革新！术间完成肿瘤分型，纳米孔展现实时测序非凡潜力！

中枢神经系统肿瘤是最致命的的癌症类型之一，在儿童之中尤其突出。手术切除通常是此症的初级治疗手段，这对于神经外科医生来说是一个重大挑战，因为手术过程中医生必须在尽可能最大限度切除肿瘤和最小化神经损伤和减少并发症风险之间取得微妙的平衡。

然而，外科医生在术前对肿瘤确切类型的了解往往是有限的，目前的标准实践主要依赖于术前的影像学检查和术中冷冻切片组织学分析。但这些方法并不总是有明确的诊断结果，有时甚至会出现错误，确切的诊断需要病理学家对肿瘤组织进行视觉和分子分析之后提供，而这通常是在手术后一周。

除了周转时间难题，不同神经系统肿瘤还对应着不同的手术切除策略。例如，相比髓母细胞瘤近全切除术，完全切除术展示出的预后改善有限，这表明对于这些肿瘤来说，最大程度的切除不一定是首选。相反，对另外一些肿瘤中，激进的切除方案可能是有益的。这就意味着，要么过度切除健康的脑组织会造成神经损伤，要么肿瘤切除不充分，可能需要二次手术，给患者和家庭带来额外的负担。

因此，神经外科手术的积极程度取决于对肿瘤的精确和可靠的诊断。

近年来，全基因组的DNA甲基化检测已成为区分肿瘤亚型的有力手段。但是目前无论是基于甲基化芯片的检测还是亚硫酸盐短读长测序，至少都需要几天的周期，无法用于术中的肿瘤类型诊断。

纳米孔测序技术是全球最新一代商业化的基因测序技术，该技术具备实时测序、操作简便、测序速度快等突出优势。纳米孔技术除了在全基因组测序、转录组研究应用中的优异表现，其无需核酸分子PCR的先天优势，可直接进行甲基化分析，而无需再进行额外的样本制备，同时还可以获得传统测序方法可能无法识别或识别困难的基因组区域的甲基化信息。

因此，来自荷兰乌得勒支UMC医学中心的Jeroen de Ridder及其团队将目光转向了纳米孔测序。纳米孔测序低投入成本、实时数据分析以及样本准备时间可大幅压缩的特性为手术中的肿瘤亚型诊断提供了支撑。因此，基于纳米孔测序技术就能在手术的早期阶段将组织样本送去测序，外科医生可依据及时反馈的分子诊断结果来影响和调整神经外科策略。

但Jeroen de Ridder及其团队在实际应用中面临的主要挑战是，神经外科手术的决策时间往往在90分钟之内，在如此短的时间内测序只能产生“非常稀疏”的甲基化谱。此外，基因组的哪些CpG位点会被覆盖到并产生甲基化信号也是提前无法预知的。

机器学习等前沿技术正日益成为纳米孔测序数据分析工具箱的核心要素，为了解决上述问题，研究人员进一步开发了一种名为Sturgeon的深度学习工具，这是一个患者无关的神经网络分类器，经过优化后可以很好地处理稀疏数据。

Sturgeon在手术前为训练和验证复杂的神经网络分配了大量的计算资源，这是区别与现有分类算法依赖于术中患者特定模型训练的优势。Sturgeon 接受了3680万次模拟纳米孔运行的训练，并进一步在另外 420 万次模拟纳米孔测序运行中进行了验证后，最终Sturgeons只需几秒钟即可在笔记本上运行并利用纳米孔生成的甲基化数据对肿瘤类型进行判断。

为了测试 Sturgeon 的性能，研究人员将其应用于50例中枢神经系统肿瘤标本和415个公开可用的纳米孔测序组成的中枢神经肿瘤数据集，进行了回顾性研究。该模型能够根据相当于20-40分钟的测序数据正确分类大多数样本（50个中的45个），可正确分类92.2%（415个中的383个）样品，说明该分类模型有着稳定可靠的表现。

为进一步验证“Sturgeon +快速纳米孔测序”应用的适用性，研究者在真实的25次中枢神经肿瘤切除手术场景中，部署并测试了该方法的完整工作流程，实现了90分钟内完成从标本到肿瘤分类诊断结果的全工作流程，并实现了18次正确术中诊断，这是指导手术决策的理想时间范围。

图2. 术中测序各步骤周期

该研究为我们展示了纳米孔实时测序技术非凡的应用潜力！

相比于传统方式长达数天的周转时间，基于“纳米孔测序+人工智能”能在短短的1.5小时内完成术间从样本到结果的工作全流程，在外科医生开始对肿瘤边缘切除前便可反馈分子诊断结果，这无疑为手术决策带来了巨大改变。

研究团队表示，他们还需进行纵向随访以证明该方法对患者结果的积极影响。还将在此次研究基础上不断更新 Sturgeon，并使用最新的甲基化参考数据重新训练算法，同时进行更多研究以更广泛、更结构化地应用该技术，期待更多的肿瘤类型能够添加到算法工具中。

现代化手术室是一个复杂的环境，往往需要团队同时处理、协调和处理多个信息源以及后勤规划等。并且，对肿瘤细胞进行测序和分类通常仍然需要经验丰富的生物信息学专业人员以及能够运行、排除故障和修复该技术的工作人员。

伴随基因测序技术创新发展与精准医学时代的到来，基因测序已成为支撑前沿生命科学研究、保障人民生命健康的关键基石。尽管距离该研究术中诊断流程真正在临床中应用起来还有很长的路要走，但我们已经能看到纳米孔测序与AI配合用于临床的“非凡潜力”，未来，凭借纳米孔技术实时测序的优势，结合人工智能手段，将有望实现人人可及的个性化治疗。