科学家借蝗虫“项上人头”，嗅出人类癌症

与人类相比，狗狗的色觉非常有限，且天生自带近视。不过上帝虽然关上了“视觉”的这扇门，却为它们打开了“嗅觉”这扇窗。凭借碾压人类的嗅觉细胞数量和嗅球体积大小，狗狗能够辨识出远远低于人类辨识阈值的气味，也因此常常被训练于缉毒、排爆、破案、救援等工作。新冠流行期间，经过特别训练的嗅探犬还可以广泛地部署在人群聚集地对人们进行快速筛查。2022年9月28日，一篇发表在PLOS ONE上的研究还表明，狗可以闻出人类产生压力反应后的呼吸和汗液样本[1]。

不过，狗的嗅觉虽然灵敏，但是训练和照料的成本却很高，而且是有限的二元输出，有时还会因为试图取悦人类或天生的行为偏好而给出错误的判断。而制造相当灵敏程度的电子狗鼻却极其困难，但动物辨别气味的能力却是与生俱来，为此，科学家想到了借用动物的大脑。

蝗虫就是不错的选择。2020年，圣路易斯华盛顿大学的研究人员在美国海军的资助下，开发出一种半机械蝗虫，用于检测硝酸铵等化学产品，这些物质常被恐怖组织用于制造炸弹[2]。

图1 蝗虫被装上传感器检测其神经活动（图源：圣路易斯华盛顿大学官网）

为了让蝗虫能为人所用，研究人员对蝗虫加以改造，在头部切开微切口，在其嗅觉回路中植入电极。改造以后，半机械蝗虫可以在半秒内识别出5种不同的炸药，并将大脑中的神经活动模式传输给研究人员。

不过，这种半机械化的改造使得蝗虫的寿命受到影响。此外，植入电极7小时以后，信号记录的质量会降低，要维持数天左右的稳定记录，需要对蝗虫进行定期喂食或进一步改进手术或电极接口材料。

但要把这种半机械蝗虫应用到人类疾病诊断，还有一个问题值得注意，那就是恐怕没有患者会乐意在干净整洁的诊室看到有活着的蝗虫在爬来爬去。

为此，密歇根州立大学生物医学工程助理教授Debajit Saha延续在圣路易斯华盛顿大学期间利用蝗虫嗅觉回路识别气味的思路，开发出一种新的气味识别方案——把蝗虫的大脑“劫持”过来，然后记录大脑中昆虫触角传回的气味信号。蝗虫作为模式生物已经在科学界被研究了几十年，对于其嗅觉传感器和相应的神经回路都有一定程度的了解，而且相较于果蝇，蝗虫的体型更大，外骨骼更坚固，也更适合搭载电子设备。

图2 给蝗虫大脑插上电极（图源：MIT Technology Review）

“科学家已经研究‘电子鼻’超过15年了。”Saha说，但设计出来的任何东西都无法与老式的生物嗅觉在速度、灵敏度和特异性上相媲美，尤其是当癌症改变细胞代谢，反映在患者呼出的挥发性有机化合物（volatile organic compound，VOC）的细微成分变化中，而当前最先进的气体传感技术通常只能识别单个化学成分及其浓度，而目前并没有发现单一的VOC标志物可以指示特定类型的癌症，此外，呼出气体VOC成分的个体间差异以及环境中背景气味的存在都会造成干扰。这让Saha和他的团队思考：为什么不直接以生物学经过亿万年进化得出的解决方案为起点，再开始设计呢？

研究结果令人惊喜。通过分析VOC诱发的蝗虫嗅觉神经反应，可以清楚地将三种不同的人类口腔癌以及非口腔癌细胞彼此区分开来，甚至在变化的环境气味背景下，都能达到100%的成功率，并且只需要依据刺激开始后的250毫秒内的神经数据就可以进行快速区分。

这一结果将为癌症无创早筛提供新的可能性，有数据表明，当癌症处于第一阶段时，患者有 80%到90%的生存机会，但如果到第4阶段才发现，生存机会就会暴跌至10%到20%。研究人员的下一个目标是增加神经记录能力并延长密闭中蝗虫大脑的存活天数。Saha解释说：“就其身体功能而言，蝗虫已经死了，我们只是让它的大脑保持活力。”因此，患者不必担心在诊室里看到乱飞的蝗虫，因为这项研究最终将以开发一种没有昆虫的封闭便携式传感器为目标，同时要比其他侵入性技术更早地发现癌症的征兆。

撰文|风立宵

排版|乔维钧

参考资料：

[1]Wilson C, Campbell K, Petzel Z, et al. Dogs can discriminate between human baseline and psychological stress condition odours. PLoS One. 2022 Sep 28;17(9):e0274143. doi: 10.1371/journal.pone.0274143.

[2]Debajit Saha, Darshit Mehta, Ege Altan, et al. Explosive sensing with insect-based biorobots,

Biosensors and Bioelectronics: X, Volume 6, 2020, 100050, ISSN 2590-1370, https://doi.org/10.1016/j.biosx.2020.100050.

[3]lexander Farnum, Michael Parnas, Ehsanul Hoque Apu, et al. Harnessing insect olfactory neural circuits for detecting and discriminating human cancers, Biosensors and Bioelectronics, Volume 219, 2023, 114814, ISSN 0956-5663, https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114814.