肿瘤捕手CTC的世界：带你看到纳米科技的星辰大海

胡志远-国家纳米科学中心纳米标准与检测重点实验室主任

大家好，我是华为DIGIX TALK分享嘉宾胡志远，我来自国家纳米科学中心，我博士是在美国约翰霍普金斯医学院读的博士，所以我从事的这个方向叫做纳米医学。

大家有知道纳米医学的吗？请举手。没有一个举手的？好失望啊。没事，我会在这个演讲结束的时候，让大家都知道什么是纳米医学。这位先生大家应该认识，这是苹果帝国的缔造者乔布斯，他开拓了我们这个智能手机，但是他仅仅活了五十六岁，因为他的胰腺癌。可能大家知道，其实他的胰腺癌呢，很早就在身体里面出现了，只是没有发现而已，但是他在晚期呢，他花了上亿的美金，但是也没有能把他从这个死亡的线上给拉回来。

那我们再看一个。这位呢是来自北京的一位医生，一位年轻的妈妈，孩子刚刚满一岁。她前些日子呢，去做了一个年度体检，结果发现了一个小问题。大家知道这是什么吗？可能刚刚新冠肺炎，大家都很清楚。对，这是一个肺部的一个CT的片子。大家能看出什么问题吗？没有问题。对，一般是看不出问题。现在可以看，我特意标出来了，在这两个十字交叉的这个左上角，一个小结节。

是不是肿瘤不知道，即使是现在最灵敏的PET CT，也不能判断它是不是一颗肿瘤，只能说它是一颗小结节，而且是非常早期的，只有几个毫米的磨玻璃影的这种小结节。在这种阶段呢，即使是肺癌呢，也是非常非常早期的。现在最好的医生，最好的仪器，也是无法判断它是一个良性的还是一个恶性的。所以一般呢医生会说，回家吧，过三个月再来拍次CT，看看有没有进展。

如果进展呢，那有可能是癌症，对吧；如果它非常地稳定或者甚至消失了，那说明那可能它是一个良性的，或者是一个炎症。这么小的结节呢，是无法判断良恶性的。她这时候找到我们，然后给她去怎么样呢，抽了一管血。我们在血里面给她做了一个检测，叫做肿瘤捕手菲杰宁的一个检测。结果呢我们给她下了一个诊断，一个建议，说建议还是去把这个切掉，因为感觉像是恶性的。

结果呢她就是去做了这么一个小的手术，只花了几千块钱，几天时间就出院了，因为是非常的早期。最后呢病理结果切出来一看，的确是一颗非常早期的恶性的肺部的腺癌，所以呢这个就是我们做的事情。这个给大家介绍一下纳米医学，我们是做什么的，就是帮助这位年轻的妈妈恢复了健康，回到了宝宝的身边，我们又帮助了一个幸福的家庭。

为什么能做到这一点呢？其实大家看到前面的两个例子，一个是乔布斯发现得太晚，即使花掉上亿的美金也无力回天，但是这位年轻的妈妈呢，就非常的幸运，非常快地就解决了这个问题。所以说我们一定就是要看到，早期的发现是非常重要的，这就是我们肿瘤的规律。大家看这个曲线，在前面非常平缓的这条曲线呢，我们叫做潜伏期，就是我们肿瘤它初期的时候呢，它有很长的一段，是身体里面隐藏，但是一点都没有迹象，然后突然露出了狰狞的面目，就是我们看到那个红点，我们叫tipping point转折点，在这个点的时候呢，肿瘤就开始恶化了。

在早期的时候呢，她的这个肿瘤如果发现，就像那位年轻的妈妈，她的治愈率呢在90%以上，但是过了这个tipping point，我们到了这个晚期的，中晚期的时候呢，我们的治愈率就只剩下不到15%了。针对很多的恶性肿瘤，它的预后都非常的差，如果能够早期地发现，我们就相当于能够不会为肿瘤而担心。所以乔布斯非常地遗憾，在这个转折点之后才发现的；而开头那个年轻的妈妈呢，她就非常的幸运。

