出品：科普中國
作者：寧玨垠（華中農業(yè)大學寵物健康研究院）
監(jiān)制：中國科普博覽
編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。
能使葉莖黃化、葉片斑駁黃化，進而變成“紅鼻子”果的黃龍病，不僅讓柑橘品質低劣，喪失經濟價值，而且會迅速蔓延，危及整個果園。這個由細菌引發(fā)并通過木虱傳播的病害，因為其隱秘性和破壞性，在傳統(tǒng)監(jiān)測手段面前總能“肆意妄為”，一直以來是全球柑橘經濟的頭號大敵。然而，誰也沒想到，影響柑橘產業(yè)幾十年的起伏的“柑橘癌癥”，竟然被狗靠鼻子診斷出來。
金色拉布拉多尋回犬
（圖片來源：veer圖庫）
最近，在江西贛南臍橙產業(yè)園中，由一位訓導員和一只拉布拉多尋回犬組成的黃龍病新型監(jiān)測手段，憑借著狗出色的嗅覺“診斷”能力，大大提高了黃龍病的檢出率，園區(qū)黃龍病發(fā)病率一度從29%降至3%。既然狗可以靠鼻子聞出水果的病害，那么它們是不是也能同樣識別癌癥患者？答案是當然可以。
狗為什么可以通過嗅聞發(fā)現(xiàn)癌癥？
相比于只有500萬個氣味受體的人類，狗狗的氣味受體數(shù)量是人類的44倍，而且已超過2.2億個，還有遠超人類690倍的嗅覺接收器平展面積。動物行為學研究博士史蒂夫·懷特曾在《警犬的作業(yè)基礎-氣味》研究報告中對此做過一個形象比喻：德國牧羊犬與人的嗅覺接收器的面積，是一平方碼（0.83平方米）與一張郵票（0.0012平方米）的對比。
鼻平面上的斑塊狀結構
（圖片來源：Unsplash）
狗的鼻平面是鼻子上無絨毛的部分，所覆蓋的斑塊狀的結構從鼻平面一直延伸到鼻孔和鼻腔內。這讓高達3.3m/s嗅吸動力的狗鼻子，一邊能快速地吸入更多體積的新鮮空氣，一邊又從鼻側面夾縫中排出更多體積的“舊”空氣。
空氣進入鼻腔后，氣味分子先經過位于下方的犁鼻器，再通往后方的嗅覺區(qū)。剩余空氣則從尾部較低的通道順著咽流到肺部，參與呼吸。
犬和人類嗅覺系統(tǒng)的示意圖結構
（圖片來源：參考文獻7）
犁鼻器是人類所沒有的，位于鼻底和梨骨兩側組織中的特殊嗅覺器官，呈“成對的小盲管狀”。作為感覺外激素的化學感受器，它不僅擁有雙極嗅細胞，還通過608根犁鼻神經束與嗅葉和大腦直接相連。它對小范圍內特異性的化學感應信號（即信息素）的識別更加靈敏，被認為是主嗅覺系統(tǒng)的輔助結構。
嗅覺區(qū)是狗嗅覺系統(tǒng)最核心的區(qū)域，也是主嗅覺系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方，含有鼻甲骨、鼻竇、篩骨、嗅粘膜和嗅球等大量嗅覺器官。在這里，狗可以識別環(huán)境中的化學氣味，這也是它為什么能識別癌癥的重要生理原因。
大多數(shù)動物對氣味的最低分辨濃度是 10^-6～-10^-9 摩爾，人類是10^-4.5摩爾，而狗狗可以聞到低至10^-17摩爾濃度的氣味，也就是說，在一個長120米寬90米的足球場上，狗可以輕而易舉地聞到一個蘋果的氣味，同樣，在這個足球場上，狗也能輕而易舉地聞到一位癌癥患者。
狗為什么能聞到癌癥？
先來看看“柑橘癌癥”黃龍病是怎么被聞出來的，美國佛羅里達州的植物保護專家蒂莫西·哥特瓦爾德發(fā)現(xiàn)，當細菌感染柑橘樹時，柑橘樹會釋放出一些極其微量且特殊的化學物質。正是通過捕捉這些化學物質，狗得以判斷一棵柑橘樹是否患上黃龍病。類似的，癌癥也會釋放極其微量且特殊的化學物質——這就是狗能識別癌癥患者的根本原因。
