Nature子刊：癌症研究的突破性技术

可捕获循环肿瘤细胞群的新型微芯片

最近，美国研究人员开发出一种微流控芯片，可以捕捉罕见的循环肿瘤细胞（CTC）群，这会对“癌症如何扩散”产生新的重要认识。这项突破性的技术，可能对癌症研究产生非常大的影响。相关结果发表在2015年五月十八日的《Nature Methods》。

　　

生物通报道：最近，美国研究人员开发出一种微流控芯片，可以捕捉罕见的循环肿瘤细胞（CTC）群，这会对“癌症如何扩散”产生新的重要认识。这项工作是由美国国家生物医学成像和生物工程研究所（NIBIB，国立卫生研究院的一部分）资助。延伸阅读：微芯片揭示肿瘤细胞如何变侵袭细胞。

循环肿瘤细胞（CTCs），是从实体瘤中脱离出来并进入癌症患者血液循环的细胞。单个CTC是极为罕见的，通常10亿个细胞中只有不到1个CTC细胞。这些细胞能在远端器官定居下来，研究人员认为这是癌细胞扩散的一种模式。

比单个CTC更为罕见的是小的CTC群。虽然50多年来，科学家们已经知道CTC群的存在，但是它们在血液中的普遍性，以及在癌症转移中的作用，还没有得以彻底调查，主要是因为它们如此的难以捉摸。然而，使研究人员能够捕捉单个CTC的生物医学技术进展，又重新激起了科学界对于CTC群的兴趣，它们偶尔会与单个CTC一起被捕获。

最近，美国麻省总医院（MGH）和哈佛-麻省理工卫生科学技术部（Harvard-MIT Division of Health & Sciences Technology）的研究人员，在Mehmet Toner博士的带领下，开发出一种新型微流控芯片，专门设计用来从未被加工的全血中高效捕获CTC群。

NIBIB主任Roderic I. Pettigrew博士指出：“关于CTC群及其在癌症转移进程中的作用，我们知之甚少。这种独特的技术提供了一个令人兴奋的机会，以一种微创的方式捕捉这些罕见的细胞群，用于进一步分析。这项突破性的技术，可能对癌症研究产生非常大的影响。”

这种新技术——被称为集群芯片（Cluster-Chip），是在NIBIB量子基金的资助下开发出来的，该基金主要资助变革性技术创新，旨在解决具有重大疾病负担的主要医疗资金问题，如防止癌症转移，或根据个体癌细胞生物学精确定制治疗方案。

最近，Toner和他的合作者Daniel Haber博士，在60名患有转移性乳腺癌、前列腺癌和黑色素瘤癌的患者中，使用Cluster-Chip来捕获和分析CTC群。研究人员在在30%至40%的患者当中发现了CTC群——从2到19个细胞。

Toner说：“这些CTC群的存在，远比我们过去想象的更为常见。我们在这许多患者中看到了这种细胞群，真是一个了不起的发现。”

对患者CTC群的进一步分析，对于“CTC集群生物学”提出了新的见解。研究人员将他们的结果发表在2015年五月十八日的《Nature Methods》。

该芯片被设计成慢慢推动血液通过多排显微三角形柱子。这些柱子是以这样的方式排列：每两个柱子把细胞引流到第三根柱子的顶端。在顶端，单细胞——包括血细胞和单个CTC——很容易地滑到柱子的两侧，并继续通过芯片，直到到达下一个顶端；然而，CTC群被遗留在顶端，由于将它们拉向柱子相反方向的力量，使得它们安危未定。

为了确定Cluster-Chip的效率，研究人员将荧光标记的细胞群（2到30个细胞）引入芯片，并计算捕获的细胞群的数量，以及流经漏检数。在2.5ml/hr的血流速率上，芯片捕获了99%的细胞群，包含四个或更多的细胞，70%的无细胞群和41%的两细胞群。在捕获之前和之后，研究人员在显微镜下比较细胞集群发现，总的来说芯片对细胞群的完整性没有负面影响。

研究人员接下来将这种新型芯片的效率，与目前使用的、成功捕获CTC群的一些方法，进行了比较。他们发现，在类似的血流速度上，Cluster-Chip比基于滤波器的方法更有效，后者可推动血液通过一张膜，这张膜上有很多孔，大小只够让单个细胞通过。该芯片也比一种不同的微流控芯片更高效——Toner以前开发，可使用抗体（粘附在一些肿瘤细胞表面的特异蛋白），分离CTCs和偶尔分离CTC群。

这些结果突出了独特Cluster-Chip捕获技术的重要性，它是基于CTC群的结构性质而不是它们的大小或表面蛋白的存在。后者这种特性使得Cluster-Chip适合于捕获多种类型癌症的CTC群，包括那些在转移过程中失去表面蛋白以及那些从未表达它们的癌症，如恶性黑色素瘤。

研究人员继续在一项小型试验（60例转移性癌症患者）中测试了Cluster-Chip。在这项研究中，芯片在27名乳腺癌患者中的11人（百分之40.7）、20名黑色素瘤患者中的6人（百分之30）、13例前列腺癌患者中的4人（百分之31）当中，捕获到了CTC群。在患者样本中发现的大量细胞群表明，该细胞群可能在癌症转移阶梯反应中，发挥更大的作用。而CTC群的意义尚未完全确立，Toner和Haber小组2014年在《Cell》发表的一项研究发现，在转移性乳腺癌患者中CTC群的数量增加与生存率降低之间存在关联，在前列腺癌患者中，细胞群的存在与生存率下降之间存在关联。

为了表征CTC细胞群的生物学，研究人员在一名具有大量单CTC及CTC群的乳腺癌患者中，测量了肿瘤细胞增殖的一个标记——侵袭性增加和预后不良的一个指标。在患者细胞群中有约一半的细胞其增殖标记物呈现阳性，从而表明该细胞群可能包含积极增殖和休眠的细胞。

研究人员还指出，非肿瘤细胞罕见存在于不到5%的患者中。Pettigrew解释说：“事实上，一些CTC群包含免疫细胞，是我们特别感兴趣的。鉴于越来越多的癌症治疗作用于免疫系统，能够通过血液监测肿瘤的免疫细胞相互作用，可能是很有价值的。”

Toner预计，对于激励CTC细胞群生物学的新研究，Cluster-Chip将起着重要的作用：“就像唤一头沉睡的熊。这将唤醒探索CTC细胞群的领域，并开发更好的技术，来理解它们在癌转移中的生物学作用。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：

A microfluidic device for label-free, physical capture of circulating tumor cell clusters
Abstract: Cancer cells metastasize through the bloodstream either as single migratory circulating tumor cells (CTCs) or as multicellular groupings (CTC clusters). Existing technologies for CTC enrichment are designed to isolate single CTCs, and although CTC clusters are detectable in some cases, their true prevalence and significance remain to be determined. Here we developed a microchip technology (the Cluster-Chip) to capture CTC clusters independently of tumor-specific markers from unprocessed blood. CTC clusters are isolated through specialized bifurcating traps under low–shear stress conditions that preserve their integrity, and even two-cell clusters are captured efficiently. Using the Cluster-Chip, we identified CTC clusters in 30–40% of patients with metastatic breast or prostate cancer or with melanoma. RNA sequencing of CTC clusters confirmed their tumor origin and identified tissue-derived macrophages within the clusters. Efficient capture of CTC clusters will enable the detailed characterization of their biological properties and role in metastasis.