因此呢我们说，在疾病面前，人人都是平等的，无论是乔布斯还是普通人，不同的是我们对于科学的了解。今天你们来到这里，就多了一个知识获取的一个渠道。我看在座的很多是年轻的朋友，会说肿瘤可能离我很遥远是吧。是不是这样呢？我们看这个数字，这是中国国家癌症中心2018年的一个数据，每六秒就会有一位发现是恶性肿瘤，而且大部分是中晚期，这样合着呢就是相当于一天有一万两千人会被发现是恶性肿瘤，一年就是429万例。

听起来似乎还是说，跟我好像没啥关系对吧，但是呢给大家另外一个数字。大家知道现在我们中国人的平均寿命大概是多少？接近八十岁对吧，不同的地区不一样，但平均差不多八十岁左右。在座的我们各位你很年轻啊，我们基本上都能活到八十到九十岁，这是一个好消息，对吧，但是一个坏消息就是说，当你活到八十到九十岁的时候，你患癌的几率是30%，就是每三个一定会有一个人得恶性肿瘤。

所以大家现在，可能开始有点感兴趣了对吧。到底刚才你说的那个神奇的技术是什么？我们这个技术叫做CTC。CTC是什么呢？CTC叫做Circulating Tumor Cell，循环肿瘤细胞，它是肿瘤检测的一个革命性的技术。CTC证明在癌症的早期就可以入血，它是肿瘤转移的一个种子，我们说种子。大家听说过种子土壤学说吗？就是说这个癌症，一个恶性的肿瘤，它会悄悄地潜入到我们的血液，随着我们的血液循环，它会再跑到全身，然后找到它合适的土壤。可能在初期并没有发现，但在某一天会发现说，某一个部位，这有一个转移灶。这个就是说我们肿瘤的远端转移，这是最可怕的。

因为肿瘤的死亡90%都是因为远端转移，也叫肿瘤转移。所以说如果没有转移的肿瘤呢，一般是偏良性的，不用太过于害怕。所以我们这个技术呢，也是就被这个《福布斯杂志》和这个MIT，这个《Technology Review》（《技术评论》）这个杂志，评为未来科技的五大颠覆技术。

我们这个题目今天叫做肿瘤捕手是吧，为什么叫肿瘤捕手呢？其实我们就是用纳米的科技来钓鱼。都钓过鱼对不对？钓鱼主要得有钓竿、鱼钩、鱼饵，所以我们就是用纳米的鱼钩跟鱼饵，来钓肿瘤这条坏的这条鱼。如果把血液比做一条河流，这个河流里面呢，有非常多的健康细胞。我们的血细胞、红细胞、白细胞……对吧。有多少个呢？每毫升有以十亿计的血细胞，我们叫它草鱼，健康的草鱼。但是这个如果有身体有病灶呢，在早期呢就可能有这个肿瘤细胞跑到血里面去，我们形容它为黑鱼，食肉鱼。

那在十亿条草鱼当中，有那么一条黑鱼，我们怎么办呢？那我们就要把它给钓出来。这就是我们的这个肿瘤捕手这个名称的这个来源。怎么钓？那一定是要用一定的鱼饵来钓对吧。黑鱼吃什么？吃肉，所以我们一定要用美味的鱼饵呢来钓这个黑鱼；而草鱼呢，是不会对这个有丝毫的兴趣，这样的话我们就不会谎报军情。

我们到底怎么去设计纳米的这个鱼饵？大家可以看这个图。首先我们是在非常非常小的尺度上面，我们制作纳米级别的鱼饵，叫做纳米的多肽。首先呢我们要筛选得到非常有亲和力的，也就是说非常美味的鱼饵，来识别这个肿瘤细胞；第二个就是说每一条多肽呢，我们可以把它组装在一起，我们叫纳米自组装。

像这种海葵一样的这个结构呢，一旦碰到肿瘤细胞呢，它就会像吸盘一样地牢牢地吸住这个肿瘤细胞，就是这个第三个图。这个紫色的，就是我们的这个肿瘤细胞，周围呢就会被我们的这个纳米磁株，通过多肽所捕获。这个磁株为什么叫磁株呢？它中间是有磁性的。就像大海捞针一样，你去找是找不到的，必须用磁铁，强磁铁，把它这个一根针给找到。

我们这个也是一样。在血里面我们加一个强磁场，我们就可以把这个肿瘤细胞给吸住，而其他的健康的这个血细胞呢就流走了。这个就是它的原理。好，刚才给大家介绍了这个技术的原理，现在给大家放一个视频。好，大家明白了。最后的这个发着这个绿莹莹的光，就是我们说的肿瘤细胞这个恶魔；上面这个红色的呢，其实它就是一颗混进去的一颗白细胞。