大家都知道，中醫(yī)講究“望聞問切”。這個“聞”，就是身體抱恙伴隨著氣味的具象表現(xiàn)——人生病時，口腔、唾液、尿液、汗液等會出現(xiàn)氣味異常。以人可以聞到的典型氣味來舉例，糖尿病患者出現(xiàn)糖尿病酮癥酸中毒時，過量的丙酮會通過呼吸排出體外，聞起來和蘋果腐爛的味道類似；腎衰竭病人呼出氣體中，含有一定濃度的二甲胺和三甲胺類物質，聞起來和尿液的味道類似。
老中醫(yī)給病人診病
（圖片來源：veer圖庫）
當我們把結腸癌細胞、肺癌細胞等癌細胞進行體外培養(yǎng)就會發(fā)現(xiàn)，它們也產生了不同的“氣味”，只不過濃度特別低，人類聞不到。
癌癥氣味從哪里來的？
癌細胞為了滿足其持續(xù)生長的自身需求，會出現(xiàn)：①葡萄糖、脂肪和氨基酸代謝失調；②代謝物驅動基因調控的改變；③與微環(huán)境的代謝相互作用等代謝典型特征。也就是說，相比健康細胞，癌細胞有截然不同的代謝水平，并生成特有的代謝產物。
癌細胞三維圖像
（圖片來源：veer圖庫）
這些代謝產物一部分以不可揮發(fā)的形式（如基因類、癌抗原、生長因子、白細胞介素等）存在體內，另外一部分以可揮發(fā)的形式（如烷烴、烯烴、醇類、醛酮、苯系物以及含氧化合物、含氮化合物及含硫化合物）經血液循環(huán)，通過呼吸、唾液、尿液、糞便、皮膚輻射和血液釋放排出體外，到周圍空氣中——可揮發(fā)的這部分代謝產物，我們稱之為VOCs（可揮發(fā)化合物）。
癌癥患者VOCs通過呼氣的釋放濃度為微克至皮克級，而通過血液和尿液的釋放濃度為微克至納克級。微克級、納克級和皮克級有多少？
如果說一個回形針重約1克，一粒芝麻重約1毫克，那么芝麻的1000分之一就是微克，大概是一粒肉眼不可見的塵埃的重量。將這粒塵埃繼續(xù)切碎1000份，每一份是1納克。取其中1納克接著切碎1000份，這才得到了每份1皮克。
可見微克級、納克級和皮克級的VOCs濃度有多么低，不過好在狗鼻子足夠強大，強大到這些濃度恰好在它們的嗅覺范圍之內——這就是為什么幾乎沒有人能夠聞到癌癥，而狗卻可以聞到的原因。
狗在癌癥嗅聞上的真實表現(xiàn)如何？
1989年，一只從未被訓練過的狗總是沖著主人腿上的“黑痣”吠叫。因為疑惑，主人前往醫(yī)院檢查，發(fā)現(xiàn)這顆“黑痣”真身為惡性黑色素瘤。這件事發(fā)表在《柳葉刀》雜志之后，國外對相關研究報道的數(shù)量急劇增長。狗狗們的訓練項目也從嗅聞黑色素瘤擴展到膀胱癌、卵巢癌、乳腺癌癌癥、前列腺癌和肺癌等一系列常見人類癌癥。
從國外相關文獻來看，狗狗對癌癥的嗅探研究暫處于實驗室階段，它們對癌癥的靈敏性和特異性普遍達到90%以上，該結果同樣得到國內趙勤濤團隊的驗證。
目前，該團隊的研究已踏出實驗室走進醫(yī)院。從醫(yī)院初步雙盲測試結果來看，狗狗對新發(fā)和不同階段骨髓瘤的檢出率達94%，對早期肺癌的檢出率達93%，對治療中、術后復發(fā)病例的檢出率達98%。
也許在不久的未來，喜歡狗的家庭，真能擁有一只既能撒嬌又能互動的測癌小雷達！當然，在這里還是要祝愿大家身體一直健康！
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