Nature的AI分析血液癌癥測量

細(xì)菌，真菌，病毒…… 這些微生物，它們無處不在，也與人類生活息息相關(guān)。在人體的腸道內(nèi)就儲存著大量的微生物，它們不僅能促進(jìn)食物的消化吸收，調(diào)節(jié)腸道免疫系統(tǒng)，還與肥胖，糖尿病以及一些腸道疾病有關(guān)。更可怕的是，近年來研究顯示腸道微生物與許多腫瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

今天 Nature 發(fā)布的一項(xiàng)研究顯示，加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員通過分析癌癥基因組圖譜中 33 中不同類型癌癥共 18116 例腫瘤樣本后，發(fā)現(xiàn)不同類型癌癥患者組織和血液內(nèi)的微生物 DNA 存在差異。

為此研究人員開發(fā)了一種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，該模型通過分析血液中微生物 DNA 的類型就可以識別受試者是否患有癌癥以及癌癥類型。即便是早期的癌癥，血液中的微生物數(shù)據(jù)仍然可以區(qū)分出多種癌癥類型。

Nature 論文

要知道，癌癥之所以可怕，很大一部分原因就是在于我們很難在早期發(fā)現(xiàn)它，大量患者確診時已經(jīng)進(jìn)入疾病晚期。那么，究竟有沒有一種簡單的方法能夠在早期準(zhǔn)確篩查出腫瘤的發(fā)生呢？

近年來，許多科學(xué)家對腫瘤“液體活檢”技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，他們企圖在血液中尋找腫瘤細(xì)胞破碎的 DNA，以達(dá)到癌癥早期診斷的目的。因此，液體活檢技術(shù)也被成為“滴血測癌”。

2017 年 Science 上發(fā)表了一項(xiàng)研究，顯示微生物能侵入大多數(shù)胰腺腫瘤，并分解患者服用的化療藥物。這一現(xiàn)象引起了加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士研究生 Poore 的注意，他猜想，細(xì)菌和病毒所代表的信息，或許能夠在癌癥診斷過程中起到作用。

于是，他同微生物組創(chuàng)新中心主任 Knight 教授，以及一個跨學(xué)科合作小組一同開展了微生物與癌癥診斷的研究。他們首先查看了癌癥基因組圖譜（The Cancer Genome Atlas），該圖譜是美國國家癌癥研究所的數(shù)據(jù)庫，包含了來自成千上萬名癌癥患者的腫瘤基因和其他信息。他們要做的就是在人類測序數(shù)據(jù)中來篩查出微生物的 DNA。

終于，研究人員在 10418 名患者、33 種不同癌癥類型的 18116 個腫瘤樣本中發(fā)現(xiàn)了與特定癌癥相關(guān)的微生物特征。其中一些與既往研究相同，如甲型乳頭瘤病毒屬 (Alphapapillomavirus) 和丙型肝炎病毒屬（Hepacivirus）與宮頸癌、頭頸癌和肝細(xì)胞癌有關(guān)，梭菌屬（Fusobacterium）與胃腸道腫瘤有關(guān)。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)微生物特征可以區(qū)分不同的癌癥類型，如糞桿菌屬（Faecalibacterium）可將結(jié)腸癌與其他癌癥區(qū)分開來。

近年來科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn)，寄居在人體中的微生物與癌癥發(fā)生與發(fā)展密切相關(guān)

在研究了數(shù)千個癌癥樣本的微生物特征后，他們訓(xùn)練并測試了數(shù)千種機(jī)器學(xué)習(xí)模型來將特定微生物類型與特定腫瘤關(guān)聯(lián)起來，隨后他們發(fā)現(xiàn)這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠通過患者血液中微生物數(shù)據(jù)來區(qū)分患者的癌癥類型。

