开启EPR隐藏功能——癌症检测

锘海生物科学仪器（上海）有限公司

2019/07/29 16:39

近年来，随着人民生活水平的不断提高，饮食习惯和饮食结构的改变以及人口老龄化，我国各类癌症的发病率和死亡率均呈现上升趋势，且大多数患者发现时已属于中晚期。目前为止，各类肿瘤标志物依然是公认的最可信的癌症诊断方法。肿瘤标志物非常之多，单个标志物的敏感性（指其在诊断疾病的时候不漏诊的机会有多大）和特异性（指其在诊断疾病的时候不误诊的机会有多大）都比较低，不能满足临床要求，理论上和实践上都提倡一次同时测定多种标志物，以提高敏感性和特异性。但是检测多个肿瘤标志物不仅费时费力，且综合诊断准确率也并不尽如人意，所以癌症相关的研究者们都在不断尝试寻找新型的癌症诊断方式。

在这其中，电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR），一种由不配对电子的磁矩发源的磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子并探索其周围环境的结构特性，起初并不被人们看好，研究者们普遍认为该技术与临床诊断相关性不大，但随着仪器和技术的发展，尤其是自旋标记技术的应用，EPR正在重新受到人们的重视。

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EPR与癌症诊断的历史

早在1987年，国内由唐炳荣等首次报道人发的自由基EPR信号和癌的关系，初步指出健康人发与癌症人发中自由基含量和EPR饱和特性不同，具有进一步探讨其诊断与预后的价值。^[1]之后在1990年，厦门市中山医院郑美贞等发表了使用该法得到的临床实验结果，该实验有48例癌症患者与159例非癌患者参与，所有患者均从根部拔发，经洗净烘干后取10mg放入EPR仪器中测定，以饱和功率低于6.4mW为阳性，高于8.1mW为阴性。^[2]最终结果为48例癌症患者有39例测出阳性，敏感性达到了81.3%；159例非癌患者有139例测出阴性，特异性达到了87.4%，该综合准确率已经能与多项肿瘤标志物结合诊断的正确率相媲美，然而该结果并没有得到研究人员们的重视，在此之后国内鲜有相关研究。

到2006年，波兰与德国的科学家们从另一个角度再次连接了EPR与癌症。他们假设，由于癌细胞释放的蛋白质可以与血清白蛋白结合并导致其发生结构性与功能性的变化，测试和观察血清白蛋白的这些变化也许能成为新型的检测和诊断癌症的方式。该实验使用16-doxyl硬脂酸作为自旋标记加入从575名志愿者身上提取出的血清白蛋白中，使血清白蛋白发生的变化可以通过EPR波谱仪观察，再通过该研究组自行研发的算法得到一个DR值（Diagnostic Result，诊断结果值），并以此来判断患者情况。^[3]最终结果的敏感性与特异性分别高达87.4%与95.7%。与此同时，德国MedInnovation公司以此研究为基础开始研发专注于检测血清白蛋白结构功能变化的便携式电子顺磁共振波谱仪及相应的算法改良，展望新型的癌症诊断及其他疾病诊断的方法。

在这之后，直到2015年，中国医学科学院放射医学研究所刘忠超等在此基础上发表了用该方法诊断直结肠癌的论文，实验选取了共321位患者的血样，同样使用16-doxyl硬脂酸作为自旋标记物并使用EPR波谱仪进行检测，再通过自行建立的判别函数进行判定。^[^4]最终得到的结果为敏感性与特异性分别达到了87.9%与86.1%，并且作者在文中提到由于手动加样的误差以及数学模型的缺陷可能导致结果偏低，在改良之后应该可以获得更高的综合准确率。

EPR与癌症诊断的今天

时至今日，在历经了多年的研发及改良后，德国MedInnovation公司的血清白蛋白测试终于在去年获得了德国药监局的认证，开始在德国地区的商业临床诊断中投入使用。

该测试使用EPR波谱技术判断在人体内血清白蛋白的功能，通过加入自旋标记的脂肪酸，基于对三种不同的血清白蛋白/酒精溶液进行体外测试，分别模拟结合、转运和释放，使得白蛋白的结合位点可以被检测到。

通过分析两种不同的结合位点类型和三种不同的血清-酒精-脂肪酸溶液的EPR波谱可以估计结合常量、结合性能和其他生物物理学变量，因此其他转运变量（BE=结合效率，RTQ=真实转运质量，DTE=去毒效率）也可计算得出。

根据对EPR波谱参数的计算会得到一个一个完整的辨别函数DR（诊断结果）。如果DR值小于1.0则表示白蛋白构造已经改变，并且说明有很高的可能性已经有活跃的恶性化进程在进行。如果DR值大于1.2则表示没有活跃的肿瘤生长存在，同时如果DR值在1.0于1.2之间则表示有很高的活跃肿瘤生长的风险。实验结果表明，该血清功能测试的敏感性和特异性都达到了90%。

Fig.1 癌症诊断综合准确率的比较，（从左至右）分别为MedInnovation血清白蛋白测试

CEA肿瘤标志物及CA 19-9肿瘤标志物

Fig.2 健康、管状腺瘤、绒毛状腺瘤及癌症阶段I-IV级患者的测试结果

除此之外，MedInnovation还对该测试的应用范围进行了拓展，通过相同的检测血清白蛋白功能与特征的改变，使用对应的算法去检测更多的疾病，比如通过得到的DTE等数值诊断一些慢性病及各类肝疾病。

Fig.3 根据测试中的DTE数值得到的肝疾病患者结果，（从左至右）分别为健康、肝硬化（无器官功能缺失）及急性或慢性肝衰竭

EPR与癌症诊断的未来

癌症自发现以来，从一个完全的绝症一直到现在的“1/3的癌症可以预防，1/3的癌症如能早期诊断可以治愈，1/3的癌症可以减轻痛苦，延长生命”，走过了漫长的发展历程。而在癌症诊断这个问题上，除去影像学检查及病理学检查这些较为复杂的确诊手段外，初期诊断却一直只有肿瘤标志物这一已有100多年历史的技术作为诊断方式。近年来，也有一些新兴的诊断方式出现，如CTC（循环肿瘤细胞）检测，但也没有得到很好的反响，我们是否能找到一种更好更准更便捷的方式来尽早发现癌症，而基于EPR波谱技术的白蛋白测试能不能成为这个答案呢？也许未来可以，毕竟肿瘤标志物从发现到广泛的临床应用也走了50多年。

参考文献：

1. 唐炳荣, 等. 人发中自由基EPR饱和特性的研究及其在癌症临床医学中的应用. 第五届全国波谱学学术会议论文摘要集. 1988; (E13); 135-136.

2. 郑美贞, 等. 癌症人发中自由基EPR谱参数测定的临床意义. 实用肿瘤杂志. 1990; 第五卷; 第2期; 98-99.

3. Kazmierczak SC, Gurachevsky A, Matthes G, Muravsky V. Electron spin resonance spectroscopy of serum albumin: a novel new test for cancer diagnosis and monitoring[J]. Clin Chem, 2006, 52: 2129-2134.

4. 刘忠超, 等. 自旋探针标记的血清白蛋白电子顺磁共振波谱诊断直结肠癌. 中国医学科学院放射医学研究所. 2014. Y2629318.

德国MedInnovation血清白蛋白功能特征分析

设备

ESPIRE Scope (Laboratory Diagnostic Analyzer)