Nature：人工智能“验血”
发布时间：2020-04-08 11:09 来源：未知
顶尖学术期刊《自然》上线了一项有关癌症诊断的重要研究。来自加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的科学家，训练人工智能从血液中鉴定来自微生物的线索，不仅可以识别出癌症，还能对不同类型的癌症做出区分。研究机构评价说，这项新的诊断工具，“可能会改变人们观察和诊断癌症的方式”。
我们知道，目前大多数癌症在诊断时需要进行手术活检，从可疑的肿瘤部位取出样本，并由富有经验的专家寻找某些与癌症相关的分子标记物。这样的方法耗时、昂贵，还因为是入侵式的，可能给患者带来痛苦。
正因为如此，很多科研人员正在努力开发液体活检技术，希望通过简单的验血，快速识别出特定的疾病。
现有的各种液体活检技术，检测目标大多针对我们自身的基因组，例如血液中从肿瘤脱落的DNA，或是特定的蛋白质等。而在今天要介绍的这项新技术中，研究人员另辟蹊径，让我们体内的“外来者”透露肿瘤的信息。
▲血液中既有我们自身的基因信息，也有“外来者”的基因信息（图片来源：Pixabay）
世界上几乎各个角落都有细菌、病毒等微生物的存在，人体内也不例外。事实上，常驻人体的微生物数量远超我们自己的细胞数量，它们的核酸片段（DNA或RNA）经血液游荡在我们全身。
近年越来越多的研究证据开始显示，人体微生物对多种类型的肿瘤有“贡献”。就以微生物最丰富的部位肠道为例，学术经纬在过去也和读者朋友们介绍过多项研究，有些肠道细菌可能引发结直肠癌，还可能通过免疫系统影响肝癌的发生、诱发白血病，等等。
正在UCSD医学院攻读博士的Gregory Poore和他的导师Rob Knight教授也注意到了细菌、病毒和癌症的关系，并且猜想，这些微生物在癌症中起的作用或许比现在所知的更大。“以前的癌症研究工作大多假设肿瘤是在无菌环境，而忽略了人的癌细胞与细菌、病毒以及其他生活在人体的微生物可能有复杂的相互作用。”Knight教授说。
▲抽一管血，检测是否患癌以及什么癌症，实现这样的目标或许并不遥远（图片来源：MacDill Air Force Base，https://www.macdill.af.mil/News/Photos/igphoto/2000056194/）
于是，他们有了一个全新而大胆的思路：分析血液中来自微生物的遗传物质，可以根据其特征模式来识别体内的肿瘤吗？
研究人员第一步通过已有的人类肿瘤样本，来确认癌症相关的微生物核酸特征。他们从美国国家癌症所“癌症基因组图集”数据库（TCGA）获得了大约18000份样本，对其全基因组数据（DNA序列）和全转录组数据（RNA序列）重新检查。这些样本涵盖了33种癌症、10000多个病例，包括原发性和复发性肿瘤以及转移扩散的肿瘤，既有肿瘤组织也有相邻组织和血液样本。
从几千份样本中找到独特的微生物特征后，研究人员把工作交给了人工智能，训练机器学习模型来挖掘大量数据，把特定的微生物序列特征与特定的癌症相匹配。
为了尽量避免在样本采集、测序等各个步骤中可能存在的微生物污染问题，研究人员对数据集做了严格的生物信息学过滤。而且，在癌症3期、4期的数据从数据集中去除后，发现模型依然可以对许多癌症做出区分，这意味着，癌症的早期阶段就能从血液中读取出特定的微生物核酸特征。
▲在各种组织和肿瘤中都可以发现微生物的核酸片段，利用人工智能对血液中核酸片段的特征进行识别（参考资料[2]）
接下来，要让这套AI模型在真实世界中接收检验。来自UCSD Moores癌症中心的合作者提供了包括前列腺癌、肺癌和黑色素瘤等100名患者的样本，让AI对每份血浆中的微生物核酸特征进行鉴定，并与69名健康无癌个体的血样进行比较。
分析取得了令人欣喜的结果，机器学习模型不仅可以区分患癌和无癌的样本，还相当擅长区分不同类型的癌症：以86%的敏感性识别出肺癌患者，对于无肺部疾病的个体没有出现假阳性报告，并且以81%的准确率区分出前列腺癌和肺癌。
“只要一管血，就能够全面了解肿瘤细胞的DNA和患者微生物群的DNA，可以说，我们迈出了重要的一步，来更好地理解癌症中宿主-环境的相互作用。”这项研究的共同负责人、肿瘤学家Sandip Pravin Patel博士说。他相信，如果这项研究结果能经过未来的检验，“可能会对癌症患者的诊疗和癌症早诊有重要影响”。
