當這些蟲子能夠更細緻地區分出三種不同的癌症時,仍令我們感到驚奇。」

呼吸就能檢測癌細胞 大幅提升存活率

團隊的目標是破解並參考昆蟲感覺神經元,開發一種封閉的攜帶式感測器,只需透過患者的呼吸便能更早地發現癌症,不僅免於侵入性的診療技術之苦,也能縮短檢測所需時間。

儘管目前的研究主要集中在口腔癌上,但研究人員相信他們所研發的系統能適用於任何將揮發性代謝物引入呼吸的癌症,意即多數的癌症類型皆可適用。團隊的研究進程也已邁入下一步,現正與亨利福特醫院頭頸癌 研究項目(the Henry Ford Head and Neck Cancer program)主任史蒂文·張(Steven Chang)合作,以人類的呼吸來測試這個檢測系統。

癌症的發現時機,對存活率有很大的影響,相比於癌細胞已擴散至全身的第四期,癌細胞尚未移轉的第一期存活率有八成至九成。因此,「癌症的早期檢測非常重要,我們應該使用一切可能的技術來實現這一目標,」康塔格樂觀地說:「如果我們成功了,癌症將是一種可治療的疾病。」

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