然而，在癌癥極難被發(fā)現(xiàn)的早期階段，這些發(fā)現(xiàn)是否有效呢？

為此，研究人員將晚期癌癥（Ⅲ 期和 Ⅳ 期）患者從數(shù)據(jù)庫中剔除出去，發(fā)現(xiàn)通過患者血液中的微生物數(shù)據(jù)，仍然可以將許多早期癌癥類型區(qū)分開來。當(dāng)研究團(tuán)隊去除 90% 以上微生物數(shù)據(jù)以此對樣本進(jìn)行了最嚴(yán)格的生物信息學(xué)凈化后，結(jié)果依然有效。

接下來，研究人員著手驗(yàn)證這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型是否實(shí)現(xiàn)癌癥早期診斷。

他們分析了來自加州大學(xué)圣地亞哥分校摩爾癌癥中心的 59 名前列腺癌患者、25 名肺癌患者和 16 名黑色素瘤患者，以及 69 名未確診癌癥個體的血液血漿樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠?qū)⒋蠖鄶?shù)癌癥患者與非癌癥患者區(qū)分出來。

該模型診斷肺癌的敏感性（真陽性，檢測出確實(shí)患有癌癥的能力）是86%，特異性（真陰性，檢測出確實(shí)沒有患癌的能力）是100%，此外，該模型也能將不同癌癥類型區(qū)分開來，如該模型區(qū)分前列腺癌和肺癌患者的敏感性是 81%。

研究人員表示，這個模型不僅僅是一個診斷癌癥的工具，也可以對癌癥治療過程進(jìn)行長期的監(jiān)測。如果在今后測試中這些結(jié)果依然有效，那么這對于癌癥患者治療和癌癥的早期診斷將有重要的意義。

組織和血液中的微生物 DNA

目前，大多數(shù)癌癥的確診需要通過手術(shù)將腫瘤取出，隨后由病理學(xué)家對腫瘤進(jìn)行分析（即活檢）。這種方法不僅會給患者帶來巨大的創(chuàng)傷，而且價格昂貴且耗時。

現(xiàn)在一些公司試圖開展 “液體活檢” 技術(shù)，試圖通過簡單的抽血并檢測來自腫瘤的循環(huán) DNA 來快速診斷癌癥。該方法已經(jīng)可以用于監(jiān)測某些確診癌癥患者的疾病進(jìn)展，但美國食品和藥物管理局 (FDA) 尚未將其批準(zhǔn)用于癌癥的確診。

圣地亞哥精確免疫治療中心的副主任 Patel 表示，雖然液體活檢和癌癥早期診斷發(fā)展迅速，但目前的液體活檢技術(shù)還不能區(qū)分早期癌癥和正?；蛲蛔兓颊摺Ｒ虼?，現(xiàn)在的液體活檢技術(shù)往往存在假陰性結(jié)果。

這樣一來，與檢測血液中循環(huán)腫瘤 DNA 相比，檢測血液中腫瘤相關(guān)微生物 DNA 的優(yōu)勢就顯而易見，它不僅能夠在癌癥早期準(zhǔn)確檢測癌癥的存在和類型，也可以檢測到存在正?；蛲蛔兊陌┌Y患者。

盡管如此，研究人員指出，基于微生物 DNA 來確診癌癥的方法仍可能存在假陰性的結(jié)果，但今后他們會使用更多的數(shù)據(jù)來完善這個機(jī)器學(xué)習(xí)模型，使這個新方法更加準(zhǔn)確。

研究人員同時表示，即使利用該機(jī)器學(xué)習(xí)模型來確診癌癥，患者仍可能需要進(jìn)一步的檢查來確定腫瘤的階段及其位置。

微生物組創(chuàng)新中心主任 Knight 教授表示，“先前幾乎所有的研究都假定腫瘤是一個沒有微生物存在的環(huán)境，同時忽略了癌細(xì)胞可能與人體內(nèi)細(xì)菌、病毒和其他微生物之間復(fù)雜的相互作用。事實(shí)上，我們體內(nèi)微生物基因的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類基因數(shù)量，因此它們能為我們健康提供重要的線索也就不足為奇。我們希望這項(xiàng)研究能夠鼓勵科學(xué)家能夠清醒認(rèn)識微生物，而癌癥診斷可能只是一個開始?！?/p>