所以我们在显微镜下，就可以区分出这个血里面到底有没有肿瘤细胞。大家可能会说，这个技术听起来很简单，为什么要用纳米技术呢，对吧。可大家想一想，一条河里面只有一条到两条黑鱼，我们如果用一个鱼钩，有可能把它逮到吗？几率是非常之低的。所以我们这叫纳米天眼，就是我们要用把这个鱼钩缩小缩小再缩小，缩小到纳米级别以后呢，我们就可以把它的这个数量呈几何级数地放大，呈一个天文数字，就是让它这条河里，密布我们的这个鱼钩和鱼饵。

这就是我们说，如果十几亿的中国人里面，只有一个逃犯，我们怎么可能抓到他呢？那我们就是密布我们的天眼对吧，我们的摄像头，让他不管到什么角落里面，只要进入到这个摄像头，就一定能够把他给抓到。一样的这个原理。所以纳米技术就用在这个上面。因为我们这个纳米的尺寸非常的小，所以这才能做到十亿里挑一这样的精度，就可以作为肿瘤的第一道防线的哨兵。

到底它有多么的灵敏呢？我们来看这样的一个实验。在肺癌的最早阶段，就开始我们说的年轻妈妈的那个磨玻璃影那个阶段，在这个期哪怕最先进的PET CT呢，它的这个检测的准确率，大概只有百分之五六十。但是呢，通过血液里有没有CTC，我们能够达到接近90%的这样的一个准确度。达到这样的一个准确度呢，现在是这个世界上面应该是一个最灵敏的一个技术，这个就是让医生们非常地惊喜，所以这是我们，也就把它开发成一个产品。

纳米医学这个CTC呢，我们还能做什么呢？我再给大家带来一个故事。大家知道2018年的诺贝尔医学奖颁给了谁吗？看来都不是学我们这个专业的。它是颁给了这两位科学家，一位美国的，一位日本的科学家，他们发现了这个PD-1，和PD-L1这个分子机制。这个发现导致新的肿瘤免疫检查点抑制剂的这个产生。大家肯定说了，教授，你这个来蒙我呢？

讲这么难的事情，免疫检查点、抑制剂，什么意思，对吧。其实大家不用担心，我可以给大家把这个事情讲得很明白，而且你们用心听，很有可能有一天，你们会帮得到自己的身边的朋友。这个就是我们说的PD-1和PD-L1，大家看，这其实就是两个蛋白。底下这个红色的这个呢，就是一个肿瘤细胞，它上面表达这个蛋白呢，就叫做PD-L1；这个上面这个白细胞，它是免疫细胞的一种，叫T细胞，T细胞上面表达一种蛋白呢，叫PD-1。它这名字很接近，其实这两个就是一对，PD-1识别PD-L1，这名字就这么来的。

但它们两个一识别，会发生一个什么事情呢？就是本来这个，我们的T细胞，免疫细胞，是应该去攻击肿瘤细胞，来杀死这个肿瘤的，但是呢因为这个肿瘤这个恶魔呢，它突然获得这么一个良民证，这个PD-L1这个蛋白，它跟这个PD-1这个蛋白一结合呢，就会告诉这个T细胞说，我是自己人，不要杀我。这就非常可怕了。

我们身体里面其实，维持我们身体里面的平衡，主要就靠我们的免疫系统，对吧。其实我们每天每个人身上，都会产生几千个突变细胞，都是靠我们的免疫系统来维持的。但是如果这个肿瘤的细胞，突然获得了这么一种能力的话，我们叫免疫逃逸，这样的话，我们的这个免疫系统就怎么样呢？就失活了对吧，它就不能工作了。就等于我们的警察，全部都被黑社会给贿赂了，天天就在那不干活了。那我们这个肿瘤肯定，长得飞快对吧，非常的快，就这个就是说，其实恶性肿瘤，其中一个非常重要的一个分子机制。

