大约在公元前 250 年，国王 Hiero 请工匠为他打造了一顶纯金的皇冠，可是拿到皇冠之后，国王眉头一皱，感觉事情并不简单，他怀疑工匠偷工减料，这顶皇冠并不是纯金的。但是国王找不到证据，于是他找到了整个国家中最棒的科学家——阿基米德，请他想个办法来鉴定一下。这个故事大家肯定都听过，阿基米德最终通过浮力差异证明了工匠果真不诚实。

当奇点糕还是个小奇点糕的时候就听过这个童年必备睡前故事了，可是奇点糕没想到的是，有这么一位来自 MIT 科赫综合癌症研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）的科学家——Scott Manalis 教授居然能受此启发，带着团队制造出了优于目前所有方法的，可以给单个细胞称重的装置 [1]！而且这次他们还把它应用到了癌细胞上，只用 3 个小时，快速为患者筛选药物，并且在数名多发性骨髓瘤患者身上验证了准确性和实用性，研究刊登在了《自然通讯》杂志上 [2]。

Scott Manalis 教授

细胞那么小，称重该咋称？而且为什么称重可以筛选出药物呢？这两点大概就是核心问题所在了。

首先来说“为什么称重可以筛选出药物”这个问题。这还是 Manalis 教授的团队在 2016 年确定的，他们将单位时间内细胞的质量变化定义为质量积累率（MAR），可以作为衡量癌细胞增殖速度的指标，而癌细胞的增殖速度也刚好反映了它对药物的敏感性。使用药物处理后，MAR 减少意味着癌细胞对药物敏感， MAR 不变则说明对这种药物具有耐药性 [3]。

对于有些癌症来说，可选择的药物有很多种，但是在治疗前，医生并不知道某位患者用哪种药物会最有效，还有就是会有相当一部分患者癌细胞太过坚强，消失一段时间后还能卷土重来，而这些患者很可能已经对初次治疗中使用的药物产生了耐药性，所以要更换哪一种药物才能杀死变强了的癌细胞也是一个颇有难度的问题。

对于患者来说，时间就是生命，而受益于这个精准治疗的时代，科学家们已经发现了一些生物标志物可以用来判断药效，但是可靠标志物的数量仍然不够，而且同一个肿瘤内癌细胞的异质性也会让生物标志物的检测难以体现不同细胞亚群的“个性”，因此，Manalis 教授这个可以给单个细胞称重的方法，可以说是在个性化给药的路上又前进了一步了。

其实在此之前，还有一些研究人员也在另辟蹊径，利用细胞来做药物体外筛选，不过他们选择的指标是癌细胞的“活力”。这个很好理解了，如果药物有效，那么癌细胞肯定就会活力持续下降，最终死掉。不过在这次的新研究中，研究人员对这两种方法进行了比较，同样的药物浓度下，癌细胞存活力测试需要 10 个小时才能观察到和对照组出现明显变化，而 MAR 的变化在 1 个小时后就已经显现出来了 [2]！

b：使用硼替佐米后，对药物敏感的 ANBL-6.WT 细胞系和耐药的 ANBL-6.BR 细胞系的 MAR 随时间的变化

c：使用硼替佐米后，对药物敏感的 ANBL-6.WT 细胞系和耐药的 ANBL-6.BR 细胞系的细胞活力随时间的变化

接下来就是“咋称”的问题了，这还要从 1999 年开始说起，那一年，Manalis 教授在斯坦福大学拿到了自己的应用物理学博士学位，接着就加入了 MIT[4]。一个物理学博士，是怎么掺和到生命科学研究中的？对此，Manalis 教授的回答是：将精密测量技术引入生命科学研究是我的每个项目的特色 [1]。

自此，Manalis 教授开始了他的研究之路。以前传统的称量微小物质的方法需要准备由硅制成的的小平板或悬臂，再放置于真空环境中，以一定频率振动，当微小物质放到小平板或悬臂顶部后，振动的频率会有所变化，这样的变化通过传感器传导出来反映出的就是这个微小物质的质量了 [5]。

因为在真空中进行，所以可以防止空气等流体对振动频率的干扰，结果的准确性也受到保证，但是问题在于，这种方法只能测量“没有生命的物质”，因为像细胞这些“微小物质”在真空中无法存活，所以，想要测细胞，就只能将它放在流体中，但是这样准确性又会下降 [5]。看起来是个鱼和熊掌无法兼得的问题？

可 Manalis 教授不这么想，他做了一个巧妙的结合，硅片仍然放置在真空中，但是硅片内嵌入微流体装置，细胞可以通过微通道进入装置，这样细胞既可以存活一段时间，又排除了空气的干扰，Manalis 教授给这个装置起名为悬浮微通道谐振器（SMR），这个研究成果在 2007 年正式面世，论文发表在了《自然》杂志上 [6]。当时它可以称量的数量级为毫微微克（10-15 克），不过在 2014 年时，Manalis 教授将它提高到了微微微克（10-18 克）[7]。

