狗可以像搜毒排爆那樣，準(zhǔn)確聞出患癌病人嗎？

出品：科普中國

作者：寧玨垠（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)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(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)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(jìn)而變成“紅鼻子”果的黃龍病，不僅讓柑橘品質(zhì)低劣，喪失經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且會(huì)迅速蔓延，危及整個(gè)果園。這個(gè)由細(xì)菌引發(fā)并通過木虱傳播的病害，因?yàn)槠潆[秘性和破壞性，在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段面前總能“肆意妄為”，一直以來是全球柑橘經(jīng)濟(jì)的頭號(hào)大敵。然而，誰也沒想到，影響柑橘產(chǎn)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(chǎn)業(yè)園中，由一位訓(xùn)導(dǎo)員和一只拉布拉多尋回犬組成的黃龍病新型監(jiān)測(cè)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(shí)別癌癥患者？答案是當(dāng)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(gè)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(gè)，還有遠(yuǎn)超人類690倍的嗅覺接收器平展面積。動(dòng)物行為學(xué)研究博士史蒂夫·懷特曾在《警犬的作業(yè)基礎(chǔ)-氣味》研究報(bào)告中對(duì)此做過一個(gè)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(duì)比。

鼻平面上的斑塊狀結(jié)構(gòu)

（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(jié)構(gòu)從鼻平面一直延伸到鼻孔和鼻腔內(nèi)。這讓高達(dá)3.3m/s嗅吸動(dòng)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(cè)面夾縫中排出更多體積的“舊”空氣。

空氣進(jìn)入鼻腔后，氣味分子先經(jīng)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(jié)構(gòu)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)7）

犁鼻器是人類所沒有的，位于鼻底和梨骨兩側(cè)組織中的特殊嗅覺器官，呈“成對(duì)的小盲管狀”。作為感覺外激素的化學(xué)感受器，它不僅擁有雙極嗅細(xì)胞，還通過608根犁鼻神經(jīng)束與嗅葉和大腦直接相連。它對(duì)小范圍內(nèi)特異性的化學(xué)感應(yīng)信號(hào)（即信息素）的識(shí)別更加靈敏，被認(rèn)為是主嗅覺系統(tǒng)的輔助結(jié)構(gòu)。

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(shí)別環(huán)境中的化學(xué)氣味，這也是它為什么能識(shí)別癌癥的重要生理原因。

大多數(shù)動(dòng)物對(duì)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(gè)長120米寬90米的足球場(chǎng)上，狗可以輕而易舉地聞到一個(gè)蘋果的氣味，同樣，在這個(gè)足球場(chǎng)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(dá)州的植物保護(hù)專家蒂莫西·哥特瓦爾德發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)菌感染柑橘樹時(shí)，柑橘樹會(huì)釋放出一些極其微量且特殊的化學(xué)物質(zhì)。正是通過捕捉這些化學(xué)物質(zhì)，狗得以判斷一棵柑橘樹是否患上黃龍病。類似的，癌癥也會(huì)釋放極其微量且特殊的化學(xué)物質(zhì)——這就是狗能識(shí)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(gè)“聞”，就是身體抱恙伴隨著氣味的具象表現(xiàn)——人生病時(shí)，口腔、唾液、尿液、汗液等會(huì)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(shí)，過量的丙酮會(huì)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(zhì)，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(dāng)我們把結(jié)腸癌細(xì)胞、肺癌細(xì)胞等癌細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們也產(chǎn)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(xì)胞為了滿足其持續(xù)生長的自身需求，會(huì)出現(xiàn)：①葡萄糖、脂肪和氨基酸代謝失調(diào)；②代謝物驅(qū)動(dòng)基因調(diào)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(xì)胞，癌細(xì)胞有截然不同的代謝水平，并生成特有的代謝產(chǎn)物。

癌細(xì)胞三維圖像

（圖片來源：veer圖庫）

這些代謝產(chǎn)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(xì)胞介素等）存在體內(nèi)，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(jīng)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(chǎn)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(jí)，而通過血液和尿液的釋放濃度為微克至納克級(jí)。微克級(jí)、納克級(jí)和皮克級(jí)有多少？

如果說一個(gè)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(jí)、納克級(jí)和皮克級(jí)的VOCs濃度有多么低，不過好在狗鼻子足夠強(qiáng)大，強(qiáng)大到這些濃度恰好在它們的嗅覺范圍之內(nèi)——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(shí)表現(xiàn)如何？

1989年，一只從未被訓(xùn)練過的狗總是沖著主人腿上的“黑痣”吠叫。因?yàn)橐苫?，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(duì)相關(guān)研究報(bào)道的數(shù)量急劇增長。狗狗們的訓(xùn)練項(xiàng)目也從嗅聞黑色素瘤擴(kuò)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(guān)文獻(xiàn)來看，狗狗對(duì)癌癥的嗅探研究暫處于實(shí)驗(yàn)室階段，它們對(duì)癌癥的靈敏性和特異性普遍達(dá)到90%以上，該結(jié)果同樣得到國內(nèi)趙勤濤團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證。

目前，該團(tuán)隊(duì)的研究已踏出實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)醫(yī)院。從醫(yī)院初步雙盲測(cè)試結(jié)果來看，狗狗對(duì)新發(fā)和不同階段骨髓瘤的檢出率達(dá)94%，對(duì)早期肺癌的檢出率達(dá)93%，對(duì)治療中、術(shù)后復(fù)發(fā)病例的檢出率達(dá)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(dòng)的測(cè)癌小雷達(dá)！當(dāng)然，在這里還是要祝愿大家身體一直健康！

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