所以呢，这个药是怎么回事呢？就是我们用一种抗体，我们可以打断这两个蛋白之间的连接。那会发生什么呢？它们两个不碰在一起之后，那我这个T细胞，就我们的警察，重新开始工作，就开始疯狂地去杀这个恶魔，去杀这个黑社会。所以这个就是我们现在这个药物，它的一个分子机制。所以呢在18年获得了，这个诺贝尔的医学奖，这也是呢一种最佳的这种治疗方案，这个机制的发现呢，带来了一场肿瘤治疗的这种革命，叫免疫治疗。

它到底有没有用呢？也是给大家带来一个例子。这位老先生大家认识吗？美国前总统吉米·卡特总统，他是在2015年的时候，非常不幸地发现了晚期的黑色素瘤，但是没有治好，转移了，转移到了肝部和脑部，最可怕的转移到了脑部，这个大家都预计呢，他可能活不过半年了。但是他非常的幸运呢，PD-1这个药面市了，他就非常勇敢地去用了这个药，对吧。

神奇的是，过了三个月呢，他的脑部肿瘤就消失了。他又治了三个月，他身上的所有的肿瘤都消失了，91岁的高龄，非常神奇。这种方案呢就叫做免疫治疗。利用身体自身的免疫系统，我们的T细胞去抵抗肿瘤，只杀坏蛋，不杀好人。不像以前的化疗药物，杀敌一千自损八百对吧，但是这个非常可喜的是，它只针对肿瘤细胞进行杀伤，所以副作用呢比较小。

大家可能知道，很多药物只针对某一种肿瘤，但这个PD-1这个药物呢，它针对各种各样的肿瘤都有神奇的效果，包括中国高发的肺癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌等等。但是大家也不要过于兴奋，不要说是不是就可以长生不老了对吧，那也不是这样，因为每个人的肿瘤细胞是不一样的。刚才吉米·卡特总统患的这个黑色素瘤，是这个药最有效的一个癌肿。因为他的这个PD-1，在肿瘤细胞表达的这个药物靶标，他的表达是非常的高的，所以这个药物就有效。我们这个叫做什么呢，叫PD-L1高表达等于药物的高响应。

也就说我们这个肿瘤细胞上面呢，如果有这个药物靶标，这个药物就会起效，如果没有的话呢，不仅不会起效，而且还可能有副作用，大家可能知道，这个要记住。所以最主要的一点呢，就是要挑选合适的患者，要看他是不是有这个药物的靶标，有这个靶标，就用这个靶向药，这个就是靶向药的一个基本的用药原理。

那到底怎么才能知道这个靶标是否存在呢？以往呢就是要去做活检穿刺，非常痛苦，很疼，但现在呢我们有了这样的一个CTC的技术，大家想想，是不是我们可以抽血就可以完成了？也给大家举一个真实的例子。国家纳米科学中心的一位博士，他太太患上了结直肠癌，而且呢经过手术治疗以后，过了一年的时间复发了，多处转移。

大家知道多处转移意味着什么呢？医院也没有什么办法了。所以这位老公呢，就在纳米中心呢来找到我们说，你们一直做这个肿瘤捕手，看看能不能想想办法救救我的太太。我说那我们来试一下。我们就抽了一管血，结果我们一查怎么样呢，这就是我们的查到的这个肿瘤细胞CTC，中间这个就是我们染色PD-L1这个蛋白。可以看到每一颗细胞上面都是染得很红的这个荧光，这个就是我们发现的她的两毫升的血里面呢，有23颗CTC，早期的肿瘤呢只有一两颗，但她有23颗，证明肿瘤在转移。

但是好消息是什么呢？她的每一颗的CTC都高度地表达这个PD-L1这个蛋白。那我们就告诉了她的主治医生，我们说她有这么一个药物的靶标，所以这个医生也非常当机立断，就给她花了很多的渠道找到了这个神药，然后给她打了这个药，就非常神奇，一针下去，她的症状就减轻了。三个月，她的最大的一颗肿瘤，从十个厘米就降到了三个厘米。非常的神奇，因为对症下药。而且经过现在一年多的治疗，她现在已经恢复了基本正常的生活，已经开始去上班，去旅游了。大家是不是为她很开心呀？是。

所以呢这个不光是一个特例，这个其实是我们进行了很多的临床的实验。这是我在这个2018年的时候，去参加了世界上最顶级的肿瘤学年会，我们在上面报告了我们的结果。引起了大家的关注。而且呢，现在我们已经跟中国最顶级的药企恒瑞、信达，我们现在进行了全方位的合作。在不久的将来，这项技术就可以真正地走向市场了，我们现在已经开始给大家服务了。