SMR 工作示意图，细胞左侧入右侧出，上方凸起为质量传感器，下方是复杂的通道，可以将细胞到达每两个传感器之间的时间拉长，确保重复测量的准确性

而且在 2002 年，Manalis 教授还当选了 Technology Review 杂志选出的 100 位 35 岁以下杰出青年创新者之一，这些人的创意和工作被认为是“会深刻影响未来人们如何生活、工作和思考”[8]。

2016 年的 9 月和 10 月，Manalis 教授在《自然生物技术》杂志上连发两文，分别证明了 SMR 在治疗细菌感染时可以用来快速筛选抗生素或抗菌肽 [9]，以及在胶质母细胞瘤和急性淋巴细胞白血病两种癌细胞系中可用于药物筛选，并且证明了质量积累率（MAR）可以作为癌细胞药物筛选的指标 [3]。

图中为凸起的质量传感器的部分，放大的部分为谐振器，当细胞或是其他物质经过谐振器时，振动频率发生变化，可以转化为细胞的质量

在这些成果的积累下，Manalis 教授再次有了突破，这次他选择了多发性骨髓瘤这种癌症，多发性骨髓瘤属于淋巴瘤，虽然可选择的药物有几种，但是耐药性和复发率都很高，因此在药物筛选方面，SMR 应该是有不小的用武之地的。

这次的 SMR 设计有 10 个悬臂质量传感器，所以，每个细胞在“走”完整个 SMR 的 15 分钟里，要被称重 10 次，这样测得的 MAR 会更加准确。在初步的细胞系实验中，研究人员选择的几种药物也是有代表性的标准治疗药物，硼替佐米（bortezomib）、地塞米松（dexamethasone）、来那度胺（lenalidomide）以及处于临床研发中的新型小分子药物 JQ1（一种 BET 溴蛋白结构域抑制剂）。这几种药物无论是单独使用还是组合使用，在几种人类细胞系中表现出的 MAR 变化都与已知的敏感性和耐药性相符合。

画面中下方即为 10 个悬臂质量传感器

那么接下来就要在临床患者的实际应用中接受检验了，研究人员一共随机选择了 9 名患者，每名患者取出的癌细胞都需要用药物处理 3 个小时，研究人员对每种药物单独使用或是联合使用（硼替佐米 + 地塞米松，来那度胺 + 地塞米松或三种药物联合使用）都进行了测试，然后选出最佳治疗方案给患者进行治疗。

根据测试结果，有 6 名患者分别对 2 种或是 3 种药物联合使用响应最好，而其余 3 名则是属于即使 3 种药物联合使用也依然耐药的。接受治疗后，有 8 名患者与测试结果完全符合，另外一名患者在来那度胺 + 地塞米松治疗无响应后改换硼替佐米 + 地塞米松 + 泊马度胺方案（泊马度胺与来那度胺属同类免疫调节药物，2013 年被 FDA 批准用于治疗其他药物治疗后无效的患者），60 天后也达到了完全响应（CR）。

R：来那度胺，V：硼替佐米，D：地塞米松，VGPR：良好的局部响应，PR：局部响应，NR：无响应，nCR：几乎完全响应，PD：疾病持续进展，3 号患者就是调换治疗方案后达到完全响应的

这个初步的小型临床试验可以说是效果不错了，但是研究人员认为，现有的方法难以评估肿瘤微环境对药物效果的影响，因此他们在后续的研究中还会尝试进行模拟微环境的培养，以评估对药物的影响，再与称量结果相结合来更加准确的进行判断。研究人员表示，他们已经启动了一项规模更大的临床试验，还将扩展到其他癌症种类 [10]。

编辑神叨叨

同样是看过阿基米德的科学启蒙小故事，奇点糕怎么就和人家差这么多呢！

参考资料：

[1] Marx V. The author file: Scott Manalis[J]. Nature methods, 2012, 9(9): 849-849.

[2] Cetin A E, Fulciniti M, Stevens M M, et al. Determining therapeutic susceptibility in multiple myeloma by single-cell mass accumulation[J]. Nature Communications, 2017, 8(1): 1613.

[3] Stevens M M, Maire C L, Chou N, et al. Drug sensitivity of single cancer cells is predicted by changes in mass accumulation rate[J]. Nature biotechnology, 2016, 34(11): 1161-1167.

[4] https://ki.mit.edu/people/faculty/manalis

[5] http://news.mit.edu/2007/nanoparticles

[6] Burg T P, Godin M, Knudsen S M, et al. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid[J]. nature, 2007, 446(7139): 1066-1069.

[7] Olcum S, Cermak N, Wasserman S C, et al. Weighing nanoparticles in solution at the attogram scale[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(4): 1310-1315.

[8] Nanotechnology and Oncology: Workshop Summary[M]. National Academies Press, 2011.

[9] Cermak N, Olcum S, Delgado F F, et al. High-throughput measurement of single-cell growth rates using serial microfluidic mass sensor arrays[J]. Nature biotechnology, 2016, 34(10): 1052-1059.

[10] http://news.mit.edu/2017/cell-weighing-method-could-help-doctors-choose-cancer-drugs-1120

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