第三章：用于诊断的新型化学

 

识别疾病的分子起源、症状和进程对有效的治疗至关重要。通过开发新的及早检测疾病的化学手段和能更近距离地监测疾病进展的更灵敏的检测方法，化学家们将使我们能更快地诊断并且更有效、侵入性更小地监测疾病。

1生物标志物

我们需要找出可靠性、特异性更好的生物标志物来在早期阶段检测疾病，化学家们对发现和利用生物标志物将是至关重要的。

生物标志物是由受到感染或有缺陷的细胞以及受损组织或器官产生的特定蛋白质或代谢产物。例如，它们可以是癌细胞产生的蛋白质或为心脏细胞受损害而产生的代谢产物。在疾病的早期阶段检测生物标志物，将使癌症在有机会扩散前和心血管疾病在导致心脏病发作前得到治疗。

目前临床使用的许多生物标志物并不可靠，对其所用于诊断的疾病不具有特异性。经常发现患者之间的生物标志物的水平有显著差别。例如血液中前列腺特异性抗原（PSA），其通常测量值和患前列腺癌时的水平并非一定有明显差异。癌症等疾病在不同患者之间其生理学和生化学是高度可变和不同的。因此，患有同种癌症的两名患者，可能表现出与他们的疾病相关的一套完全不同的生物标志物。

化学家正通过获得对每一种情况下疾病进展的更好了解（见第二章：化学与疾病）来帮助找出更好的生物标志物。有必要进行长期研究以记录与疾病相关的蛋白质和代谢物如何随时间而变化。这将有助于找出能在疾病发展的较早阶段被检测的真正有用的生物标志物。

化学家将帮助提供更好的工具来验证生物标志物，以确保它们是准确的和特异性的，并确定其在生物系统中的正常功能。反过来，这将有助于揭示生物标志物是否在疾病过程中起着重要的作用，或者更可能只是一般的生理应激反应所产生的。

2探针

化学家将设计和使用用于诊断和成像的新型分子探针。

化学探针通过与生物分子特异性相互作用来提供有关其生物作用的信息或测量病人的生物标志物的水平，从而使科学家能够探索生物系统。目前还很难将现有的探头送入病人体内并定位于需要它们的特定位点。

需要新的无抗体诊断疾病的方法，特别是当我们要利用现场实时诊断技术的优势的时候。许多基于抗体的诊断技术易受假阳性和假阴性结果的影响。化学家正在研究新一代探针，其可以特异性绑定到目标生物标志物而使其浓度能够测量，并且将在照射技术中有潜在用途。

现在仍然存在着重大的挑战，尤其是涉及到将探头运送到其生物作用位点的时候。许多核酸探针现已作为探索基因功能的研究工具，然而化学作为许多技术的基础需要进一步加强，以提高效率和降低成本。这些探头使科学家能够瞄准细胞中的特定基因（通常是通过关闭其功能），以了解它们在生物系统中的作用。以发展核酸疗法为最终目的，化学将帮助我们更好地将核酸探针瞄准细胞进而改善其细胞进入性，并更好地了解基因的功能。

3分子成像和诊断

为了利用新发现的靶标，化学家将开发用于分子成像和标志物水平测量的新方法。

分子成像与传统成像的不同在于其用特异性生物标志物来检测目标生物系统中特定的分子模式和特性。生物标志物与其周围的环境发生化学相互作用，并反过来根据所关注域区内发生的分子变化而改变其图像。这种将精细的分子变化成像的能力，为早期发现和治疗疾病及基本药物开发等医疗应用提供了大量令人振奋的可能。

化学家在帮助提供新的、灵敏的（和理想中非侵入性的）测量单个细胞内新型生物标志物性质的技术以探测疾病的分子基础中正发挥着重要作用。 

除了传统测量样本在血液中的浓度，新型诊断方法还包括测量替代性生物标志物的性质。与疾病相关的分子变化往往很细微，以致它们在血液样本中仍然无法探测。许多灵敏的探测手段需要更多了解有关疾病的分子基础，这将对诊断直接有用（见第二章：化学与疾病）。

疾病的生物标志物在生物体液中出现时的浓度往往非常低，用传统方法难以检测。未来通过检测人体中的微小生化变化，我们将能够在身体症状出现前诊断疾病并启动适当的治疗。

为了获得个性化医疗的好处，迫切需要改善我们识别与特定疾病相关的基因的能力。这将需要廉价、精确和高效的从个体基因组中筛选已知与特定疾病相关的基因的技术。化学家正在与其他科学家和临床医生一起合作，提供一套全新的个性化的诊断和成像技术，在疾病发展的早期阶段检测与癌症和淀粉样疾病（如阿尔茨海默氏症）相关的独特异常。新办法将超越简单地在生物样品中检测蛋白表达，走向对蛋白表达相应模式的了解并实时监测这些模式内的变化。这反过来又将促使一套新的个性化治疗手段的产生，实现选择性地对付疾病同时避免不必要的副作用。

化学家正在帮助开发负担得起的基因组测序设备，使医护人员能预先警示那些对特定疾病有遗传易感性的个体，使其能采取预防措施。然而，单靠个体基因组测序无法实现个性化医疗，如果没有结合分子水平的理解，这将被证明是无效的。

化学家正为临床应用研究一系列更便宜、更简单、能够覆盖更宽尺度范围的成像技术。目前在临床上用于诊断疾病的成像只能在大尺度范围进行且使用昂贵的设备。定点照护技术可以迅速而准确地在床边诊断，这有可能改变现有的医疗系统并改善世界各地人们的生活。

随着新技术不断出现，它们将能够支持现有的可靠的大型设施。新的可处理固体样品的质谱技术正在出现，它能通过直接捕获细胞表面的化合物而对病变组织成像。新的能使生物细胞尽可能“透明”的成像方法对快速、准确的病床边诊断将是至关重要的。新兴技术将在引导癌症手术中帮助区别癌细胞和健康组织。

案例分析：病床边的质谱技术

化学家们对质谱有着丰富的专业知识，并可能将质谱与新的定点照护技术相结合，开发快速、准确的床边诊断方法。 将质谱和聚合酶链反应（PCR）技术结合，可为个性化医药和许多非传染性疾病的诊断迅速地确定遗传性生物标志物。新的质谱技术将使我们通过定量分析多种与癌症相关的蛋白质的表达实现更快速的诊断。