我们的纳米技术，这次真正地跻身世界强国之林。这个是我们讲的CTC的肿瘤捕手技术。总结一下：第一，灵敏度高，对吧；第二，癌种广泛，多种癌种都可以检测；第三，无须开刀。而且我们现在拥有了深度分子检测的能力，我们就可以对于这些靶向药，通过抽血，我们就可以来预测它的疗效，这全部填补了现在医学的空白。

这就是我们开发的一系列的试剂盒，拥有自主知识产权，全部是由我们生产，made in China（中国制造），developed in China too（中国研发）。大家看到这样的一个技术，我们不仅拿到了北京，而且科技部的中国创新创业大赛的总冠军，一系列的大奖，我们去基本上都拿的是冠军。这个是《人民日报》专门报道，我们中科院的这个肿瘤捕手技术，大家看到纳米技术非常的神奇，对吧，所以各国都投入了巨资，在纳米科技上面去发展，我们国家也是一样。

欣喜地告诉大家，国家的钱没有白砸，我们现在中国的在纳米科技上面的论文数，已经超过了美国，现在是全世界第一。所以说我们这个技术呢，现在它已经开始进到了这个市场上，大家可以看到，它可以做很多的事情。第一，健康人群，就在座的我们每一个人，我们都可以去做肿瘤的这个筛查；第二个就是肿瘤的患者，可以进行疗效的评估和复发的监测；第三种是肿瘤的晚期的患者，或者说用药无效的患者，像刚才我说的，我们那位博士的太太，我们可以帮助她去指导，去换药，精准地用药，这也叫做精准医学。

它的应用场景大家看这张图。第一个就是健康人来到我们这里，每年体检一次，用的什么呢？肿瘤捕手早筛型。如果CTC为零，很开心对吧，今年不用担心了。但是如果说他高于了阈值，大于等于4颗的时候呢，那我们可能需要去医院，进一步地去深度体检，找到这个病灶去进行治疗，一个小手术也许就解决问题，手术之后我们再测一下CTC，如果归零了也是很开心对吧。

然后如果像刚才说的，有一些治疗没有效果，CTC不仅没有下降，还上升了，那怎么办呢？那我们再进一步地帮他寻找用药，对吧，用药指导，直到我们给他找到一个合适的一个治疗方案。这叫做肿瘤捕手精准型，这就是纳米医学在肿瘤全周期的一个应用。这个纳米医学呢，我们可以看到，已经带来一场革命，能够在肿瘤的早期发现，做到早诊断，早治疗，是人类与癌症的战役呢，进入到一个精准医疗的时代。

高灵敏度，高个性化。科学预防疾病，科学管理健康。有了这样的武器，我相信大家都不愿意做这个鸵鸟了对吧。科技的改变呢，不仅带来我们的知识的进步，也带来认知的改变，大家面对的肿瘤呢，不再是鸵鸟的心理，不会认为它再是绝症。很多人觉得肿瘤是绝症，我宁愿不知道，我不知道一天，我就快乐一天，知道呢我就认了，但现在不要再这么想了，对吧，因为我们现在有了这样的高灵敏度的纳米技术。

我们要早发现，早治疗，可能就花几千块钱，我们就一点也不用担心了，我们说有达到90%的治愈率，你有什么好担心的呢，对吧。其实在我们纳米中心呢，有各种各样的学科，我们这是一个高度交叉的学科，刚才看到，纳米跟医学交叉叫纳米医学，其实我们还有很多纳米化学、纳米物理学、纳米电子学……纳米到底是什么呢，有知道的吗？

其实纳米很简单，就是一个长度单位，就十的负九次方分之一米，就是说十亿分之一米，就很简单吧。就一根头发丝的粗细多少呢？零点一个毫米。一个毫米是等于一千个微米，一个微米是一千个纳米，也就相当于说一根头发丝呢对吧，往下走一万或者十万倍，才到这个纳米级别，大家可能还没有这种感觉，因为纳米还是很玄，对吧，看不见。

大家可以想像DNA知道对吧，DNA的直径呢就是两个纳米。讲到这个是为什么呢，就是说其实纳米，就是一个我们分子的尺度，为什么一直说纳米科技，因为只有在这个尺度上面，我们人类是有能力去设计，去制造，或者创造我们新的这个分子，这就是纳米科技。纳米之父是一个物理学家费曼，他在1959年的时候，提出这么大胆的一个假设。他说，我们是不是可以在针尖这么大的大小上面，写下全部的百科全书。

这个事情呢，在这个1990年的时候终于实现了。我们用我们的这个电子显微镜的这个针头，我们可以移动原子，仅仅用35个原子，我们就可以组成这样的一个图案。大家可以想象，在原子尺度，我们就已经可以实现我们的操控了，这就是纳米科技。

所以这个纳米技术呢，就是在这个可控的条件下，改变原子的连接结构，创造新的分子，创造新的物种，尺寸呢在一到几百纳米之间，都叫做纳米。这么小的一个维度下呢，很多的我们的化学物理的性状都会发生改变，比如说纳米颗粒比表面积会呈几何级数地放大，刚才我们说的肿瘤捕手多肽纳米磁珠，其实就用到的这个原理。

比如说，我们很多的金属的那个材料呢，它的导电性，它的导热性，都会发生一些根本性的变化，不再遵循我们中学所学的这些欧姆定律。还记得欧姆定律吧？比如说我们可能听说过石墨烯、碳纳米管，这些碳纳米材料，它们得到的这个强度，比现在世界上最好的钢铁还要强一百倍。人类第一次呢，我们可以从原子上面来设计新材料。

这样的技术，会对人类很多的科研领域带来神奇的变化，目前已经用在半导体技术。大家都知道芯片对吧，7纳米的这个芯片，包括现在大家都在期待的这个量子计算机，我们的这个运算能力会呈几何级数放大，这都是要等待我们纳米技术的突破。还是回到我的这个本行纳米医学，这是我熟悉的领域。刚才介绍到在体外捕获肿瘤细胞，大家可以再发挥一下想象力，我们还能做什么事情呢？对，我们也可以把纳米材料打到体内。

它既然可以识别肿瘤细胞，那我们就可以携带我们的药物，我们可以去在体内找到刚刚萌芽的肿瘤细胞，对吧，我们把它杀死，我们不仅可以在诊断，我们也可以做治疗。大家可以再发挥一下想象力，我们不仅对肿瘤可以做这件事情，我们是不是可以对心血管疾病，对于脑血栓，我们都可以把我们这个纳米科技推进去，对吧，我们叫纳米推进器，或者叫纳米机器人。

这个技术现在已经不遥远了，可能在未来的十到二十年的时间就可能实现。所以你们是不是可以想象，你们能活多久？都很开心是吧。我预计每个人都能活到一百岁。当你们掌握了这些知识，当我们这个技术成熟了以后，当你们活到一百岁的时候，你们会害怕什么？我最怕的是什么呢？活到一百岁的时候，我最怕得的是老年痴呆，对吧。

你活到了一百岁，但你傻了，是吧，是不是很痛苦的一件事情。我告诉大家，我们实验室也在研究这个纳米材料。现在只需要一滴血，不需要一管血了，一滴血，我们就可以提早五到十年来预测这个人可能得老年痴呆。而且现在已经有各种各样的技术的进展，已经可以说，只要早期地发现，在没有傻之前，没有痴呆之前，神经元没有坏死之前，实际上是可以预防老年痴呆的。

那这样是不是，我们就可以不仅健康地活到一百岁，而且聪明地活到一百岁？对，所以说我说大家一定要放开自己的想象力，这个纳米科技诞生在二十世纪，现在才是小荷才露尖尖角，它的灿烂和美丽将属于二十一世纪，属于咱们大家，未来纳米会带来更多的惊喜，帮助我们人类插上想象的翅膀。讲了这么多，就是希望大家更多了解我们纳米，了解我们纳米医学。

因为纳米可以创造崭新的材料，崭新的技术，改变以前我们对绝症的看法。针对很多以前认为是绝症的疾病，我们都有了解决方案，这给大家带来更加健康，更加美好的生活。我们是纳米医学的国家队——国家纳米科学中心，欢迎大家来报考我们中国科学院大学。我们的目标是帮助我们每个人看到纳米科技的星辰大海。

谢谢大家！